Седиментация в дисперсной системе

Седиментацией в дисперсной системе называется оседание частиц под действием силы тяжести.

В грубодисперсных системах частицы оседают под действием силы тяжести намного быстрее, чем они смещаются в результате броуновского движения. Процесс седиментации используют для определения размеров частиц дисперсной фазы [1].

Седиментационное равновесие

Оценить седиментационную или кинетическую устойчивость дисперсной системы можно, сравнивая диффузионный поток J_d и противодействующий ему поток седиментации J_s [1].

Поток седиментации (J_s) – количество вещества, которое под действие силы тяжести проходит через площадку в 1см² в направлении перпендикулярном ей [1].

От соотношения потоков диффузии и седиментации зависит устойчивость дисперсной системы (рис. 1) [1].

Если J_s / J_d << 1 , то система будет являться седиментационно или

кинетически устойчивой̆. К таким системам относятся системы молекулярного уровня [1].

Рисунок 1.

Если J_s/J_d >>1, то система будет являться седиментационно или кинетически неустойчивой̆. К таким системам относятся грубодисперсные системы [1].

В высокодисперсных системах (коллоидных) частицы в равной̆ степени подвержены диффузии и седиментации. В таких системах устанавливается седиментационно – диффузионное равновесие и наблюдается определенное распределение частиц по высоте [1].

Для любой дисперсной системы можно найти высоту h, на которой концентрация частиц уменьшилась в соответствующее число раз по гипсометрическому (от лат «hypsos» – высота) закону Лапласа [1]:

Уравнение Лапласа строго выполняется только для монодисперсных систем. В случае полидисперсных систем картина распределения частиц по высоте гораздо более сложная [1].

Несмотря на то, что для золей согласно гипсометрическому закону, концентрация должна уменьшаться очень быстро с высотой, часто дисперсные системы имеют одну и ту же концентрацию по всей высоте столба. Особенно это характерно для высокодисперсных золей. Такое явление объясняется тем, что с уменьшением размера частиц сила тяжести, обуславливающая оседание, уменьшается гораздо быстрее, чем сила трения [1].

Методы седиментационного анализа

Анализ дисперсности веществ и материалов люди проводили с древних времён. Ещё в далёком прошлом было известно роль дисперсности( которую в то время определяли на ощупь) для кроющий способности и яркости красок, для вкусовых качеств муки, для получения мелкозернистых кирпича, фарфора. В настоящее время дисперсность служит одним из основных технологических параметров веществ и материалов во многих производствах. Разработаны различные методы дисперсионного анализа, из которых наиболее простой и распространённый метод – седиментационный [2].

Принцип седиментационного анализа состоит в измерение скорости осаждения частиц, обычно в жидкой среде. По скорости осаждения с помощью соответствующих уравнений рассчитывают размеры частиц. Метод позволяет определить распределение частице по размерам и соответственно подсчитать их удельную поверхность. Седиментационный метод анализа дисперсности в гравитационном поле применим для анализа микрогетерогенных и некоторых грубодисперсных систем. Он позволяет определить размеры частиц в интервале от 10^-5 до 10^-2 см., которому соответствует суспензии, эмульсии, порошки – дисперсные системы, наиболее распространённые и важные в различных областях промышленности. Размер частицы дисперсной фазы обычно характеризуют радиусом частицы, реже объемом или площадью её поверхности. Радиус однозначно определяется только для частиц сферической формы. Для частиц неправильной формы – радиус условная величина и его значение зависит от экспериментального метода измерений. Так, с помощью микроскопа определяется несколько линейных размеров частицы и среднее значение принимают за ее радиус. Часто при анализе за размер частицы принимают радиус круга. При кондуктометрическом методе дисперсионного анализа, например, с помощью счётчика Колтера, в качестве радиуса частицы используют радиус сферы с тем же объемом, что и объем частицы При седиментационном анализе размер частицы определяется как радиус сферической частицы той же плотности, оседающей со скоростью, равной скорости движения частицы (гидравлический радиус) [2].

Чтобы уравнение седиментации одной частицы были применимы для всей совокупности частиц дисперсной системы, должно выполняться условие независимости движения каждой частицы. Такое условие достигается в разбавленной системе при введении специального стабилизатора предотвращающего слипание частиц [2].

Принцип седиментационного анализа удобно рассмотреть на примере монодисперсных систем, которые служат хорошей простейшей моделью для изучения седиментации. В монодисперсной системе все частицы осаждаются с одинаковой скоростью. В соответствии с этим такую же скорость перемещения имеют границы осветление, концентрации частиц по уменьшающийся высоте столба суспензии сохраняется постоянной и также с постоянной скоростью увеличивается масса осевших частиц [2].

Расчеты в седиментационном анализе основаны на использовании уравнения Стокса: предполагается, что при оседании частицы сила вязкого сопротивления среды равна силе тяжести. Таким образом, для сферических частиц [1]:

где 4/3*πr³ – объем дисперсной частицы; (ρ − ρ₀) – разность между плотностью частицы дисперсной фазы и плотностью дисперсионной среды; g – ускорение свободного падения; w – скорость оседания (седиментации) частицы – скорость движения частицы; η – вязкость дисперсионной среды; r – радиус частицы дисперсной фазы [1].

Тогда скорость седиментации можно рассчитать:

Согласно уравнению (3) с увеличением радиуса частицы дисперсной фазы и уменьшением вязкости среды скорость седиментации будет увеличиваться. Если (ρ − ρ₀ ) > 0 , то происходит оседание, при (ρ − ρ₀) < 0 – всплывание частиц – обратная седиментация (суспензия парафина в воде, образование сливок в молоке) [1].

Уравнение (8.11) лежит в основе седиментационного анализа для

определения размеров грубодисперсных частиц и имеет огромное прак- тическое значение, так как дисперсность определяет производственные показатели многих промышленных и природных материалов [1]:

Вывод

Таким образом, определяя экспериментально зависимость массы осевших частиц от времени можно получить распределение частиц по размерам. Данная зависимость для монодисперсных систем имеет линейный характер. Такой график изображен на рисунке 2 и называется кривой седиментации.

Рисунок 2.

Дата добавления: 2018-10-27; просмотров: 908; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!