Esența metodei de analiză de sedimentare este de a măsura viteza cu care particulele se depun (în principal dintr-un mediu lichid). Și folosind valorile vitezei de decantare, se calculează dimensiunile acestor particule și suprafața lor specifică. Această metodă determină parametrii particulelor multor tipuri de sisteme dispersate, cum ar fi suspensii, aerosoli, emulsii, adică cele care sunt răspândite și importante pentru diverse industrii.
Conceptul de dispersie
Unul dintre principalii parametri tehnologici care caracterizează substanțele și materialele din diverse procese de producție este finețea acestora. Este neapărat luat în considerare la selecția aparatelor pentru tehnologia chimică, la producerea diferitelor produse alimentare etc. Acest lucru se datorează nu numai faptului că, odată cu scăderea particulelor de substanțe, suprafața fazelor crește și viteza de interacțiune a acestora crește, ci și faptului că unele proprietăți ale sistemului se modifică în acest caz.. În special, solubilitatea crește, reactivitatea creștesubstanțelor, temperaturile tranzițiilor de fază scad. Prin urmare, a devenit necesară găsirea caracteristicilor cantitative ale dispersiei diverselor sisteme și în analiza sedimentării.
În funcție de modul în care dimensiunile particulelor din faza dispersată sunt legate, sistemele sunt împărțite în monodisperse și polidisperse. Primele constau exclusiv din particule de aceeași dimensiune. Astfel de sisteme disperse sunt destul de rare și, în realitate, sunt foarte apropiate de cele monodisperse adevărate. Pe de altă parte, marea majoritate a sistemelor dispersate existente sunt polidisperse. Aceasta înseamnă că sunt compuse din particule care diferă ca mărime, iar conținutul lor nu este același. În cursul analizei de sedimentare a sistemelor disperse, se determină dimensiunile particulelor care le formează, urmate de construcția curbelor de distribuție a dimensiunilor acestora.
Baze teoretice
Sedimentarea este procesul de precipitare a particulelor care alcătuiesc faza dispersată în medii gazoase sau lichide sub acțiunea gravitației. Sedimentarea poate fi inversată dacă particulele (picăturile) plutesc în diferite emulsii.
Gravația Fg care acționează asupra particulelor sferice poate fi calculat folosind formula de corecție hidrostatică:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, unde ρ este densitatea materiei; r este raza particulei; ρ0 – densitatea fluidului; g - accelerațiecădere liberă.
Forța de frecare Fη, descrisă de legea Stokes, contracarează depunerea particulelor:
Fη=6 π η r ᴠsed, unde ᴠsed este viteza particulelor și η este vâscozitatea fluidului.
La un moment dat, particulele încep să se stabilească cu o viteză constantă, ceea ce se explică prin egalitatea forțelor opuse Fg=Fη, ceea ce înseamnă că egalitatea este și adevărată:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Transformându-l, puteți obține o formulă care reflectă relația dintre raza particulei și rata de decantare a acesteia:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Dacă ținem cont de faptul că viteza particulelor poate fi definită ca raportul dintre drumul său H și timpul de mișcare τ, atunci putem scrie ecuația Stokes:
ᴠsat=N/t.
Atunci raza particulei poate fi legată de timpul de depunere a acesteia prin ecuația:
r=K √N/t.
Totuși, este de remarcat faptul că o astfel de justificare teoretică a analizei sedimentării va fi valabilă în mai multe condiții:
- Dimensiunea particulelor solide ar trebui să fie între 10–5 până la 10–2 vezi
- Particulele trebuie să fie sferice.
- Particulele trebuie să se miște cu o viteză constantă și independent de particulele învecinate.
- Fricația trebuie să fie un fenomen intern al unui mediu de dispersie.
Datorită faptului că suspensiile reale conțin adeseaparticulele care diferă semnificativ ca formă de cele sferice introduc conceptul de rază echivalentă în scopul analizei sedimentării. Pentru a face acest lucru, în ecuațiile de calcul se înlocuiește raza particulelor sferice ipotetice din același material ca și cele reale din suspensia studiată și care se depun cu aceeași viteză.
În practică, particulele din sistemele dispersate au dimensiuni eterogene, iar sarcina principală a analizei sedimentării poate fi numită analiza distribuției dimensiunii particulelor în ele. Cu alte cuvinte, în timpul studiului sistemelor polidisperse se găsește conținutul relativ al diferitelor fracții (un set de particule ale căror dimensiuni se află într-un anumit interval).
Caracteristici ale analizei sedimentării
Există mai multe abordări pentru efectuarea analizei sistemelor dispersate prin sedimentare:
- monitorizarea într-un câmp gravitațional a vitezei cu care particulele se depun într-un lichid calm;
- agitarea suspensiei pentru separarea sa ulterioară în fracții de particule de dimensiuni date într-un jet de lichid;
- separarea substanțelor sub formă de pulbere în fracții cu anumite dimensiuni ale particulelor, realizată prin separare cu aer;
- monitorizarea în câmp centrifugal a parametrilor de subsidență ai sistemelor foarte dispersate.
