Az ülepítési elemzési módszer lényege, hogy mérjük a részecskék leülepedésének sebességét (főleg folyékony közegből). Az ülepedési sebesség értékeinek felhasználásával pedig kiszámítjuk ezen részecskék méretét és fajlagos felületét. Ez a módszer sokféle diszperz rendszer részecskéinek paramétereit határozza meg, például szuszpenziók, aeroszolok, emulziók, azaz olyanok, amelyek széles körben elterjedtek és fontosak a különböző iparágakban.
A diszperzió fogalma
A különböző gyártási folyamatokban az anyagokat és anyagokat jellemző fő technológiai paraméterek egyike a finomságuk. Feltétlenül figyelembe kell venni a kémiai technológia berendezéseinek kiválasztásakor, különféle élelmiszerek gyártása során stb. Ez nemcsak annak a ténynek köszönhető, hogy az anyagok részecskéinek csökkenésével a fázisok felülete növekszik és kölcsönhatásuk sebessége nő, hanem annak is, hogy ebben az esetben a rendszer bizonyos tulajdonságai megváltoznak.. Különösen az oldhatóság növekszik, a reaktivitás nőanyagok, a fázisátalakulások hőmérséklete csökken. Ezért szükségessé vált a különböző rendszerek diszperziójának kvantitatív jellemzőinek megtalálása és az üledékképződés elemzése során.
Attól függően, hogy a diszpergált fázisban lévő részecskeméretek hogyan függenek össze, a rendszereket monodiszperzekre és polidiszperzekre osztják. Az előbbiek kizárólag azonos méretű részecskékből állnak. Az ilyen diszperz rendszerek meglehetősen ritkák, és a valóságban nagyon közel állnak a valódi monodiszperz rendszerekhez. Másrészt a létező diszperz rendszerek túlnyomó többsége polidiszperz. Ez azt jelenti, hogy különböző méretű részecskékből állnak, és tartalmuk nem azonos. A diszperz rendszerek ülepedési analízise során meghatározzák az őket alkotó részecskék méretét, majd a méreteloszlási görbéik felépítését.
Elméleti alapok
Az ülepítés a diszpergált fázist alkotó részecskék kicsapódási folyamata gáznemű vagy folyékony közegben a gravitáció hatására. Az ülepedés megfordítható, ha a részecskék (cseppek) különböző emulziókban lebegnek.
Gravitáció Fg a gömb alakú részecskékre ható hidrosztatikai korrekciós képlet segítségével számítható ki:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, ahol ρ az anyag sűrűsége; r a részecske sugara; ρ0 – folyadék sűrűsége; g - gyorsulásszabadesés.
A Stokes-törvény által leírt súrlódási erő Fη ellensúlyozza a részecskék leülepedését:
Fη=6 π η r ᴠsed, ahol ᴠsed a részecskesebesség és η a folyadék viszkozitása.
Egy adott időpontban a részecskék állandó sebességgel kezdenek ülepedni, ami az ellentétes erők egyenlőségével magyarázható Fg=Fη, ami azt jelenti, hogy az egyenlőség is igaz:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Átalakításával olyan képletet kaphatunk, amely tükrözi a részecskesugár és az ülepedési sebesség közötti összefüggést:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Ha figyelembe vesszük, hogy a részecskék sebessége a H út és a τ mozgási idő arányaként definiálható, akkor felírhatjuk a Stokes-egyenletet:
ᴠsat=N/t.
Akkor a részecske sugara az ülepedési idejéhez köthető a következő egyenlettel:
r=K √N/t.
Érdemes azonban megjegyezni, hogy az üledékképződés elemzésének ilyen elméleti indoklása számos feltétel mellett érvényes lesz:
- A szilárd részecske méretének 10–5 és 10–2 között kell lennie, lásd
- A részecskéknek gömb alakúaknak kell lenniük.
- A részecskéknek állandó sebességgel és a szomszédos részecskéktől függetlenül kell mozogniuk.
- A súrlódásnak a diszperziós közeg belső jelenségének kell lennie.
Annak a ténynek köszönhetően, hogy a valódi felfüggesztések gyakran tartalmaznakA gömb alakúaktól jelentősen eltérő formájú részecskék bevezetik az ekvivalens sugár fogalmát az üledékképződés elemzése céljából. Ennek érdekében a vizsgált szuszpenzióban a valódikkal azonos anyagból készült, és azonos sebességgel ülepedő hipotetikus gömbszemcsék sugarát behelyettesítjük a számítási egyenletekbe.
A gyakorlatban a diszpergált rendszerekben lévő részecskék mérete heterogének, az ülepedési elemzés fő feladatának a részecskeméret-eloszlás elemzését nevezhetjük. Más szóval, a polidiszperz rendszerek tanulmányozása során különféle frakciók relatív tartalmát találják meg (olyan részecskék halmaza, amelyek mérete egy bizonyos intervallumban van).
Az üledékképződés elemzésének jellemzői
Többféle megközelítés létezik a szétszórt rendszerek ülepítéssel történő elemzésére:
- a részecskék nyugodt folyadékban való leülepedésének sebességének nyomon követése gravitációs térben;
- szuszpenziós keverés a későbbi szétválasztáshoz adott méretű részecskék frakcióira folyadéksugárban;
- porított anyagok szétválasztása bizonyos szemcseméretű frakciókra, légleválasztással;
- nagyon szórt rendszerek süllyedési paramétereinek monitorozása centrifugális mezőben.
Az egyik legszélesebb körben használt az elemzés első változata. Ennek megvalósításához az ülepedési sebességet a következő módszerek bármelyikével kell meghatározni:
- mikroszkópon keresztül néz;
- a felgyülemlett üledék lemérése;
- a diszpergált fázis koncentrációjának meghatározása az ülepítési folyamat egy bizonyos szakaszában;
- hidrosztatikus nyomás mérése süllyedés közben;
- a szuszpenzió sűrűségének meghatározása az ülepedési időszakban.
