Suština metode analize sedimentacije je mjerenje brzine kojom se čestice talože (uglavnom iz tečnog medija). I pomoću vrijednosti brzine taloženja izračunavaju se veličine ovih čestica i njihova specifična površina. Ovom metodom se određuju parametri čestica mnogih tipova disperznih sistema, kao što su suspenzije, aerosoli, emulzije, odnosno oni koji su rasprostranjeni i važni za razne industrije.
Koncept disperzije
Jedan od glavnih tehnoloških parametara koji karakterišu supstance i materijale u različitim proizvodnim procesima je njihova finoća. Obavezno se vodi računa pri odabiru aparata za hemijsku tehnologiju, u proizvodnji raznih prehrambenih proizvoda itd. To je zbog ne samo činjenice da se sa smanjenjem čestica tvari povećava površina faza i povećava brzina njihove interakcije, već i zbog činjenice da se neka svojstva sistema u ovom slučaju mijenjaju.. Posebno se povećava rastvorljivost, povećava se reaktivnosttvari, temperature faznih prijelaza se smanjuju. Stoga je postalo neophodno pronaći kvantitativne karakteristike disperzije različitih sistema i u analizi sedimentacije.
U zavisnosti od toga kako su veličine čestica u dispergovanoj fazi povezane, sistemi se dele na monodisperzne i polidisperzne. Prvi se sastoje isključivo od čestica iste veličine. Takvi disperzni sistemi su prilično rijetki i u stvarnosti su vrlo bliski pravim monodisperznim sistemima. S druge strane, velika većina postojećih disperznih sistema je polidisperzna. To znači da se sastoje od čestica različite veličine, a njihov sadržaj nije isti. U toku sedimentacione analize disperznih sistema određuju se veličine čestica koje ih formiraju, nakon čega se konstruiše njihove krivulje raspodele 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 različitim emulzijama.
Gravitacija Fg koja djeluje na sferne čestice može se izračunati korištenjem formule hidrostatičke korekcije:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, gdje je ρ gustina materije; r je polumjer čestice; ρ0 – gustina fluida; g - ubrzanjeslobodan pad.
Sila trenja Fη, opisana Stokesovim zakonom, suprotstavlja taloženju čestica:
Fη=6 π η r ᴠsed, gde je ᴠsed brzina čestice, a η viskozitet fluida.
U nekom trenutku, čestice počinju da se talože konstantnom brzinom, što se objašnjava jednakošću suprotstavljenih sila Fg=Fη, što znači da je jednakost također tačna:
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 Stoksovu jednačinu:
ᴠsat=N/t.
Tada se radijus čestice može povezati sa 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 bi trebala biti između 10–5 do 10–2 pogledajte
- Čestice moraju biti sferične.
- Čestice se moraju kretati konstantnom brzinom i nezavisno od susjednih čestica.
- Trenje mora biti interni fenomen disperzijskog medija.
Zbog činjenice da prave suspenzije često sadržečestice koje se po obliku značajno razlikuju od sfernih uvode koncept ekvivalentnog radijusa za potrebe analize sedimentacije. Da bi se to postiglo, radijus hipotetičkih sfernih čestica napravljenih od istog materijala kao i stvarne u proučavanoj suspenziji i koje se talože istom brzinom se zamjenjuje u jednadžbe proračuna.
U praksi su čestice u dispergovanim sistemima heterogene veličine, a glavni zadatak analize sedimentacije može se nazvati analizom distribucije veličine čestica u njima. Drugim riječima, tokom proučavanja polidisperznih sistema, pronalazi se relativni sadržaj različitih frakcija (skup čestica čije veličine leže u određenom intervalu).
Karakteristike analize sedimentacije
Postoji nekoliko pristupa izvođenju analize dispergovanih sistema sedimentacijom:
- praćenje u gravitacionom polju brzine kojom se čestice talože u mirnoj tečnosti;
- mešanje suspenzije za njeno naknadno razdvajanje na frakcije čestica date veličine u mlazu tečnosti;
- razdvajanje praškastih supstanci na frakcije određene veličine čestica, izvedeno odvajanjem zraka;
- praćenje u centrifugalnom polju parametara slijeganja visoko disperzovanih sistema.
Jedna od najčešće korištenih je prva verzija analize. Za njegovu implementaciju, brzina sedimentacije se određuje bilo kojom od sljedećih metoda:
- gledanje kroz mikroskop;
- vaganje nakupljenog sedimenta;
- određivanje koncentracije dispergovane faze u određenom periodu procesa taloženja;
- mjerenje hidrostatskog pritiska tokom slijeganja;
- određivanje gustine suspenzije tokom perioda taloženja.
