Suština sedimentacijske metode analize je mjerenje brzine taloženja čestica (uglavnom iz tekućeg medija). A pomoću vrijednosti brzine taloženja izračunavaju se veličine tih čestica i njihova specifična površina. Ovom metodom određuju se parametri čestica mnogih vrsta disperznih sustava, kao što su suspenzije, aerosoli, emulzije, odnosno oni koji su rasprostranjeni i važni za razne industrije.
Koncept disperzije
Jedan od glavnih tehnoloških parametara koji karakteriziraju tvari i materijale u različitim proizvodnim procesima je njihova finoća. To se nužno uzima u obzir pri odabiru aparata za kemijsku tehnologiju, u proizvodnji raznih prehrambenih proizvoda itd. To je zbog ne samo činjenice da se smanjenjem čestica tvari povećava površina faza i povećava brzina njihove interakcije, već i činjenice da se neka svojstva sustava u ovom slučaju mijenjaju.. Posebno se povećava topljivost, povećava se reaktivnosttvari, temperature faznih prijelaza se smanjuju. Stoga je postalo potrebno pronaći kvantitativne karakteristike disperzije različitih sustava i u analizi sedimentacije.
Ovisno o tome kako su veličine čestica u disperziranoj fazi povezane, sustavi se dijele na monodisperzne i polidisperzne. Prvi se sastoje isključivo od čestica iste veličine. Takvi disperzni sustavi su prilično rijetki i u stvarnosti su vrlo bliski pravim monodisperznim sustavima. S druge strane, velika većina postojećih disperznih sustava je polidisperzna. To znači da se sastoje od čestica različite veličine, a njihov sadržaj nije isti. Tijekom sedimentacijske analize disperznih sustava određuju se veličine čestica koje ih tvore, a zatim se izrađuju krivulje njihove raspodjele veličine.
Teorijske osnove
Sedimentacija je proces taloženja čestica koje čine dispergiranu fazu u plinovitom ili tekućem mediju pod djelovanjem gravitacije. Sedimentacija se može preokrenuti ako čestice (kapljice) plutaju u raznim emulzijama.
Gravitacija Fg koja djeluje na sferne čestice može se izračunati pomoću formule hidrostatičke korekcije:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, gdje je ρ gustoća materije; r je polumjer čestice; ρ0 – gustoća tekućine; g - ubrzanjeslobodan pad.
Sila trenja Fη, opisana Stokesovim zakonom, suprotstavlja taloženju čestica:
Fη=6 π η r ᴠsed, gdje je ᴠsed brzina čestice, a η viskozitet tekućine.
U nekom trenutku, čestice se počinju taložiti konstantnom brzinom, što se objašnjava jednakošću suprotstavljenih sila Fg=Fη, što znači da je jednakost također istinita:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Transformacijom možete dobiti formulu koja odražava odnos između radijusa čestice i brzine taloženja:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Ako uzmemo u obzir da se brzina čestica može definirati kao omjer njihove putanje H i vremena kretanja τ, tada možemo napisati Stokesovu jednadžbu:
ᴠsat=N/t.
Tada se radijus čestice može povezati s vremenom njenog taloženja jednadžbom:
r=K √N/t.
Međutim, vrijedi napomenuti da će takvo teorijsko opravdanje analize sedimentacije vrijediti pod brojnim uvjetima:
- Veličina čvrstih čestica trebala bi biti između 10–5 do 10–2 pogledajte
- Čestice moraju biti sferne.
- Čestice se moraju kretati konstantnom brzinom i neovisno o susjednim česticama.
- Trenje mora biti unutarnji fenomen disperzijskog medija.
Zbog činjenice da prave suspenzije često sadržečestice koje se oblikom značajno razlikuju od sfernih uvode pojam ekvivalentnog polumjera za potrebe analize sedimentacije. Da bi se to postiglo, radijus hipotetskih sfernih čestica izrađenih od istog materijala kao i stvarne u proučavanoj suspenziji i koje se talože istom brzinom zamjenjuje se u jednadžbe proračuna.
U praksi su čestice u dispergiranim sustavima heterogene veličine, a glavni zadatak analize sedimentacije može se nazvati analizom raspodjele veličine čestica u njima. Drugim riječima, tijekom proučavanja polidisperznih sustava pronalazi se relativni sadržaj različitih frakcija (skup čestica čije veličine leže u određenom intervalu).
Značajke analize sedimentacije
Postoji nekoliko pristupa izvođenju analize dispergiranih sustava sedimentacijom:
- praćenje u gravitacionom polju brzine kojom se čestice talože u mirnoj tekućini;
- miješanje suspenzije za njeno naknadno odvajanje na frakcije čestica zadane veličine u mlazu tekućine;
- razdvajanje praškastih tvari na frakcije s određenim veličinama čestica, izvedeno odvajanjem zraka;
- praćenje u centrifugalnom polju parametara slijeganja visoko disperziranih sustava.
