Методом седиментационного анализа на основе уравнения стокса можно определить частиц дисперсной фазы

Суть седиментационного метода анализа заключается в измерении скорости, с которой частицы оседают (преимущественно из жидкой среды). А используя значения скорости оседания, рассчитывают размеры этих частиц и их удельную поверхность. С помощью этого метода определяют параметры частиц многих видов дисперсных систем, например, суспензий, аэрозолей, эмульсий, то есть тех, которые широко распространены и важны для различных областей промышленности.

Видео:Седиментационный анализСкачать

Понятие дисперсности

Одним из главных технологических параметров, характеризующих вещества и материалы в различных производственных процессах, является их дисперсность. Она обязательно учитывается во время подбора аппаратов для химической технологии, при производстве разнообразных пищевых продуктов и т.д. Связано это не только с тем, что при уменьшении частичек веществ возрастает площадь поверхности фаз и повышается скорость их взаимодействия, но также с тем, что при этом меняются некоторые свойства системы. В частности, возрастает растворимость, увеличивается реакционная способность вещества, понижаются температуры фазовых переходов. Поэтому возникла необходимость в нахождении количественных характеристик дисперсности различных систем и в седиментационном анализе.

В зависимости от того, как соотносятся размеры частиц в дисперсной фазе, системы подразделяют на монодисперсные и полидисперсные. Первые состоят исключительно из частиц одного размера. Такие дисперсные системы встречаются довольно редко и в реальности являются очень близкими к истинным монодисперсным. Зато подавляющее большинство существующих дисперсных систем — полидисперсные. Это значит, что они состоят из различающихся по своим размерам частиц, причем их содержание неодинаково. В ходе седиментационного анализа дисперсных систем выполняют определение размеров образующих их частиц с последующим построением кривых распределения их по размерам.

Видео:Определение содержания пылевидные и глинистые частиц методом мокрого просева.Скачать

Теоретические основы

Седиментацией называется процесс выпадения в осадок частиц, составляющих дисперсную фазу в газообразной или жидкой средах под действием силы тяжести. Седиментация может быть обратной, если происходит всплывание частиц (капель) в различных эмульсиях.

Величину силы тяжести F_g, действующей на частицы шарообразной формы, можно вычислить по формуле, учитывающей гидростатическую поправку:

где ρ – плотность вещества; r – радиус частиц; ρ₀ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.

Противодействует оседанию частиц сила трения F_η, описываемая законом Стокса:

где ᴠ_сед – скорость движения частиц, а η – вязкость жидкости.

В некоторый момент времени частицы начинают оседать с постоянной скоростью, объясняющейся равенством противодействующих сил F_g=F_η, а значит, справедливо и равенство:

4/3·π·r 3 ·(ρ-ρ₀)·g=6·π·η·r·ᴠ_сед. Преобразовав его, можно получить формулу, отражающую взаимосвязь радиуса частицы со скоростью ее оседания:

Если учитывать, что скорость движения частиц можно определить как отношение ее пути H к времени движения τ, то можно записать уравнение Стокса:

Тогда радиус частицы можно связать с временем ее оседания уравнением:

Однако стоит отметить, что такое теоретическое обоснование седиментационного анализа будет справедливо при соблюдении ряда условий:

• Размер твердых частиц должен соответствовать значениям от 10 –5 до 10 –2 см.
• Частицы должны иметь сферическую форму.
• Частицы должны двигаться с постоянной скоростью и независимо от соседних частиц.
• Трение должно быть внутренним явлением дисперсионной среды.

В связи с тем, что в реальных суспензиях зачастую содержатся частицы, существенно отличающиеся формой от шарообразных, для целей седиментационного анализа вводят понятие эквивалентного радиуса. Для этого в расчетные уравнения подставляют радиус гипотетических шарообразных частиц, выполненных из того же материала, что и реальные в изучаемой суспензии, и оседающие с той же скоростью.

На практике частицы в дисперсных системах неоднородны по своим размерам, и главной задачей седиментационного анализа можно назвать анализ распределения частиц в них по размерам. Иными словами, в ходе исследования полидисперсных систем находят относительное содержание различных фракций (совокупность частиц, размеры которых лежат в определенном интервале).

