Ang esensya ng paraan ng pagsusuri ng sedimentation ay upang sukatin ang bilis kung saan tumira ang mga particle (pangunahin mula sa isang likidong daluyan). At gamit ang mga halaga ng rate ng pag-aayos, ang mga sukat ng mga particle na ito at ang kanilang partikular na lugar sa ibabaw ay kinakalkula. Tinutukoy ng paraang ito ang mga parameter ng mga particle ng maraming uri ng disperse system, tulad ng mga suspensyon, aerosol, emulsion, iyon ay, yaong mga laganap at mahalaga para sa iba't ibang industriya.
Ang konsepto ng dispersion
Ang isa sa mga pangunahing teknolohikal na parameter na nagpapakilala sa mga sangkap at materyales sa iba't ibang proseso ng produksyon ay ang kanilang pagiging pino. Ito ay kinakailangang isinasaalang-alang sa panahon ng pagpili ng kagamitan para sa teknolohiyang kemikal, sa paggawa ng iba't ibang mga produktong pagkain, atbp. Ito ay dahil hindi lamang sa katotohanan na sa isang pagbawas sa mga particle ng mga sangkap, ang ibabaw na lugar ng mga phase ay tumataas at ang rate ng kanilang pakikipag-ugnayan ay tumataas, ngunit din sa katotohanan na ang ilang mga katangian ng system ay nagbabago sa kasong ito.. Sa partikular, tumataas ang solubility, tumataas ang reaktibitimga sangkap, bumababa ang temperatura ng mga phase transition. Samakatuwid, naging kinakailangan upang makahanap ng mga quantitative na katangian ng dispersion ng iba't ibang mga sistema at sa pagsusuri ng sedimentation.
Depende sa kung paano nauugnay ang mga laki ng particle sa dispersed phase, nahahati ang mga system sa monodisperse at polydisperse. Ang una ay binubuo lamang ng mga particle na may parehong laki. Ang ganitong mga sistema ng disperse ay medyo bihira at sa katotohanan ay napakalapit sa mga tunay na monodisperse. Sa kabilang banda, ang karamihan sa mga umiiral na disperse system ay polydisperse. Nangangahulugan ito na ang mga ito ay binubuo ng mga particle na magkakaiba sa laki, at ang kanilang nilalaman ay hindi pareho. Sa kurso ng pagsusuri ng sedimentation ng mga disperse system, tinutukoy ang mga sukat ng mga particle na bumubuo sa kanila, na sinusundan ng pagbuo ng kanilang mga curve ng pamamahagi ng laki.
Mga teoretikal na pundasyon
Ang
Sedimentation ay ang proseso ng pag-ulan ng mga particle na bumubuo sa dispersed phase sa gaseous o liquid media sa ilalim ng pagkilos ng gravity. Maaaring baligtarin ang sedimentation kung lumutang ang mga particle (droplets) sa iba't ibang emulsion.
Gravity Fg na kumikilos sa mga spherical particle ay maaaring kalkulahin gamit ang hydrostatic correction formula:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, kung saan ang ρ ay ang density ng matter; r ay ang particle radius; ρ0 – density ng likido; g - accelerationlibreng pagkahulog.
Ang puwersa ng friction Fη, na inilarawan ng batas ng Stokes, ay sumasalungat sa pag-aayos ng mga particle:
Fη=6 π η r ᴠsed, kung saan ang ᴠsed ay ang bilis ng particle at ang η ay ang lagkit ng likido.
Sa ilang mga punto ng oras, ang mga particle ay magsisimulang tumira sa patuloy na bilis, na ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagkakapantay-pantay ng magkasalungat na pwersa Fg=Fη, na nangangahulugang totoo rin ang pagkakapantay-pantay:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Sa pamamagitan ng pagbabago nito, makakakuha ka ng formula na sumasalamin sa ugnayan sa pagitan ng radius ng particle at rate ng pag-aayos nito:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Kung isasaalang-alang natin na ang bilis ng mga particle ay maaaring tukuyin bilang ratio ng landas nito H sa oras ng paggalaw τ, maaari nating isulat ang Stokes equation:
ᴠsat=N/t.
Kung gayon ang radius ng particle ay maaaring iugnay sa oras ng pag-aayos nito sa pamamagitan ng equation:
r=K √N/t.
Gayunpaman, nararapat na tandaan na ang naturang teoretikal na katwiran ng pagsusuri ng sedimentation ay magiging wasto sa ilalim ng ilang kundisyon:
- Ang laki ng solidong particle ay dapat nasa pagitan ng 10–5 hanggang 10–2 tingnan ang
- Ang mga particle ay dapat na spherical.
