Istotą metody analizy sedymentacyjnej jest pomiar szybkości osiadania cząstek (głównie z ośrodka płynnego). A korzystając z wartości szybkości osiadania oblicza się rozmiary tych cząstek i ich powierzchnię właściwą. Metoda ta określa parametry cząstek wielu typów układów dyspersyjnych, takich jak zawiesiny, aerozole, emulsje, czyli takich, które są szeroko rozpowszechnione i ważne dla różnych gałęzi przemysłu.
Pojęcie dyspersji
Jednym z głównych parametrów technologicznych charakteryzujących substancje i materiały w różnych procesach produkcyjnych jest ich próba. Jest to koniecznie brane pod uwagę przy doborze aparatury do technologii chemicznej, przy produkcji różnych produktów spożywczych itp. Wynika to nie tylko z faktu, że wraz ze spadkiem cząstek substancji zwiększa się powierzchnia faz i zwiększa się szybkość ich wzajemnego oddziaływania, ale także z faktu, że w tym przypadku zmieniają się niektóre właściwości układu. W szczególności wzrasta rozpuszczalność, wzrasta reaktywnośćsubstancji, temperatury przemian fazowych spadają. W związku z tym konieczne stało się znalezienie ilościowych charakterystyk dyspersji różnych układów oraz w analizie sedymentacyjnej.
W zależności od tego, jak są powiązane wielkości cząstek w fazie rozproszonej, systemy dzielą się na monodyspersyjne i polidyspersyjne. Te pierwsze składają się wyłącznie z cząstek o tej samej wielkości. Takie systemy dyspersyjne są dość rzadkie i w rzeczywistości są bardzo zbliżone do prawdziwych systemów monodyspersyjnych. Z drugiej strony zdecydowana większość istniejących systemów dyspersyjnych to systemy polidyspersyjne. Oznacza to, że składają się z cząstek o różnej wielkości, a ich zawartość nie jest taka sama. W toku analizy sedymentacyjnej układów zdyspergowanych określa się rozmiary tworzących je cząstek, a następnie konstruuje się ich krzywe rozkładu ziarnowego.
Podstawy teoretyczne
Sedymentacja to proces wytrącania cząstek, które pod wpływem grawitacji tworzą fazę rozproszoną w mediach gazowych lub ciekłych. Sedymentację można odwrócić, jeśli cząstki (kropelki) unoszą się w różnych emulsjach.
Grawitacja Fg działająca na cząstki kuliste można obliczyć za pomocą wzoru na poprawkę hydrostatyczną:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, gdzie ρ jest gęstością materii; r jest promieniem cząstki; ρ0 – gęstość płynu; g - przyspieszenieswobodny spadek.
Siła tarcia Fη, opisana prawem Stokesa, przeciwdziała osiadaniu cząstek:
Fη=6 π η r ᴠsed, gdzie ᴠsed to prędkość cząstek, a η to lepkość płynu.
W pewnym momencie cząstki zaczynają osiadać ze stałą prędkością, co tłumaczy się równością przeciwstawnych sił Fg=Fη, co oznacza, że równość jest również prawdziwa:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Przekształcając go, można uzyskać wzór, który odzwierciedla zależność między promieniem cząstki a jej szybkością osiadania:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Jeśli weźmiemy pod uwagę, że prędkość cząstek można zdefiniować jako stosunek ich drogi H do czasu ruchu τ, to możemy zapisać równanie Stokesa:
ᴠsob=N/t.
Wtedy promień cząstki można odnieść do czasu jej osiadania równaniem:
r=K √N/t.
Warto jednak zauważyć, że takie teoretyczne uzasadnienie analizy sedymentacyjnej będzie ważne w kilku warunkach:
- Rozmiar cząstek stałych powinien wynosić od 10–5 do 10–2 patrz
- Cząstki muszą być kuliste.
- Cząstki muszą poruszać się ze stałą prędkością i niezależnie od sąsiednich cząsteczek.
- Tarcie musi być zjawiskiem wewnętrznym ośrodka dyspersyjnego.
Ze względu na to, że prawdziwe zawieszenia często zawierającząstki istotnie różniące się kształtem od kulistych wprowadzają pojęcie promienia równoważnego na potrzeby analizy sedymentacyjnej. W tym celu do równań obliczeniowych podstawia się promień hipotetycznych cząstek kulistych wykonanych z tego samego materiału co rzeczywiste w badanej zawiesinie i osiadających z tą samą prędkością.
W praktyce cząstki w układach zdyspergowanych mają niejednorodną wielkość, a główne zadanie analizy sedymentacji można nazwać analizą rozkładu wielkości cząstek w nich. Innymi słowy, podczas badania układów polidyspersyjnych znajduje się względną zawartość różnych frakcji (zbiór cząstek, których rozmiary leżą w określonym przedziale).
Cechy analizy sedymentacji
Istnieje kilka podejść do przeprowadzania analizy systemów rozproszonych przez sedymentację:
- monitorowanie w polu grawitacyjnym szybkości, z jaką cząstki osiadają w spokojnej cieczy;
- mieszanie w zawiesinie w celu jego późniejszego rozdzielenia na frakcje cząstek o określonych rozmiarach w strumieniu cieczy;
- separacja sproszkowanych substancji na frakcje o określonych rozmiarach cząstek, wykonywana przez separację powietrzem;
- monitorowanie w polu odśrodkowym parametrów osiadania układów silnie zdyspergowanych.
