Bistvo sedimentacijske metode analize je merjenje hitrosti, s katero se delci usedajo (predvsem iz tekočega medija). In z uporabo vrednosti stopnje usedanja se izračunajo velikosti teh delcev in njihova specifična površina. Ta metoda določa parametre delcev številnih vrst disperznih sistemov, kot so suspenzije, aerosoli, emulzije, torej tistih, ki so zelo razširjeni in pomembni za različne industrije.
Koncept disperzije
Eden od glavnih tehnoloških parametrov, ki označujejo snovi in materiale v različnih proizvodnih procesih, je njihova finost. Nujno se upošteva pri izbiri aparata za kemično tehnologijo, pri proizvodnji različnih živilskih izdelkov itd. To je posledica ne le dejstva, da se z zmanjšanjem delcev snovi poveča površina faz in poveča hitrost njihove interakcije, temveč tudi dejstvo, da se v tem primeru nekatere lastnosti sistema spremenijo.. Zlasti se poveča topnost, poveča se reaktivnostsnovi, se temperature faznih prehodov znižajo. Zato je bilo treba poiskati kvantitativne značilnosti disperzije različnih sistemov in v analizi sedimentacije.
Odvisno od tega, kako so velikosti delcev v dispergirani fazi povezane, se sistemi delijo na monodisperzne in polidisperzne. Prvi so sestavljeni izključno iz delcev enake velikosti. Takšni disperzni sistemi so precej redki in so v resnici zelo blizu pravim monodisperznim. Po drugi strani pa je velika večina obstoječih disperznih sistemov polidisperznih. To pomeni, da so sestavljeni iz delcev, ki se razlikujejo po velikosti, njihova vsebina pa ni enaka. Med analizo sedimentacije disperznih sistemov se določijo velikosti delcev, ki jih tvorijo, nato pa se izdela njihova velikostna porazdelitev.
Teoretični temelji
Sedimentacija je proces obarjanja delcev, ki tvorijo dispergirano fazo v plinastem ali tekočem mediju pod delovanjem gravitacije. Sedimentacijo je mogoče obrniti, če delci (kapljice) plavajo v različnih emulzijah.
Gravitacija Fg, ki deluje na sferične delce, se lahko izračuna z uporabo formule za hidrostatično korekcijo:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, kjer je ρ gostota snovi; r je polmer delcev; ρ0 – gostota tekočine; g - pospešekprosti pad.
Sila trenja Fη, opisana s Stokesovim zakonom, preprečuje usedanje delcev:
Fη=6 π η r ᴠsed, kjer je ᴠsed hitrost delcev, η pa viskoznost tekočine.
V nekem trenutku se delci začnejo usedati s konstantno hitrostjo, kar je razloženo z enakostjo nasprotnih sil Fg=Fη, kar pomeni, da velja tudi enakost:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. S preoblikovanjem lahko dobite formulo, ki odraža razmerje med polmerom delcev in hitrostjo usedanja:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Če upoštevamo, da lahko hitrost delcev definiramo kot razmerje med njihovo potjo H in časom gibanja τ, potem lahko zapišemo Stoksovo enačbo:
ᴠsob=N/t.
Potem lahko polmer delca povežemo s časom njegovega usedanja z enačbo:
r=K √N/t.
Vendar je treba omeniti, da bo takšna teoretična utemeljitev analize sedimentacije veljavna pod številnimi pogoji:
- Velikost trdnih delcev mora biti med 10–5 do 10–2 glej
- Delci morajo biti sferični.
- Delci se morajo premikati s konstantno hitrostjo in neodvisno od sosednjih delcev.
- Trenje mora biti notranji pojav disperzijskega medija.
Zaradi dejstva, da prave suspenzije pogosto vsebujejodelci, ki se po obliki bistveno razlikujejo od sferičnih, uvajajo pojem enakovrednega polmera za namene analize sedimentacije. Da bi to naredili, se polmer hipotetičnih sferičnih delcev, izdelanih iz istega materiala kot resnični v preučevani suspenziji in ki se usedajo pri enaki hitrosti, nadomesti v računske enačbe.
V praksi so delci v razpršenih sistemih heterogene velikosti in glavno nalogo analize sedimentacije lahko imenujemo analiza porazdelitve velikosti delcev v njih. Z drugimi besedami, med preučevanjem polidisperznih sistemov najdemo relativno vsebnost različnih frakcij (skupina delcev, katerih velikosti ležijo v določenem intervalu).
Značilnosti analize sedimentacije
Obstaja več pristopov za izvedbo analize razpršenih sistemov s sedimentacijo:
- spremljanje v gravitacijskem polju hitrosti, s katero se delci usedajo v mirni tekočini;
- mešanje suspenzije za njeno kasnejšo ločitev na frakcije delcev danih velikosti v tekočem curku;
- ločevanje praškastih snovi na frakcije z določeno velikostjo delcev, izvedeno z zračno separacijo;
- spremljanje v centrifugalnem polju parametrov posedanja visoko razpršenih sistemov.