- Ang mga particle ay dapat gumagalaw sa patuloy na bilis at independiyente sa mga kalapit na particle.
- Ang friction ay dapat na isang panloob na phenomenon ng isang dispersion medium.
Dahil sa katotohanang kadalasang naglalaman ang mga tunay na pagsususpindeAng mga particle na makabuluhang naiiba sa hugis mula sa mga spherical ay nagpapakilala ng konsepto ng katumbas na radius para sa mga layunin ng pagsusuri ng sedimentation. Upang gawin ito, ang radius ng hypothetical spherical particle na gawa sa parehong materyal tulad ng mga tunay sa pinag-aralan na suspensyon at pag-aayos sa parehong bilis ay inihahalili sa mga equation ng pagkalkula.
Sa pagsasagawa, ang mga particle sa dispersed system ay magkakaiba sa laki, at ang pangunahing gawain ng sedimentation analysis ay matatawag na pagsusuri ng particle size distribution sa kanila. Sa madaling salita, sa panahon ng pag-aaral ng mga polydisperse system, ang kaugnay na nilalaman ng iba't ibang mga fraction ay matatagpuan (isang hanay ng mga particle na ang mga sukat ay nasa isang tiyak na pagitan).
Mga tampok ng pagsusuri ng sedimentation
May ilang mga diskarte sa pagsasagawa ng pagsusuri ng mga dispersed system sa pamamagitan ng sedimentation:
- pagsubaybay sa isang gravitational field ang bilis kung saan ang mga particle ay tumira sa isang mahinahong likido;
- suspension agitation para sa kasunod na paghihiwalay nito sa mga fraction ng mga particle ng mga partikular na laki sa isang liquid jet;
- paghihiwalay ng mga powdered substance sa mga fraction na may ilang partikular na laki ng particle, na ginagawa sa pamamagitan ng air separation;
- monitoring sa isang centrifugal field ang mga parameter ng paghupa ng mga lubhang nakakalat na system.
Isa sa pinakamalawak na ginagamit ay ang unang bersyon ng pagsusuri. Para sa pagpapatupad nito, ang sedimentation rate ay tinutukoy ng alinman sa mga sumusunod na pamamaraan:
- pagmamasid sa mikroskopyo;
- pagtimbang sa naipon na sediment;
- pagtukoy sa konsentrasyon ng dispersed phase sa isang tiyak na panahon ng proseso ng pag-aayos;
- pagsusukat ng hydrostatic pressure sa panahon ng paghupa;
- pagtukoy sa density ng pagsususpinde sa panahon ng pag-aayos.
Konsepto sa pagsususpinde
Ang mga pagsususpinde ay nauunawaan bilang mga magaspang na sistema na nabuo sa pamamagitan ng solid dispersed phase, ang laki ng particle na lumampas sa 10-5 cm, at isang liquid dispersion medium. Ang mga suspensyon ay kadalasang nailalarawan bilang mga suspensyon ng mga pulbos na sangkap sa mga likido. Sa katunayan, hindi ito ganap na totoo, dahil ang mga slurries ay mga dilute na suspensyon. Ang mga particle ng solid phase ay kinetically independent at maaaring malayang gumagalaw sa likido.
Sa totoong (konsentradong) suspension, kadalasang tinatawag na paste, ang mga solidong particle ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa. Ito ay humahantong sa pagbuo ng isang partikular na spatial na istraktura.
May isa pang uri ng dispersed system na nabuo sa pamamagitan ng solid dispersed phase at liquid dispersion media. Ang mga ito ay tinatawag na lyosols. Gayunpaman, ang laki ng particle ay mas maliit (mula sa 10-7 hanggang 10-5 cm). Sa pagsasaalang-alang na ito, ang sedimentation sa kanila ay hindi gaanong mahalaga, ngunit ang mga lyosols ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga phenomena tulad ng Brownian motion, osmosis at diffusion. Ang pagsusuri ng sedimentation ng mga suspensyon ay batay sa kanilang kinetic instability. Nangangahulugan ito na ang mga pagsususpinde ay nailalarawan sa pagkakaiba-iba ng oras ng mga parameter gaya ng pagkapino at equilibrium na pamamahagi ng mga particle sa isang dispersion medium.