Koncept suspenzije
Suspenzije se shvataju kao grubi sistemi formirani od čvrste dispergovane faze, čija veličina čestica prelazi 10-5 cm, i tečnog disperzionog medija. Suspenzije se često karakterišu kao suspenzije praškastih supstanci u tečnostima. Zapravo, ovo nije sasvim tačno, jer su kaše razrijeđene suspenzije. Čestice čvrste faze su kinetički nezavisne i mogu se slobodno kretati u tečnosti.
U pravim (koncentrovanim) suspenzijama, koje se često nazivaju pastama, čvrste čestice stupaju u interakciju jedna s drugom. To dovodi do formiranja određene prostorne strukture.
Postoji još jedna vrsta dispergovanih sistema formiranih od čvrstih dispergovanih faza i tečnih disperzionih 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 fenomeni kao što su Brownovo kretanje, osmoza i difuzija. Analiza sedimentacije suspenzija temelji se na njihovoj kinetičkoj nestabilnosti. To znači da suspenzije karakteriše vremenska varijabilnost parametara kao što su finoća i ravnotežna distribucija čestica u disperzionom mediju.
Metodologija
Analiza sedimentacije se izvodi upotrebom torzijske vage sa folijskom čašom(promjera 1-2 cm) i visoka čaša. Prije početka analize, čaša se izvaga u disperzionom mediju, uroni u napunjenu čašu i izbalansira vagu. Uz to se mjeri i dubina njegovog uranjanja. Nakon toga, čaša se uklanja i brzo stavlja u čašu sa test suspenzijom, dok se mora okačiti na kuku balansa. Istovremeno, štoperica će se pokrenuti. Tabela sadrži podatke o masi oborenih padavina u proizvoljnim vremenskim trenucima.
| Vrijeme od početka učenja, s | Masa čaše sa sedimentom, g | Masa sedimenta, g | 1/t, c-1 | Granica sedimentacije, g |
Koristeći podatke tabele, nacrtajte krivulju sedimentacije na milimetarskom papiru. Masa taloženih čestica je iscrtana duž ordinatne ose, a vrijeme je prikazano duž ose apscise. U ovom slučaju, odabrana je odgovarajuća skala tako da je pogodno izvršiti daljnja grafička izračunavanja.
Analiza krivulje
U monodisperznom mediju, brzina taloženja čestica će biti ista, što znači da će taloženje biti okarakterisano uniformnošću. Kriva sedimentacije u ovom slučaju će biti linearna.
Tokom taloženja polidisperzne suspenzije (što se dešava u praksi), čestice različitih veličina se takođe razlikuju u brzini taloženja. Ovo je izraženo na grafikonu u zamućenju granice sloja taloženja.
Kriva slijeganja se obrađuje podjelom na nekoliko segmenata i crtanjem tangenta. 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. Neka svojstva poroznih medija ovise o tome, na primjer, propusnost, specifična površina, poroznost itd. Na osnovu ovih svojstava, pak, mogu se izvući zaključci o geološkim uslovima za formiranje stenskih naslaga. Zato je jedna od prvih faza u proučavanju sedimentnih stijena granulometrijska analiza.
Tako, prema rezultatima analize granulometrijskog sastava pijeska u kontaktu sa naftom, biraju opremu i postupke rada u naftnoj praksi. Pomaže u odabiru filtera koji sprečavaju ulazak pijeska u bunar. Količina gline i koloidno dispergovanih minerala u sastavu određuje procese apsorpcije jona, kao i stepen bubrenja stijena u vodi.
Sedimentna analiza granulometrijskog sastava stijena
Usled činjenice da analiza disperznih sistema zasnovanih na principima sedimentacije ima niz ograničenja, njena upotreba u čistom obliku za granulometrijsko proučavanje sastava stena ne daje odgovarajuću pouzdanost i tačnost. Danas se to izvodi uz pomoć savremene opreme uz pomoć kompjuterskih programa.
Omogućavaju proučavanje čestica stijena iz početnog sloja, omogućavaju vam kontinuirano snimanje akumulacijesedimenta, isključujući aproksimaciju jednadžbama, direktno mjeri brzinu sedimentacije. I, ne manje važno, omogućavaju proučavanje taloženja čestica nepravilnog oblika. Procenat frakcije jedne ili druge veličine određuje kompjuter, na osnovu ukupne mase uzorka, što znači da ga nije potrebno vagati prije analize.
