Nusėdimo analizės metodo esmė yra išmatuoti dalelių nusėdimo greitį (daugiausia iš skystos terpės). Ir naudojant nusėdimo greičio vertes, apskaičiuojami šių dalelių dydžiai ir jų savitasis paviršiaus plotas. Šiuo metodu nustatomi daugelio tipų dispersinių sistemų, tokių kaip suspensijos, aerozoliai, emulsijos, tai yra plačiai paplitusių ir svarbių įvairioms pramonės šakoms, dalelių parametrai.
Sklidos samprata
Vienas iš pagrindinių technologinių parametrų, apibūdinančių įvairiuose gamybos procesuose esančias medžiagas ir medžiagas, yra jų smulkumas. Į tai būtinai atsižvelgiama parenkant aparatus chemijos technologijoms, gaminant įvairius maisto produktus ir kt. Taip yra ne tik dėl to, kad mažėjant medžiagų dalelėms, didėja fazių paviršiaus plotas ir didėja jų sąveikos greitis, bet ir dėl to, kad šiuo atveju pasikeičia kai kurios sistemos savybės.. Visų pirma, didėja tirpumas, didėja reaktyvumasmedžiagų, fazių virsmų temperatūros mažėja. Todėl atsirado būtinybė rasti įvairių sistemų dispersijos ir sedimentacijos analizės kiekybines charakteristikas.
Priklausomai nuo to, kaip yra susiję dalelių dydžiai dispersinėje fazėje, sistemos skirstomos į monodispersines ir polidispersines. Pirmieji susideda tik iš tokio paties dydžio dalelių. Tokios dispersinės sistemos yra gana retos ir iš tikrųjų yra labai artimos tikrosioms monodispersinėms. Kita vertus, didžioji dauguma esamų dispersinių sistemų yra polidispersinės. Tai reiškia, kad juos sudaro skirtingo dydžio dalelės, o jų turinys nėra vienodas. Atliekant dispersinių sistemų sedimentacijos analizę, nustatomi jas formuojančių dalelių dydžiai, o vėliau sudaromos jų dydžio pasiskirstymo kreivės.
Teoriniai pagrindai
Nusėdimas yra dalelių, kurios sudaro dispersinę fazę, nusodinimo dujinėje arba skystoje terpėje, veikiant gravitacijai, procesas. Sedimentaciją galima pakeisti, jei dalelės (lašeliai) plūduriuoja įvairiose emulsijose.
Gravitacija Fg, veikianti sferines daleles, gali būti apskaičiuojama naudojant hidrostatinės korekcijos formulę:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, kur ρ yra medžiagos tankis; r yra dalelės spindulys; ρ0 – skysčio tankis; g – pagreitislaisvasis kritimas.
Trinties jėga Fη, aprašyta Stokso dėsnio, neutralizuoja dalelių nusėdimą:
Fη=6 π η r ᴠsed, kur ᴠsed yra dalelių greitis, o η yra skysčio klampumas.
Tam tikru momentu dalelės pradeda nusėsti pastoviu greičiu, o tai paaiškinama priešingų jėgų lygybe Fg=Fη, o tai reiškia, kad lygybė taip pat teisinga:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Ją transformuodami galite gauti formulę, atspindinčią ryšį tarp dalelių spindulio ir jos nusistovėjimo greičio:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Jei atsižvelgsime į tai, kad dalelių greitį galima apibrėžti kaip jos kelio H santykį su judėjimo laiku τ, galime parašyti Stokso lygtį:
ᴠsat=N/t.
Tada dalelės spindulį galima susieti su jos nusėdimo laiku pagal lygtį:
r=K √N/t.
Tačiau verta paminėti, kad toks teorinis sedimentacijos analizės pagrindimas galios esant kelioms sąlygoms:
- Kietųjų dalelių dydis turi būti nuo 10–5 iki 10–2 žr.
- Dalelės turi būti sferinės.
- Dalelės turi judėti pastoviu greičiu ir nepriklausomai nuo gretimų dalelių.
- Trintis turi būti vidinis dispersinės terpės reiškinys.
Dėl to, kad tikrose suspensijose dažnai yradalelės, kurios forma labai skiriasi nuo sferinių, sedimentacijos analizės tikslais įveda ekvivalentinio spindulio sąvoką. Norėdami tai padaryti, į skaičiavimo lygtis pakeičiamas hipotetinių sferinių dalelių, pagamintų iš tos pačios medžiagos kaip ir tikrosios tiriamoje suspensijoje ir nusėdančių tokiu pat greičiu, spindulys.
Praktikoje dalelės išsklaidytose sistemose yra nevienalyčio dydžio, o pagrindine sedimentacijos analizės užduotimi galima pavadinti dalelių pasiskirstymo jose analizę. Kitaip tariant, tiriant polidispersines sistemas, randamas įvairių frakcijų santykinis kiekis (dalelių rinkinys, kurių dydžiai yra tam tikrame intervale).
Nusėdimo analizės ypatybės
Yra keletas būdų, kaip atlikti išsklaidytų sistemų analizę sedimentacijos būdu:
- stebėti gravitaciniame lauke greitį, kuriuo dalelės nusėda ramiame skystyje;
- suspensijos maišymas, kad vėliau skysčio srove atskirtų į nurodyto dydžio dalelių frakcijas;
- miltelių pavidalo medžiagų atskyrimas į frakcijas su tam tikro dydžio dalelėmis, atliekamas atskiriant oru;
- stebėti išcentriniame lauke labai išsklaidytų sistemų nusėdimo parametrus.