Jedną z najczęściej używanych jest pierwsza wersja analizy. W celu jego wdrożenia szybkość sedymentacji określa się jedną z następujących metod:
- oglądanie przez mikroskop;
- ważenie nagromadzonego osadu;
- określenie stężenia fazy rozproszonej w określonym okresie osadzania;
- pomiar ciśnienia hydrostatycznego podczas osiadania;
- określenie gęstości zawiesiny w okresie osadzania.
Koncepcja zawieszenia
Zawiesiny są rozumiane jako gruboziarniste układy utworzone przez stałą fazę zdyspergowaną, której wielkość cząstek przekracza 10-5 cm i ciekły ośrodek dyspersyjny. Zawiesiny są często charakteryzowane jako zawiesiny substancji sproszkowanych w cieczach. W rzeczywistości nie jest to do końca prawdą, ponieważ zawiesiny są rozcieńczonymi zawiesinami. Cząsteczki fazy stałej są kinetycznie niezależne i mogą swobodnie poruszać się w cieczy.
W prawdziwych (skoncentrowanych) zawiesinach, często nazywanych pastami, cząstki stałe oddziałują ze sobą. Prowadzi to do powstania pewnej struktury przestrzennej.
Istnieje inny rodzaj systemów zdyspergowanych utworzonych przez stałe zdyspergowane fazy i płynne media dyspersyjne. Nazywane są liosolami. Jednak wielkość cząstek jest znacznie mniejsza (od 10-7 do 10-5 cm). Pod tym względem sedymentacja w nich jest nieznaczna, ale liozole charakteryzują się takimi zjawiskami jak ruchy Browna, osmoza i dyfuzja. Analiza sedymentacji zawiesin opiera się na ich niestabilności kinetycznej. Oznacza to, że zawiesiny charakteryzują się zmiennością w czasie takich parametrów jak rozdrobnienie i równowagowy rozkład cząstek w ośrodku dyspersyjnym.
Metodologia
Analiza sedymentacji jest wykonywana przy użyciu wagi skrętnej z kubkiem foliowym(średnica 1-2 cm) i wysoka szklanka. Przed rozpoczęciem analizy kubek jest ważony w medium dyspersyjnym, zanurzając go w wypełnionej zlewce i równoważąc wagę. Wraz z tym mierzy się głębokość jego zanurzenia. Następnie kubek jest usuwany i szybko umieszczany w szklance z zawiesiną testową, podczas gdy musi być zawieszony na haku belki wagi. W tym samym czasie uruchomi się stoper. Tabela zawiera dane dotyczące masy opadów strąconych w dowolnych punktach czasowych.
| Czas od rozpoczęcia nauki, s | Masa kubka z osadem, g | Masa osadu, g | 1/t, c-1 | Limit sedymentacji, g |
Korzystając z danych tabeli, narysuj krzywą sedymentacji na papierze milimetrowym. Na osi rzędnych kreślona jest masa osiadłych cząstek, a wzdłuż osi odciętej kreślony jest czas. W takim przypadku dobierana jest odpowiednia skala, tak aby wygodnie było wykonać dalsze obliczenia graficzne.
Analiza krzywej
W ośrodku monodyspersyjnym szybkość osiadania cząstek będzie taka sama, co oznacza, że osiadanie będzie charakteryzować się jednorodnością. Krzywa sedymentacji w tym przypadku będzie liniowa.
Podczas osiadania zawiesiny polidyspersyjnej (co ma miejsce w praktyce) cząstki o różnej wielkości różnią się również szybkością osiadania. Wyraża się to na wykresie w rozmyciu granicy warstwy osiadania.
Krzywa osiadania jest przetwarzana poprzez podzielenie jej na kilka segmentów i narysowanie stycznych. Każda styczna będzie charakteryzować osiadanie oddzielnegomonodyspersyjna część zawiesiny.
Ogólna idea rozkładu wielkości cząstek
Ilościowa zawartość cząstek o określonej wielkości w skale jest zwykle nazywana składem granulometrycznym. Od tego zależą niektóre właściwości mediów porowatych, np. przepuszczalność, powierzchnia właściwa, porowatość itp. Na podstawie tych właściwości można z kolei wyciągnąć wnioski dotyczące warunków geologicznych powstawania złóż skalnych. Dlatego jednym z pierwszych etapów badań skał osadowych jest analiza granulometryczna.
W związku z tym, zgodnie z wynikami analizy składu granulometrycznego piasków w kontakcie z ropą, dobierają sprzęt i procedury pracy w praktyce naftowej. Pomaga wybrać filtry, aby zapobiec przedostawaniu się piasku do studni. Ilość minerałów ilastych i koloidalno-dyspergowanych w składzie determinuje procesy absorpcji jonów, a także stopień pęcznienia skał w wodzie.
Analiza osadowa składu granulometrycznego skał
Z uwagi na fakt, że analiza układów dyspersyjnych opartych na zasadach sedymentacji ma szereg ograniczeń, jej wykorzystanie w czystej postaci do badania granulometrycznego składu skalnego nie zapewnia należytej rzetelności i dokładności. Dziś jest wykonywany przy użyciu nowoczesnego sprzętu z wykorzystaniem programów komputerowych.
Pozwalają na badanie cząstek skał z warstwy początkowej, pozwalają na ciągłą rejestrację akumulacjiosadów, z wyłączeniem aproksymacji równaniami, bezpośrednio mierzą szybkość sedymentacji. I co nie mniej ważne, umożliwiają badanie sedymentacji cząstek o nieregularnych kształtach. Procent ułamka takiej lub innej wielkości jest określany przez komputer na podstawie całkowitej masy próbki, co oznacza, że nie trzeba jej ważyć przed analizą.
