Седиментационный анализ суспензий и порошков
Цель работы –научиться работать с торсионными весами,исследовать кинетику седиментации суспензии глины методом непрерывного взвешивания осадка и определить размер частиц.
Теоретическая часть
Седиментационный анализ состоит в экспериментальном получении кривойседиментации, т. е. зависимости массы осадка mдисперсной фазы от времени осаждения τ.
Если сферическую частицу, радиус которой r и плотность , поместить в жидкость, плотность которой равна , а вязкость , на нее будет действовать сила тяжести (седиментация):
(1)
где V - объем частицы, равный 4/3 πr3; g- ускорение свободного падения.
Как только частица станет оседать, возникнет противодействующая сила - сила трения Fтр :
, (2)где В -коэффициент трения; U-скорость оседания.
Вначале частица движется ускоренно, так как при малых скоростях сила тяжести превышает силу трения. По мере увеличения скорости движения сила трения возрастает и в некоторый момент достигается равенство Fсед = Fтр, при котором частицы начинают двигаться с постоянной скоростью. Время, которое для этого требуется, пренебрежимо мало. Исходя из приведенных выше уравнений:
. (3)
|
|
В соответствии с законом Стокса, B = 6 r и учитывая, что V = 4/З r3, получим
. (4)
Таким образом, скорость седиментации прямо пропорциональна квадрату радиуса частицы. Следовательно, частицы разных размеров оседают с разными скоростями: чем больше частица, тем больше скорость ее оседания. Если экспериментально определить скорость оседания, можно легко рассчитать радиус частицы
r = . (5)
Так как величины g, h, r и r0 характеризуют систему и от дисперсности не зависят, можно записать
r = K (6)
Это уравнение справедливо только для условий, при которых выполняется закон Стокса, а именно:
1. частицы имеют сферическую форму;
2. движутся ламинарно, независимо друг от друга и с постоянной скоростью;
3. трение является внутренним для дисперсионной среды.
Эти условия выполняются только для систем, вкоторых размеры частиц лежат в пределах 10-5…10-2 см.
На седиментацию отдельной частицы не должны влиять соседние частицы. Чтобы избежать взаимного влияния частиц, необходимо проводить седиментацию в достаточно разбавленных суспензиях (с концентрацией не выше 1 %). Однако, чем более разбавленная суспензия, тем меньше масса осадка и тем больше ошибка измерения. Таким образом, в седиментационном анализе используют суспензии, размеры частиц в которых лежат в пределах от 10-5 до 10-2 см, а концентрация составляет 0,5…0,6%.
|
|
Если суспензия монодисперсна (r = const), частицы оседают с одинаковой скоростью. Поэтому граница осветления будет четкой и определить скорость оседания можно по скорости движения этой границы
Uсед = , (9)
где h — высота, на которую опустилась граница за время τ.
Тогда радиус частиц можно рассчитать по формуле:
r = K (10)
где
K =
Все реальные порошки полидисперсны и поэтому оседают с различными скоростями. Четкой границы осветления суспензии не наблюдается — крупные частицы осаждаются быстрее, мелкие - медленнее. Поэтому кривая седиментации полидисперсной системы имеет вид параболы. Тангенсы углов наклона j касательных к кривой седиментации определяют скорости седиментации соответствующих фракций частиц (рисунок 6.1). Зная скорости оседания частиц отдельных фракций, можно рассчитать их радиусы. Так как большинство реальных порошков имеют частицы неправильной формы, по уравнению (6) можно рассчитать только эквивалентный радиус частиц сферической формы, оседающих с такой же скоростью, что и реальные частицы.
m |
τ1 |
τ |
j |
Рисунок 6. 1 - Кривая седиментации полидисперсной системы |
|
|
Q |
τmin |
τmax |
0 |
Qi 100 |
τ |
|
|
Строят седиментационную кривую Qi = f (τ) (рисунок 6.2 ).
Рисунок 6.2 - График седиментации полидисперсной системы (суспензия глины, мела) |
массы осадка. В начальный момент времени частицы разных размеров
равномерно распределены в жидкости (перед началом эксперимента суспензия тщательно перемешивается). Чем крупнее частица, тем быстрее она оседает, но мелкие частицы, находящиеся вблизи чашечки весов, осядут скорее, чем крупные, находящиеся у поверхности жидкости, т. е. на расстоянии hот чашечки весов. В результате на чашечке весов будут собираться частицы всех размеров. Поэтому кривая седиментации всегда начинается с прямолинейной зависимости и выходит из начала координат. Однако через некоторое время τmin, нужное, чтобы самые крупные частицы прошли расстояние h,этих частиц в суспензии не останется. Поэтому в дальнейшем прирост массы осадка уменьшится — линия станет кривой, выпуклой к оси ординат. Время τmin дает возможность рассчитать радиус самой крупной частицы
rmax = K . (11)
В дальнейшем скорость накопления осадка будет уменьшаться, график будет оставаться криволинейным вплоть до установления постоянной массы осадка.
Теперь мы можем рассчитать радиус самой мелкой частицы
rmin = K . (12)
Практическая часть
Из исходной суспензии приготовьте рабочую суспензию. Необходимый объем исходной суспензии рассчитайте по формуле:
V0 =
где C1 - содержание сухого вещества в 1 дм3 рабочей суспензии, принимают равным 20 мг/дм3; V1 - объем рабочей суспензии, принимают равным 2 дм3; C0 - содержание сухого вещества в 1 дм3 исходной суспензии (С0 > 50 мг/дм3).
Исходную суспензию тщательно перемешайте, налейте рассчитанный объем в стакан и разбавьте дистиллированной водой до 2 дм3.
Cуспензию в стакане тщательно перемешайте в течение 3 мин и поставьте в седиментометр. Затем в перемешанную суспензию (твердые частицы в ней равномерно распределены по объему жидкости) сразу опустите чашечку седиментометра на глубину 10 см (h= 10 см).
В момент начала движения отсчетной шкалы под действием оседающих частиц включите секундомер и запишите начальное положение шкалы седиментометра. Дальнейшую запись показаний прибора проведите в следующие моменты времени: 30 с; 1;1,5; 2; 2,5; 3,0; 4; 4,5; 5,0; 7,5; 10,0; 12,5; 15; 20; 25; 30 мин. Данные анализа запишите в таблицу 6.1. По окончании опыта стакан с суспензией достаньте, чашечку весов промойте водой.
Таблица 6.1 - Экспериментальные данные седиментационного анализа
№ | Время оседания частиц от начала опыта, мин | Показания шкалы седиментометра | Масса осадка m, мг | Относительная масса осадка Q, % |
… | … |
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 899; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!