Methodology
Isinasagawa ang pagsusuri ng sedimentation gamit ang torsion balance na may foil cup(diameter 1-2 cm) at isang mataas na baso. Bago simulan ang pagsusuri, ang tasa ay tinimbang sa isang dispersion medium, ilulubog ito sa isang punong beaker at binabalanse ang balanse. Kasama nito, sinusukat ang lalim ng paglulubog nito. Pagkatapos nito, ang tasa ay tinanggal at mabilis na inilagay sa isang baso na may test suspension, habang dapat itong i-hang sa hook ng balance beam. Kasabay nito, magsisimula ang stopwatch. Naglalaman ang talahanayan ng data sa bigat ng precipitated precipitation sa mga di-makatwirang punto sa oras.
| Oras mula sa simula ng pag-aaral, s | Mas ng tasa na may sediment, g | Mass of sediment, g | 1/t, c-1 | Limit sa sedimentation, g |
Gamit ang data ng talahanayan, gumuhit ng sedimentation curve sa graph paper. Ang masa ng naayos na mga particle ay naka-plot kasama ang ordinate axis, at ang oras ay naka-plot kasama ang abscissa axis. Sa kasong ito, pipiliin ang isang sapat na sukat upang maging maginhawang magsagawa ng karagdagang mga graphical na kalkulasyon.
Curve analysis
Sa isang monodisperse medium, magiging pareho ang settling rate ng mga particle, na nangangahulugan na ang settling ay mailalarawan sa pagkakapareho. Ang sedimentation curve sa kasong ito ay magiging linear.
Sa panahon ng pag-aayos ng isang polydisperse suspension (na nangyayari sa pagsasanay), iba-iba rin ang mga particle na may iba't ibang laki sa bilis ng pag-aayos. Ito ay ipinahayag sa graph sa pag-blur ng hangganan ng settling layer.
Ang subsidence curve ay pinoproseso sa pamamagitan ng paghahati nito sa ilang mga segment at pagguhit ng mga tangent. Ang bawat padaplis ay ilalarawan ang paghupa ng isang hiwalaymonodisperse ang bahagi ng suspensyon.
Pangkalahatang ideya ng pamamahagi ng laki ng particle
Ang dami ng nilalaman ng mga particle ng isang tiyak na laki sa bato ay karaniwang tinatawag na granulometric composition. Ang ilang mga katangian ng porous media ay nakasalalay dito, halimbawa, permeability, tiyak na lugar sa ibabaw, porosity, atbp. Batay sa mga katangiang ito, sa turn, ang mga konklusyon ay maaaring iguguhit tungkol sa mga geological na kondisyon para sa pagbuo ng mga deposito ng bato. Kaya naman ang isa sa mga unang yugto sa pag-aaral ng sedimentary rock ay granulometric analysis.
Kaya, ayon sa mga resulta ng pagsusuri ng granulometric na komposisyon ng mga buhangin na nakikipag-ugnayan sa langis, pinipili nila ang mga kagamitan at mga pamamaraan sa trabaho sa pagsasanay sa oilfield. Nakakatulong ang pagpili ng mga filter upang maiwasan ang pagpasok ng buhangin sa balon. Tinutukoy ng dami ng clay at colloidal-dispersed na mineral sa komposisyon ang mga proseso ng pagsipsip ng mga ion, gayundin ang antas ng pamamaga ng mga bato sa tubig.
Sedimentary analysis ng granulometric na komposisyon ng mga bato
Dahil sa katotohanan na ang pagsusuri ng mga disperse system batay sa mga prinsipyo ng sedimentation ay may bilang ng mga limitasyon, ang paggamit nito sa purong anyo nito para sa granulometric na pag-aaral ng komposisyon ng bato ay hindi nagbibigay ng nararapat na pagiging maaasahan at katumpakan. Ngayon ito ay ginaganap gamit ang makabagong kagamitan gamit ang mga computer program.
Pinapayagan nila ang pag-aaral ng mga particle ng bato mula sa panimulang layer, nagbibigay-daan sa iyong patuloy na i-record ang akumulasyonsediment, hindi kasama ang approximation sa pamamagitan ng mga equation, direktang sukatin ang sedimentation rate. At, hindi gaanong mahalaga, pinapayagan nila ang pag-aaral ng sedimentation ng mga hindi regular na hugis na mga particle. Ang porsyento ng fraction ng isang laki o iba pa ay tinutukoy ng computer, batay sa kabuuang masa ng sample, na nangangahulugan na hindi ito kailangang timbangin bago ang pagsusuri.