Una dintre cele mai utilizate este prima versiune a analizei. Pentru implementarea sa, viteza de sedimentare este determinată prin oricare dintre următoarele metode:
- vizionarea printr-un microscop;
- cântărind sedimentul acumulat;
- determinarea concentrației fazei dispersate într-o anumită perioadă a procesului de decantare;
- măsurarea presiunii hidrostatice în timpul tasării;
- determinând densitatea suspensiei în timpul perioadei de decontare.
Concept de suspendare
Suspensiile sunt înțelese ca sisteme grosiere formate dintr-o fază solidă dispersată, a cărei dimensiune a particulelor depășește 10-5 cm, și un mediu de dispersie lichid. Suspensiile sunt adesea caracterizate ca suspensii de substanțe sub formă de pulbere în lichide. De fapt, acest lucru nu este în întregime adevărat, deoarece suspensiile sunt suspensii diluate. Particulele fazei solide sunt independente cinetic și se pot mișca liber în lichid.
În suspensiile reale (concentrate), adesea numite paste, particulele solide interacționează între ele. Acest lucru duce la formarea unei anumite structuri spațiale.
Există un alt tip de sisteme dispersate formate din faze dispersate solide și medii de dispersie lichide. Se numesc liosoluri. Cu toate acestea, dimensiunea particulelor este mult mai mică (de la 10-7 la 10-5 cm). În acest sens, sedimentarea în ele este nesemnificativă, dar liosolurile sunt caracterizate de fenomene precum mișcarea browniană, osmoza și difuzia. Analiza sedimentării suspensiilor se bazează pe instabilitatea lor cinetică. Aceasta înseamnă că suspensiile sunt caracterizate de variabilitatea în timp a unor parametri precum finețea și distribuția de echilibru a particulelor într-un mediu de dispersie.
Metodologie
Analiza de sedimentare se realizează folosind o balanță de torsiune cu o cupă de folie(diametru 1-2 cm) si un pahar in alt. Înainte de începerea analizei, cupa se cântărește într-un mediu de dispersie, scufundându-l într-un pahar umplut și echilibrând balanța. Împreună cu aceasta, se măsoară adâncimea imersiunii sale. După aceea, cupa este îndepărtată și așezată rapid într-un pahar cu suspensia de testare, în timp ce aceasta trebuie agățată de cârligul grinzii de echilibru. În același timp, cronometrul va porni. Tabelul conține date despre masa precipitațiilor precipitate în momente arbitrare.
| Timp de la începerea studiului, s | Masa cupei cu sedimente, g | Masa sedimentului, g | 1/t, c-1 | Limita de sedimentare, g |
Folosind datele din tabel, trasați o curbă de sedimentare pe hârtie milimetrică. Masa particulelor sedimentate este reprezentată de-a lungul axei ordonatelor, iar timpul este reprezentat de-a lungul axei absciselor. În acest caz, este selectată o scară adecvată, astfel încât să fie convenabil să efectuați calcule grafice suplimentare.
Analiza curbei
Într-un mediu monodispers, viteza de decantare a particulelor va fi aceeași, ceea ce înseamnă că decantarea va fi caracterizată prin uniformitate. Curba de sedimentare în acest caz va fi liniară.
În timpul depunerii unei suspensii polidisperse (ceea ce se întâmplă în practică), particulele de diferite dimensiuni diferă și în ceea ce privește viteza de decantare. Aceasta este exprimată pe grafic în estomparea limitei stratului de decantare.
Curba de subsidență este procesată împărțind-o în mai multe segmente și desenând tangente. Fiecare tangentă va caracteriza tasarea unui separatparte monodispersă a suspensiei.
Idee generală a distribuției dimensiunii particulelor
Conținutul cantitativ al particulelor de o anumită dimensiune din rocă este de obicei numit compoziție granulometrică. Unele proprietăți ale mediilor poroase depind de el, de exemplu, permeabilitatea, suprafața specifică, porozitatea etc. Pe baza acestor proprietăți, la rândul lor, se pot trage concluzii despre condițiile geologice de formare a zăcămintelor de rocă. De aceea, una dintre primele etape în studiul rocilor sedimentare este analiza granulometrică.
Astfel, conform rezultatelor analizei compoziției granulometrice a nisipurilor în contact cu petrolul, aceștia aleg echipamente și proceduri de lucru în practica câmpului petrolier. Ajută la selectarea filtrelor pentru a preveni intrarea nisipului în puț. Cantitatea de argilă și minerale dispersate coloidal din compoziție determină procesele de absorbție a ionilor, precum și gradul de umflare a rocilor în apă.
Analiza sedimentară a compoziției granulometrice a rocilor
Datorită faptului că analiza sistemelor dispersate bazată pe principiile sedimentării are o serie de limitări, utilizarea sa în forma sa pură pentru studiul granulometric al compoziției rocilor nu oferă fiabilitatea și acuratețea cuvenite. Astăzi se realizează folosind echipamente moderne, folosind programe de calculator.
Acestea permit studiul particulelor de rocă din stratul inițial, vă permit să înregistrați continuu acumulareasedimentul, excluzând aproximarea prin ecuații, măsurați direct viteza de sedimentare. Și, nu mai puțin important, ele permit studiul sedimentării particulelor de formă neregulată. Procentul de fracție de o dimensiune sau alta este determinat de computer, pe baza masei totale a probei, ceea ce înseamnă că nu trebuie cântărit înainte de analiză.
