L'essenza del metodo di analisi della sedimentazione è misurare la velocità con cui le particelle si depositano (principalmente da un mezzo liquido). E utilizzando i valori del tasso di sedimentazione, vengono calcolate le dimensioni di queste particelle e la loro superficie specifica. Questo metodo determina i parametri delle particelle di molti tipi di sistemi dispersi, come sospensioni, aerosol, emulsioni, cioè quelli diffusi e importanti per vari settori.
Il concetto di dispersione
Uno dei principali parametri tecnologici che caratterizzano sostanze e materiali nei vari processi produttivi è la loro finezza. È necessariamente preso in considerazione durante la selezione di apparati per la tecnologia chimica, nella produzione di vari prodotti alimentari, ecc. Ciò è dovuto non solo al fatto che con una diminuzione delle particelle di sostanze aumenta la superficie delle fasi e aumenta la velocità della loro interazione, ma anche al fatto che alcune proprietà del sistema cambiano in questo caso. In particolare, aumenta la solubilità, aumenta la reattivitàsostanze, le temperature delle transizioni di fase diminuiscono. Pertanto, si è reso necessario trovare le caratteristiche quantitative della dispersione dei vari sistemi e nell'analisi della sedimentazione.
A seconda di come sono correlate le dimensioni delle particelle nella fase dispersa, i sistemi sono divisi in monodispersi e polidispersi. I primi sono costituiti esclusivamente da particelle della stessa dimensione. Tali sistemi dispersi sono piuttosto rari e in re altà sono molto vicini a quelli veri e propri monodispersi. D' altra parte, la stragrande maggioranza dei sistemi dispersi esistenti è polidispersa. Ciò significa che sono costituiti da particelle di dimensioni diverse e il loro contenuto non è lo stesso. Nel corso dell'analisi della sedimentazione dei sistemi dispersi, vengono determinate le dimensioni delle particelle che li compongono, seguite dalla costruzione delle loro curve di distribuzione dimensionale.
Fondamenti teorici
La sedimentazione è il processo di precipitazione delle particelle che compongono la fase dispersa in mezzi gassosi o liquidi sotto l'azione della gravità. La sedimentazione può essere invertita se le particelle (goccioline) galleggiano in varie emulsioni.
Gravità Fg che agisce su particelle sferiche può essere calcolata usando la formula di correzione idrostatica:
FAg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, dove ρ è la densità della materia; r è il raggio della particella; ρ0 – densità del fluido; g - accelerazionecaduta libera.
La forza di attrito Fη, descritta dalla legge di Stokes, contrasta la sedimentazione delle particelle:
Faη=6 π η r ᴠsed, dove ᴠsed è la velocità della particella e η è la viscosità del fluido.
Ad un certo punto, le particelle iniziano a depositarsi a velocità costante, il che è spiegato dall'uguaglianza delle forze opposte Fg=Fη, il che significa che anche l'uguaglianza è vera:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Trasformandolo, puoi ottenere una formula che riflette la relazione tra il raggio della particella e il suo tasso di sedimentazione:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Se prendiamo in considerazione che la velocità delle particelle può essere definita come il rapporto tra il suo percorso H e il tempo di movimento τ, allora possiamo scrivere l'equazione di Stokes:
ᴠsab=N/t.
Allora il raggio della particella può essere correlato al tempo della sua stabilizzazione mediante l'equazione:
r=K √N/t.
Tuttavia, vale la pena notare che tale giustificazione teorica dell'analisi della sedimentazione sarà valida in una serie di condizioni:
- La dimensione delle particelle solide dovrebbe essere compresa tra 10–5 e 10–2 vedi
- Le particelle devono essere sferiche.
- Le particelle devono muoversi a una velocità costante e indipendente dalle particelle vicine.
- L'attrito deve essere un fenomeno interno di un mezzo di dispersione.
A causa del fatto che spesso le vere sospensioni contengonoparticelle di forma significativamente diversa da quelle sferiche introducono il concetto di raggio equivalente ai fini dell'analisi della sedimentazione. Per fare ciò, il raggio di ipotetiche particelle sferiche fatte dello stesso materiale di quelle reali nella sospensione studiata e che si depositano alla stessa velocità viene sostituito nelle equazioni di calcolo.
In pratica, le particelle nei sistemi dispersi sono di dimensioni eterogenee e il compito principale dell'analisi della sedimentazione può essere chiamato l'analisi della distribuzione granulometrica in esse. In altre parole, durante lo studio dei sistemi polidispersi, si trova il contenuto relativo di varie frazioni (un insieme di particelle le cui dimensioni si trovano in un certo intervallo).
Caratteristiche dell'analisi della sedimentazione
Ci sono diversi approcci per eseguire l'analisi dei sistemi dispersi mediante sedimentazione:
- monitorare in un campo gravitazionale la velocità con cui le particelle si depositano in un liquido calmo;
- agitazione in sospensione per la sua successiva separazione in frazioni di particelle di determinate dimensioni in un getto di liquido;
- separazione delle sostanze in polvere in frazioni con determinate dimensioni delle particelle, eseguita mediante separazione dell'aria;
- monitorare in campo centrifugo i parametri di cedimento di sistemi altamente dispersi.