Видео:Дисперсные системы. Часть 1.Скачать

Особенности седиментационного анализа

Существует несколько подходов к выполнению анализа дисперсных систем седиментацией:

• наблюдение в гравитационном поле за скоростью, с которой оседают частицы в спокойной жидкости;
• взмучивание суспензии для последующего разделения ее на фракции частиц заданных размеров в струе жидкости;
• разделение порошкообразных веществ на фракции с определенными размерами частиц, выполняемое посредством воздушной сепарации;
• наблюдение в центробежном поле за параметрами оседания высокодисперсных систем.

Одним из наиболее широко применяемых является первый вариант анализа. Для его осуществления скорость седиментации определяют каким-либо из следующих способов:

• наблюдая через микроскоп;
• взвешивая накапливающийся осадок;
• определяя концентрацию дисперсной фазы в определенный период процесса оседания;
• измеряя гидростатическое давление в процессе оседания;
• определяя плотность суспензии в период оседания.

Видео:Химия | Дисперсные системыСкачать

Понятие суспензии

Под суспензиями понимают грубодисперсные системы, образуемые твердой дисперсной фазой, размеры частиц которой превышают 10 -5 см, и жидкой дисперсионной средой. Часто суспензии характеризуют как взвеси порошкообразных веществ в жидкостях. На деле это не совсем верно, поскольку взвеси являются разбавленными суспензиями. Частицы твердой фазы кинетически независимы и могут свободно перемещаться в жидкости.

В реальных (концентрированных) суспензиях, которые нередко называют пастами, твердые частицы взаимодействуют друг с другом. Это приводит к образованию некой пространственной структуры.

Существует еще один вид дисперсных систем, образуемых твердыми дисперсными фазами и жидкими дисперсионными средами. Называют их лиозолями. Однако размер твердых частиц в них намного меньше (от 10 -7 до 10 -5 см). В связи с этим седиментация в них незначительна, зато характеризуются лиозоли такими явлениями, как броуновское движение, осмос и диффузия. В основе седиментационного анализа суспензий лежит их кинетическая неустойчивость. Это значит, что суспензии характеризуются изменчивостью во времени таких параметров, как дисперсность и равновесное распределение частиц в дисперсионной среде.

Видео:Химия 11 класс (Урок№6 - Дисперсные системы.)Скачать

Методика

Седиментационный анализ выполняют, используя торсионные весы с чашкой из фольги (диаметр 1-2 см) и высокий стакан. Перед началом анализа взвешивают чашку в дисперсионной среде, погружая ее в наполненный стакан и уравновешивая весы. Вместе с этим измеряется глубина ее погружения. После этого чашка извлекается и быстро помещается в стакан с исследуемой суспензией, при этом она должна быть подвешена на крючок коромысла весов. В тот же момент включатся секундомер. В таблицу заносят данные о массе выпавшего осадка в произвольные моменты времени.

Используя данные таблицы, вычерчивают кривую седиментации на миллиметровой бумаге. По оси ординат откладывается масса осевших частиц, а по оси абсцисс — время. При этом выбирается адекватный масштаб, чтобы удобно было выполнять дальнейший графический расчет.

Видео:Основы процесса седиментации дисперсных частиц в сооружениях отстойного типаСкачать

Анализ кривой

В монодисперсной среде скорость оседания частиц будет одинакова, а значит, и отстаивание будет характеризоваться равномерностью. Кривая седиментации в этом случае будет имеет линейный характер.

Во время отстаивания полидисперсной суспензии (что и происходит на практике) частицы различных размеров отличаются и скоростью оседания. Это на графике выражается в размытости границы оседающего слоя.

Кривую оседания обрабатывают разбивкой ее на несколько сегментов и проведением касательных. Каждая касательная будет характеризовать оседание отдельной монодисперсной части суспензии.

Видео:2.2. Молекулярно кинетические свойства дисперсных системСкачать

Общее представление о гранулометрическом составе

Количественное содержание частиц определенной величины в породе обычно называют гранулометрическим составом. От него зависят некоторые свойства пористых сред, например, проницаемость, удельная поверхность, пористость и т.п. По этим свойствам в свою очередь можно сделать выводы о геологических условиях образования залежей пород. Именно поэтому одним из первых этапов исследования осадочных пород является гранулометрический анализ.

Так, по результатам анализа гранулометрического состава песков, контактирующих с нефтью, выбирают оборудование и порядок работ в нефтепромысловой практике. Он помогает подобрать фильтры для предотвращения попадания песка в скважину. От количества глинистых и коллоидно-дисперсных минералов в составе зависят процессы поглощения ионов, а также степень набухания пород в воде.