Ena izmed najbolj razširjenih je prva različica analize. Za njegovo izvedbo se hitrost sedimentacije določi s katero koli od naslednjih metod:
- gledanje skozi mikroskop;
- tehtanje nakopičene usedline;
- določanje koncentracije dispergirane faze v določenem obdobju procesa usedanja;
- merjenje hidrostatičnega tlaka med posedanjem;
- določanje gostote suspenzije v obdobju poravnave.
koncept vzmetenja
Suspenzije razumemo kot grobe sisteme, ki jih tvorita trdna dispergirana faza, katere velikost delcev presega 10-5 cm, in tekoči disperzijski medij. Suspenzije so pogosto označene kot suspenzije praškastih snovi v tekočinah. Pravzaprav to ni povsem res, saj so gnojevke razredčene suspenzije. Delci trdne faze so kinetično neodvisni in se lahko prosto gibljejo v tekočini.
V pravih (koncentriranih) suspenzijah, ki jih pogosto imenujemo paste, trdni delci medsebojno delujejo. To vodi do oblikovanja določene prostorske strukture.
Obstaja še ena vrsta dispergiranih sistemov, ki jih tvorijo trdne dispergirane faze in tekoči disperzijski mediji. Imenujejo se liosoli. Vendar pa je velikost delcev veliko manjša (od 10-7 do 10-5 cm). V zvezi s tem je sedimentacija v njih nepomembna, vendar so za liosole značilni pojavi, kot so Brownovo gibanje, osmoza in difuzija. Analiza sedimentacije suspenzij temelji na njihovi kinetični nestabilnosti. To pomeni, da je za suspenzije značilna časovna variabilnost parametrov, kot sta finost in ravnotežna porazdelitev delcev v disperzijskem mediju.
metodologija
Analiza sedimentacije se izvaja z uporabo torzijske tehtnice s folijsko skodelico(premer 1-2 cm) in visok kozarec. Pred začetkom analize skodelico stehtamo v disperzijskem mediju, jo potopimo v napolnjeno čašo in uravnotežimo tehtnico. Poleg tega se meri globina njegove potopitve. Po tem skodelico odstranimo in hitro postavimo v kozarec s testno suspenzijo, obesimo pa jo na kavelj tehtnice. Istočasno se bo začela štoparica. Tabela vsebuje podatke o masi padavin v poljubnem času.
| Čas od začetka študija, s | Masa skodelice z usedlino, g | Masa usedline, g | 1/t, c-1 | Meja sedimentacije, g |
S pomočjo podatkov tabele narišite sedimentacijsko krivuljo na milimetrski papir. Masa usedlih delcev je izrisana vzdolž ordinatne osi, čas pa vzdolž abscisne osi. V tem primeru je izbrano ustrezno merilo, da je priročno izvajati nadaljnje grafične izračune.
analiza krivulje
V monodisperznem mediju bo hitrost usedanja delcev enaka, kar pomeni, da bo posedanje značilno enakomerno. Krivulja sedimentacije bo v tem primeru linearna.
Med usedanjem polidisperzne suspenzije (kar se v praksi dogaja) se delci različnih velikosti razlikujejo tudi po hitrosti usedanja. To je na grafu izraženo v zamegljenosti meje usedalnega sloja.
Krivulja posedanja se obdela tako, da jo razdelimo na več segmentov in narišemo tangente. Vsaka tangenta bo označevala posedanje ločenegamonodisperzni del vzmetenja.
Splošna ideja o porazdelitvi velikosti delcev
Kvantitativna vsebnost delcev določene velikosti v kamnini se običajno imenuje granulometrijska sestava. Od tega so odvisne nekatere lastnosti poroznih medijev, na primer prepustnost, specifična površina, poroznost itd. Na podlagi teh lastnosti pa je mogoče sklepati o geoloških pogojih za nastanek kamnin. Zato je ena prvih stopenj pri proučevanju sedimentnih kamnin granulometrijska analiza.
Tako glede na rezultate analize granulometrijske sestave peskov v stiku z nafto izbirajo opremo in postopke dela v naftni praksi. Pomaga pri izbiri filtrov, ki preprečujejo vstop peska v vodnjak. Količina gline in koloidno dispergiranih mineralov v sestavi določa procese absorpcije ionov, pa tudi stopnjo nabrekanja kamnin v vodi.
Sedimentna analiza granulometrijske sestave kamnin
Zaradi dejstva, da ima analiza disperznih sistemov, ki temeljijo na principih sedimentacije, številne omejitve, njena uporaba v čisti obliki za granulometrijsko študijo sestave kamnin ne zagotavlja ustrezne zanesljivosti in natančnosti. Danes se izvaja s sodobno opremo s pomočjo računalniških programov.
Omogočajo študij kamninskih delcev iz začetne plasti, omogočajo neprekinjeno beleženje kopičenjasedimenta, razen približevanja z enačbami, neposredno izmeri hitrost sedimentacije. In nič manj pomembno, omogočajo preučevanje sedimentacije delcev nepravilne oblike. Odstotek frakcije te ali drugačne velikosti določi računalnik na podlagi skupne mase vzorca, kar pomeni, da ga pred analizo ni treba stehtati.