Felfüggesztési koncepció
Szuszpenziók alatt olyan durva rendszereket értünk, amelyeket szilárd diszpergált fázis alkot, amelynek részecskemérete meghaladja a 10-5 cm-t, és egy folyékony diszperziós közeg. A szuszpenziókat gyakran porított anyagok folyadékokban való szuszpenziójaként jellemzik. Valójában ez nem teljesen igaz, mivel a szuszpenziók híg szuszpenziók. A szilárd fázis részecskéi kinetikailag függetlenek, és szabadon mozoghatnak a folyadékban.
Valódi (tömény) szuszpenziókban, amelyeket gyakran pasztáknak neveznek, a szilárd részecskék kölcsönhatásba lépnek egymással. Ez egy bizonyos térszerkezet kialakulásához vezet.
Létezik egy másik típusú diszpergált rendszerek is, amelyeket szilárd diszpergált fázisok és folyékony diszperziós közegek alkotnak. Lioszoloknak nevezik őket. A részecskeméret azonban sokkal kisebb (10-7-tól 10-5 cm-ig). Ebben a tekintetben az üledékképződés bennük jelentéktelen, de a lioszolokat olyan jelenségek jellemzik, mint a Brown-mozgás, az ozmózis és a diffúzió. A szuszpenziók ülepedési elemzése kinetikai instabilitásukon alapul. Ez azt jelenti, hogy a szuszpenziókat olyan paraméterek időbeli változékonysága jellemzi, mint a diszperziós közegben lévő részecskék finomsága és egyensúlyi eloszlása.
Módszertan
Az ülepedési elemzést torziós mérleggel, fóliapohárral végezzük(átmérője 1-2 cm) és egy magas pohár. Az elemzés megkezdése előtt a csészét diszperziós közegben lemérjük, egy töltött főzőpohárba merítjük, és egyensúlyba állítjuk a mérleget. Ezzel együtt megmérik a bemerülési mélységet. Ezt követően a csészét eltávolítjuk, és gyorsan egy pohárba helyezzük a tesztszuszpenzióval, miközben a mérleggerenda kampójára kell akasztani. Ezzel egy időben a stopperóra is elindul. A táblázat a lehullott csapadék tömegére vonatkozó adatokat tartalmaz tetszőleges időpontokban.
| A tanulás kezdetétől számított idő, s | A csésze tömege üledékkel, g | Üdéktömeg, g | 1/t, c-1 | Ülepedési határ, g |
A táblázat adatainak felhasználásával rajzoljon egy üledékképződési görbét milliméterpapírra. Az ülepedt részecskék tömegét az ordináta tengely mentén, az időt pedig az abszcissza tengely mentén ábrázoljuk. Ebben az esetben megfelelő léptéket kell kiválasztani, hogy kényelmes legyen a további grafikus számítások elvégzése.
Görbeelemzés
Egy monodiszperz közegben a részecskék ülepedési sebessége azonos lesz, ami azt jelenti, hogy az ülepedést egyenletesség jellemzi. Az üledékképződési görbe ebben az esetben lineáris lesz.
A polidiszperz szuszpenzió ülepedése során (ami a gyakorlatban megtörténik) a különböző méretű részecskék ülepedési sebességükben is különböznek. Ez a grafikonon az ülepedőréteg határának elmosódásában fejeződik ki.
A süllyedésgörbe feldolgozása több szegmensre osztás és érintők rajzolásával történik. Mindegyik érintő egy különálló süllyedését fogja jellemeznia szuszpenzió monodiszperz része.
A részecskeméret-eloszlás általános elképzelése
A kőzetben lévő bizonyos méretű részecskék mennyiségi tartalmát általában granulometrikus összetételnek nevezik. A porózus közeg bizonyos tulajdonságai attól függnek, például az áteresztőképesség, a fajlagos felület, a porozitás stb. Ezen tulajdonságok alapján pedig következtetések vonhatók le a kőzetlerakódások kialakulásának geológiai feltételeiről. Éppen ezért az üledékes kőzetek vizsgálatának egyik első szakasza a granulometrikus elemzés.
Így az olajjal érintkező homok granulometrikus összetételének elemzési eredményei szerint az olajmezők gyakorlatában berendezéseket és munkamódszereket választanak. Segít kiválasztani a szűrőket, hogy megakadályozzák a homok bejutását a kútba. A készítményben lévő agyag és kolloid-diszpergált ásványok mennyisége meghatározza az ionok abszorpciós folyamatait, valamint a kőzetek vízben való duzzadási fokát.
Kőzetek granulometrikus összetételének üledékelemzése
Tekintettel arra, hogy a diszperz rendszerek üledékképződés elvein alapuló elemzésének számos korlátja van, tiszta formában történő felhasználása a kőzetösszetétel granulometriai vizsgálatára nem biztosítja a kellő megbízhatóságot és pontosságot. Ma modern berendezésekkel, számítógépes programokkal hajtják végre.
Lehetővé teszik a kőzetrészecskék tanulmányozását a kiindulási rétegből, lehetővé teszik a felhalmozódás folyamatos rögzítésétAz üledék, az egyenletekkel történő közelítés nélkül, közvetlenül mérje meg az ülepedési sebességet. És ami nem kevésbé fontos, lehetővé teszik a szabálytalan alakú részecskék ülepedésének tanulmányozását. Az egyik vagy másik méretű frakció százalékos arányát a számítógép határozza meg a minta teljes tömege alapján, ami azt jelenti, hogy az elemzés előtt nem kell lemérni.