Видео:Дисперсные системы (образование, свойства и устойчивость коллоидных растворов)Скачать

Седиментационный анализ гранулометрического состава пород

В связи с тем, что анализ дисперсных систем, основанный на принципах седиментации, имеет ряд ограничений, применение его в чистом виде для гранулометрического исследования состава пород не обеспечивает должной достоверности и точности. Сегодня он выполняется с применением современного оборудования с использованием компьютерных программ.

Они позволяют проводить изучение частиц породы из стартового слоя, позволяют непрерывно фиксировать накопление осадка, исключая аппроксимацию уравнениями, измеряют скорость осаждения напрямую. И что не менее важно, допускают исследование седиментации частиц неправильной формы. Процентное содержание фракции того или иного размера определяется компьютером, основываясь на общей массе пробы, а значит, не требуется ее взвешивание перед анализом.

Видео:Дисперсные системы. Часть 2.Скачать

Седиментационный анализ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

по дисциплинам «Поверхностные явления, дисперсные системы», «Коллоидная химия»

для студентов специальностей 240502.65,240302.65,2802001.65,

всех форм обучения

Видео:1.3. Методы получения и очистки дисперсных системСкачать

Одобрено

Саратов 2010

Цель работы: исследование кинетики седиментации. Получение кривой седиментации для низкомолекулярного порошка; построение интегральной и дифференциальной кривой распределения. Определение фракционного состава исследованной суспензии.

1. Теоретическая часть

Дисперсионный анализ суспензий и золей

В настоящее время зависимость ряда физико-химических свойств вещества от степени его дисперсности является очевидной. Имеется много общих закономерностей изменения свойств вещества в зависимости от размеров его частиц. Так, например, с уменьшением размера частиц ниже определенного предела растворимость вещества увеличивается. Скорость диффузии растворенных веществ также увеличивается с увеличением их дисперсности. Окраска многих коллоидных растворов изменяется в зависимости от размера частиц. Измерение величины частицы и получение данных о распределении частиц дисперсной системы по определенным размерам и является задачей дисперсионного анализа.

Различают качественный и количественный дисперсионный анализы. Качественный дисперсионный анализ устанавливает, является ли исследуемая система грубодисперсной, микрогетерогенной или ультрамикрогетерогенной.

К грубодисперсным системам относят системы с размером частиц больше 10 мкм (10000 нм). Размеры частиц от 0,1–10,0 мкм (100–10000 нм) лежат в области микрогетерогенных систем; частицы меньше 0,1 мкм (100 нм) относят к ультрамикрогетерогенным.

Количественный дисперсионный анализ заключается в разделении исследуемого вещества на отдельные фракции, содержащие частицы определенных размеров, и установлении процентного содержания отдельных фракций в исследуемой дисперсной системе.

Методики определения размеров частиц дисперсной фазы основаны на различных свойствах дисперсных систем: молекулярно-кинетических, осмотических, седиментационных, адсорбционных и др. Наиболее распространенным методом является седиментационный анализ. Способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц по всему объему системы называют седиментационной, или кинетической устойчивостью системы. Очевидно, о седиментационной устойчивости или неустойчивости имеет смысл говорить только при рассмотрении свободнодисперсных систем, где каждая частица свободна и находится в тепловом движении.

Седиментационный анализ применяется для определения размеров частиц суспензий, эмульсий и порошков с размерами частиц 10-2 – 10-5 см. Седиментационный анализ дисперсных систем в гравитационном поле основан на зависимости скорости осаждения частиц под действием силы тяжести от их размеров. Применение этого метода возможно для дисперсных систем, содержащих частицы, кинетическая энергия которых недостаточна для противодействия силе тяжести. Кроме того, под действием земного притяжения мелкие частицы оседают очень медленно, что ограничивает применение данного метода к высокодисперсным системам.

Границы применения обычного седиментационного анализа для высокодисперсных систем зависят как от величины частиц, так и от разности плотностей между частицей и дисперсионной средой. Для тяжелых частиц, например металлических с плотностью порядка 9–10 г/см3, практически нельзя определять частицы с радиусом меньше 500 нм, а для частиц с меньшей плотностью эта граница еще больше сдвигается в сторону крупных частиц. Поэтому большое внимание было уделено разработке методов седиментационного анализа, основанных на наблюдении за скоростью оседания частиц под действием центробежной силы (с помощью ультрацентрифуги). Ускорение, вызываемое центробежной силой, доходит при этом до 6∙106∙g, где g – ускорение силы тяжести. Поэтому таким методом можно исследовать коллоидные системы высокой степени дисперсности (например, с радиусом частиц до 2 нм). Размеры микрогетерогенных частиц могут быть определены с помощью ультрамикроскопа и электронного микроскопа, причем в последнем случае имеется возможность судить и о форме частиц.