Uno dei più utilizzati è la prima versione dell'analisi. Per la sua attuazione, la velocità di sedimentazione è determinata con uno dei seguenti metodi:
- guardare al microscopio;
- pesare il sedimento accumulato;
- determinare la concentrazione della fase dispersa in un determinato periodo del processo di decantazione;
- misurazione della pressione idrostatica durante il cedimento;
- determinare la densità della sospensione durante il periodo di assestamento.
Concetto di sospensione
Le sospensioni sono intese come sistemi grossolani formati da una fase solida dispersa, la cui dimensione delle particelle supera i 10-5 cm, e un mezzo di dispersione liquido. Le sospensioni sono spesso caratterizzate come sospensioni di sostanze in polvere in liquidi. In re altà, questo non è del tutto vero, poiché i fanghi sono sospensioni diluite. Le particelle della fase solida sono cineticamente indipendenti e possono muoversi liberamente nel liquido.
Nelle sospensioni reali (concentrate), spesso chiamate paste, le particelle solide interagiscono tra loro. Questo porta alla formazione di una certa struttura spaziale.
Esiste un altro tipo di sistemi dispersi formati da fasi solide disperse e mezzi di dispersione liquidi. Sono chiamati lyosols. Tuttavia, la dimensione delle particelle è molto più piccola (da 10-7 a 10-5 cm). A questo proposito, la sedimentazione in essi è insignificante, ma i liosol sono caratterizzati da fenomeni come il movimento browniano, l'osmosi e la diffusione. L'analisi di sedimentazione delle sospensioni si basa sulla loro instabilità cinetica. Ciò significa che le sospensioni sono caratterizzate dalla variabilità temporale di parametri quali la finezza e la distribuzione dell'equilibrio delle particelle in un mezzo di dispersione.
Metodologia
L'analisi della sedimentazione viene eseguita utilizzando una bilancia di torsione con una tazza di alluminio(diametro 1-2 cm) e un bicchiere alto. Prima di iniziare l'analisi, la tazza viene pesata in un mezzo di dispersione, immergendola in un becher pieno e bilanciando la bilancia. Insieme a questo, viene misurata la profondità della sua immersione. Dopodiché, la tazza viene rimossa e riposta velocemente in un bicchiere con la sospensione di prova, mentre deve essere appesa al gancio della trave di bilanciamento. Allo stesso tempo, partirà il cronometro. La tabella contiene i dati sulla massa delle precipitazioni precipitate in momenti arbitrari.
| Tempo dall'inizio dello studio, s | Massa della coppa con sedimento, sol | Massa di sedimento, g | 1/t, c-1 | Limite di sedimentazione, sol |
Usando i dati della tabella, traccia una curva di sedimentazione su carta millimetrata. La massa delle particelle depositate viene tracciata lungo l'asse delle ordinate e il tempo viene tracciato lungo l'asse delle ascisse. In questo caso viene scelta una scala adeguata in modo che sia conveniente eseguire ulteriori calcoli grafici.
Analisi della curva
In un mezzo monodisperso, la velocità di sedimentazione delle particelle sarà la stessa, il che significa che la sedimentazione sarà caratterizzata da uniformità. La curva di sedimentazione in questo caso sarà lineare.
Durante la decantazione di una sospensione polidispersa (cosa che in pratica avviene), particelle di dimensioni diverse differiscono anche per la velocità di decantazione. Questo è espresso sul grafico nella sfocatura del confine dello strato di assestamento.
La curva di subsidenza viene elaborata dividendola in diversi segmenti e disegnando tangenti. Ogni tangente caratterizzerà il cedimento di un separatoparte monodispersa della sospensione.
Idea generale sulla distribuzione delle dimensioni delle particelle
Il contenuto quantitativo di particelle di una certa dimensione nella roccia è solitamente chiamato composizione granulometrica. Da esso dipendono alcune proprietà dei mezzi porosi, ad esempio permeabilità, area superficiale specifica, porosità, ecc. Sulla base di queste proprietà, a loro volta, si possono trarre conclusioni sulle condizioni geologiche per la formazione di depositi rocciosi. Ecco perché una delle prime fasi nello studio delle rocce sedimentarie è l'analisi granulometrica.
Così, in base ai risultati dell'analisi della composizione granulometrica delle sabbie a contatto con il petrolio, scelgono attrezzature e procedure di lavoro nella pratica dei giacimenti petroliferi. Aiuta a selezionare i filtri per evitare che la sabbia entri nel pozzo. La quantità di argilla e minerali colloidali dispersi nella composizione determina i processi di assorbimento degli ioni, nonché il grado di rigonfiamento delle rocce nell'acqua.
Analisi sedimentaria della composizione granulometrica delle rocce
A causa del fatto che l'analisi dei sistemi dispersi basata sui principi della sedimentazione presenta una serie di limitazioni, il suo utilizzo nella sua forma pura per lo studio granulometrico della composizione rocciosa non fornisce la dovuta affidabilità e accuratezza. Oggi viene eseguito utilizzando apparecchiature moderne utilizzando programmi per computer.
Permettono lo studio delle particelle di roccia dallo strato di partenza, consentono di registrare continuamente l'accumuloi sedimenti, esclusa l'approssimazione mediante equazioni, misurano direttamente la velocità di sedimentazione. E, non meno importante, consentono lo studio della sedimentazione di particelle di forma irregolare. La percentuale di frazione di una dimensione o dell' altra è determinata dal computer, in base alla massa totale del campione, il che significa che non è necessario pesarlo prima dell'analisi.