Viena iš plačiausiai naudojamų yra pirmoji analizės versija. Jai įgyvendinti, sedimentacijos greitis nustatomas vienu iš šių metodų:
- žiūri pro mikroskopą;
- sveria susikaupusias nuosėdas;
- disperguotos fazės koncentracijos nustatymas tam tikru nusėdimo proceso periodu;
- hidrostatinio slėgio matavimas nusėdimo metu;
- suspensijos tankio nustatymas nusistovėjimo laikotarpiu.
Pakabos koncepcija
Suspensijos suprantamos kaip stambios sistemos, sudarytos iš kietos dispersinės fazės, kurios dalelių dydis viršija 10-5 cm, ir skystos dispersinės terpės. Suspensijos dažnai apibūdinamos kaip miltelių pavidalo medžiagų suspensijos skysčiuose. Tiesą sakant, tai nėra visiškai tiesa, nes srutos yra praskiestos suspensijos. Kietosios fazės dalelės yra kinetiškai nepriklausomos ir gali laisvai judėti skystyje.
Tikrose (koncentruotose) suspensijose, dažnai vadinamose pastomis, kietosios dalelės sąveikauja viena su kita. Dėl to susidaro tam tikra erdvinė struktūra.
Yra ir kito tipo dispersinės sistemos, kurias sudaro kietos dispersinės fazės ir skystos dispersinės terpės. Jie vadinami liozoliais. Tačiau dalelių dydis yra daug mažesnis (nuo 10-7 iki 10-5 cm). Šiuo atžvilgiu sedimentacija juose yra nereikšminga, tačiau liozoliams būdingi tokie reiškiniai kaip Brauno judėjimas, osmozė ir difuzija. Suspensijų sedimentacijos analizė pagrįsta jų kinetiniu nestabilumu. Tai reiškia, kad suspensijos pasižymi tokių parametrų kaip smulkumas ir dalelių pusiausvyros pasiskirstymas dispersinėje terpėje laiko kintamumu.
Metodika
Nusėdimo analizė atliekama naudojant sukimo balansą su folijos puodeliu(skersmuo 1-2 cm) ir aukšta stiklinė. Prieš pradedant analizę, taurelė pasveriama dispersinėje terpėje, panardinant į užpildytą stiklinę ir subalansuojant svarstykles. Kartu išmatuojamas jo panardinimo gylis. Po to puodelis išimamas ir greitai įdedamas į stiklinę su tiriamąja suspensija, o turi būti pakabintas ant balansinio pluošto kabliuko. Tuo pačiu metu įsijungs chronometras. Lentelėje pateikti duomenys apie iškritusių kritulių masę tam tikrais laiko momentais.
| Laikas nuo studijų pradžios, s | Taurė su nuosėdomis masė, g | Nuosėdų masė, g | 1/t, c-1 | Nusėdimo riba, g |
Naudodami lentelės duomenis nubrėžkite sedimentacijos kreivę ant milimetrinio popieriaus. Nusėdusių dalelių masė brėžiama išilgai ordinačių ašies, o laikas – išilgai abscisių ašies. Tokiu atveju parenkama tinkama skalė, kad būtų patogu atlikti tolesnius grafinius skaičiavimus.
Kreivės analizė
Monodispersinėje terpėje dalelių nusėdimo greitis bus toks pat, o tai reiškia, kad nusėdimas pasižymės vienodumu. Sedimentacijos kreivė šiuo atveju bus tiesinė.
Polidispersinės suspensijos nusėdimo metu (tai atsitinka praktikoje) skirtingų dydžių dalelės taip pat skiriasi nusėsimo greičiu. Tai išreiškiama grafike nusėdančio sluoksnio ribos suliejimu.
Nusėdimo kreivė apdorojama padalijant ją į keletą segmentų ir nubrėžiant liestines. Kiekviena liestinė apibūdins atskiro nusėdimąmonodispersinė suspensijos dalis.
Bendra dalelių dydžio pasiskirstymo idėja
Kiekybinis tam tikro dydžio dalelių kiekis uolienoje paprastai vadinamas granulometrine sudėtimi. Nuo to priklauso kai kurios porėtos terpės savybės, pavyzdžiui, pralaidumas, savitasis paviršiaus plotas, poringumas ir kt. Remiantis šiomis savybėmis, savo ruožtu galima daryti išvadas apie uolienų telkinių susidarymo geologines sąlygas. Štai kodėl vienas iš pirmųjų nuosėdinių uolienų tyrimo etapų yra granulometrinė analizė.
Taigi, pagal smėlio, besiliečiančio su nafta, granulometrinės sudėties analizės rezultatus, jie pasirenka įrangą ir darbo procedūras naftos telkinių praktikoje. Padeda parinkti filtrus, kad į šulinį nepatektų smėlio. Molio ir koloidiškai išsklaidytų mineralų kiekis kompozicijoje lemia jonų absorbcijos procesus, taip pat uolienų brinkimo laipsnį vandenyje.
Uolienų granulometrinės sudėties nuosėdų analizė
Dėl to, kad dispersinių sistemų analizė, pagrįsta sedimentacijos principais, turi tam tikrų apribojimų, jos naudojimas gryna forma granulometriniam uolienų sudėties tyrimui neužtikrina reikiamo patikimumo ir tikslumo. Šiandien tai atliekama naudojant modernią įrangą, naudojant kompiuterines programas.
Jie leidžia tyrinėti uolienų daleles iš pradinio sluoksnio, leidžia nuolat registruoti kaupimąsinuosėdų, išskyrus aproksimaciją pagal lygtis, tiesiogiai išmatuokite nusėdimo greitį. Ir, ne mažiau svarbu, jie leidžia ištirti netaisyklingos formos dalelių nusėdimą. Vieno ar kitokio dydžio frakcijos procentą nustato kompiuteris pagal bendrą mėginio masę, o tai reiškia, kad prieš analizę jo sverti nereikia.