Седиментационный анализ суспензий

Метод седиментационного анализа основывается на применении закона Стокса, согласно которому сила сопротивления (F) движению шарообразной частицы в жидкости выражается следующей зависимостью:

где η – вязкость жидкости, r – радиус частицы, u – скорость движения частиц.

Если частица оседает в поле земного тяготения, то силой, вызывающей ее движение, будет ее вес

где m – масса частицы, g – ускорение силы тяжести, D – плотность дисперсной фазы (плотность частицы).

Потеря в весе частицы, находящейся в жидкости, по закону Архимеда составляет

где d – плотность дисперсионной среды (плотность жидкости). Следовательно, сила, под действием которой оседает частица в жидкой среде,

F1=р – p1 =4/3 πr3(D — d)g. (2)

Вначале движение частицы происходит с ускорением. Однако при возрастании скорости движения частицы, согласно уравнению (1), увеличивается сопротивление среды, т. е. ускорение уменьшается и в некоторый момент времени становится равным нулю. В этот момент сила сопротивления становится равной силе, под действием которой происходит движение частицы, и далее частица движется с постоянной скоростью, которую легко найти из уравнений (1) и (2), так как F=F1 или

6πηru=4/3 πr3(D — d)g,

Так как для данной системы все величины, кроме скорости, являются постоянными, можно записать следующее уравнение

где К = √(9η) / (2(D — d)g).

Если частица движется в поле земного тяготения в среде с плотностью d, то движение будет направлено вниз или вверх в зависимости от плотности вещества частицы D и плотности среды d. Если плотность вещества больше плотности среды (D > d), то частица падает на дно сосуда. Если плотность среды больше плотности вещества (D

Видео:Коагуляция. Устойчивость дисперсных систем | Лекция 4 | Коллоидная химияСкачать

2.2. Седиментационный анализ
2.2.1. Основы теории седиментации

Седиментационный анализ — один из наиболее широко применяемых непрямых методов определения размера частиц и их распределения по размерам. Седиментационный анализ основан на зависимости скорости осаждения однородных частиц от их размеров. Грубодисперсные системы изучают методом седиментации в гравитационном поле, а тонкодисперсные и коллоидно-дисперсные — методом седиментации в центрифуге и в ультрацентрифуге.

В вязкой и плотной среде при седиментации частица движется под действием силы тяжести в гравитационном поле. Сила сопротивления среды, действующая на сферическую частицу, зависит от ее размера, скорости движения, вязкости среды и характеризуется числом Рейнольдса

, (2.2.9)

где r – радиус частиц; U – скорость движения; r₁,h – плотность и вязкость среды.

Коэффициент сопротивления среды движущейся частицы

, (2.2.10)

где F – сила сопротивления среды.

В соответствии с законом Стокса

. (2.2.11)

Гидродинамическое сопротивление среды описывается законом Ньютона-Риттера

. (2.2.12)

Сопротивление среды определяется суммой сил по уравнениям (2.2.11) и (2.2.12):

. (2.2.13)

В области чисел Рейнольдса (Re >1) – первым.

В промежуточном случае можно использовать уравнение Озеена:

. (2.2.14)

Закон Стокса справедлив в области Re 2 до 10 5 .

Если размер частиц и скорость их осаждения невелики, то для описания силы сопротивления среды можно использовать закон Стокса.

Сила тяжести, действующая на частицу, равна кажущейся массе,

, (2.2.15)

где g – ускорение свободного падения.

Движение частиц будет направлено вниз, если разность плотностей дисперсной фазы r₂ и дисперсионной среды r₁ (Dr) положительна, и частицы будут всплывать при Dr —>

📺 Видео

Уравнивание органических ОВР за 12 минут | ХИМИЯ ЕГЭ | СОТКАСкачать

Измерение мутностиСкачать

Как расставить коэффициенты в органических ОВР? | Екатерина СтрогановаСкачать

Просто о сложном: Внутрилабораторный контроль качестваСкачать

Коллоидная химия. Лекция 2. Физико - химия дисперсных системСкачать

Методы абсорбционного оптического анализа. Часть 1.Скачать

Схема строения мицеллыСкачать

Оптические методы анализа. Часть 1.Скачать

Технологии, применяемые для сейсмофациального анализаСкачать