Jedna od najčešće korištenih je prva verzija analize. Za njegovu provedbu, brzina sedimentacije određuje se bilo kojom od sljedećih metoda:
- promatranje kroz mikroskop;
- vaganje nakupljenog sedimenta;
- određivanje koncentracije dispergirane faze u određenom razdoblju procesa taloženja;
- mjerenje hidrostatskog tlaka tijekom slijeganja;
- određivanje gustoće suspenzije tijekom razdoblja taloženja.
Koncept ovjesa
Suspenzije se shvaćaju kao grubi sustavi formirani od krute dispergirane faze, čija veličina čestica prelazi 10-5 cm, i tekućeg disperzijskog medija. Suspenzije se često karakteriziraju kao suspenzije praškastih tvari u tekućinama. Zapravo, to nije sasvim točno, budući da su kaše razrijeđene suspenzije. Čestice čvrste faze kinetički su neovisne i mogu se slobodno kretati u tekućini.
U pravim (koncentriranim) suspenzijama, koje se često nazivaju pastama, čvrste čestice međusobno djeluju. To dovodi do formiranja određene prostorne strukture.
Postoji još jedna vrsta dispergiranih sustava formiranih od čvrstih dispergiranih faza i tekućih disperzijskih medija. Zovu se liosoli. Međutim, veličina čestica je mnogo manja (od 10-7 do 10-5 cm). S tim u vezi, sedimentacija u njima je neznatna, ali liosole karakteriziraju takvi fenomeni kao što su Brownovo kretanje, osmoza i difuzija. Analiza sedimentacije suspenzija temelji se na njihovoj kinetičkoj nestabilnosti. To znači da suspenzije karakterizira vremenska varijabilnost parametara kao što su finoća i ravnotežna raspodjela čestica u disperzijskom mediju.
Metodologija
Analiza sedimentacije se izvodi pomoću torzijske vage s čašicom od folije(promjer 1-2 cm) i visoka čaša. Prije početka analize, čaša se izvaže u disperzijskom mediju, uroni u napunjenu čašu i uravnoteži vagu. Uz to se mjeri i dubina njegovog uranjanja. Nakon toga, šalica se uklanja i brzo stavlja u čašu s ispitnom suspenzijom, dok se mora objesiti na kuku grede za ravnotežu. Istodobno će se pokrenuti štoperica. Tablica sadrži podatke o masi oborine u proizvoljnim vremenskim točkama.
| Vrijeme od početka studija, s | Masa šalice s sedimentom, g | Masa sedimenta, g | 1/t, c-1 | Granica sedimentacije, g |
Koristeći tablične podatke, nacrtajte krivulju sedimentacije na milimetarskom papiru. Masa taloženih čestica iscrtava se duž ordinatne osi, a vrijeme je naneseno duž osi apscise. U tom slučaju odabire se odgovarajuća skala kako bi bilo prikladno izvršiti daljnje grafičke izračune.
analiza krivulje
U monodisperznom mediju, brzina taloženja čestica bit će ista, što znači da će taloženje biti okarakterizirano ujednačenošću. Krivulja sedimentacije u ovom slučaju bit će linearna.
Tijekom taloženja polidisperzne suspenzije (što se događa u praksi), čestice različitih veličina također se razlikuju u brzini taloženja. To je izraženo na grafikonu u zamućenju granice sloja taloženja.
Krivulja slijeganja obrađuje se dijeljenjem na nekoliko segmenata i crtanjem tangenti. Svaka tangenta će karakterizirati slijeganje zasebnogmonodisperzni dio suspenzije.
Opća ideja o raspodjeli veličine čestica
Kvantitativni sadržaj čestica određene veličine u stijeni obično se naziva granulometrijski sastav. O tome ovise neka svojstva poroznih medija, na primjer, propusnost, specifična površina, poroznost itd. Na temelju tih svojstava, pak, mogu se izvući zaključci o geološkim uvjetima za stvaranje naslaga stijena. Zato je jedna od prvih faza u proučavanju sedimentnih stijena granulometrijska analiza.
Tako, prema rezultatima analize granulometrijskog sastava pijeskova u dodiru s naftom, biraju opremu i postupke rada u naftnoj praksi. Pomaže u odabiru filtera koji sprječavaju ulazak pijeska u bunar. Količina gline i koloidno dispergiranih minerala u sastavu određuje procese apsorpcije iona, kao i stupanj bubrenja stijena u vodi.
Sedimentna analiza granulometrijskog sastava stijena
Zbog činjenice da analiza disperznih sustava temeljenih na principima sedimentacije ima niz ograničenja, njezina uporaba u čistom obliku za granulometrijsko proučavanje sastava stijena ne daje odgovarajuću pouzdanost i točnost. Danas se izvodi suvremenom opremom uz pomoć računalnih programa.
Omogućuju proučavanje čestica stijena iz početnog sloja, omogućuju kontinuirano snimanje akumulacijesedimenta, isključujući aproksimaciju jednadžbama, izravno izmjeriti brzinu taloženja. I, ne manje važno, omogućuju proučavanje taloženja čestica nepravilnog oblika. Postotak frakcije jedne ili druge veličine određuje računalo, na temelju ukupne mase uzorka, što znači da ga nije potrebno vagati prije analize.
