De essentie van de sedimentatiemethode voor analyse is het meten van de snelheid waarmee deeltjes bezinken (voornamelijk uit een vloeibaar medium). En met behulp van de waarden van de bezinkingssnelheid worden de afmetingen van deze deeltjes en hun specifieke oppervlakte berekend. Deze methode bepa alt de parameters van deeltjes van vele soorten dispersiesystemen, zoals suspensies, aerosolen, emulsies, dat wil zeggen, die welke wijdverbreid en belangrijk zijn voor verschillende industrieën.
Het concept van dispersie
Een van de belangrijkste technologische parameters die stoffen en materialen in verschillende productieprocessen karakteriseren, is hun fijnheid. Er wordt noodzakelijkerwijs rekening mee gehouden bij de selectie van apparaten voor chemische technologie, bij de productie van verschillende voedingsproducten, enz. Dit komt niet alleen door het feit dat met een afname van de deeltjes van stoffen, het oppervlak van de fasen toeneemt en de snelheid van hun interactie toeneemt, maar ook door het feit dat sommige eigenschappen van het systeem in dit geval veranderen. Met name de oplosbaarheid neemt toe, de reactiviteit neemt toestoffen nemen de temperaturen van faseovergangen af. Daarom werd het noodzakelijk om kwantitatieve kenmerken te vinden van de verspreiding van verschillende systemen en in sedimentatieanalyse.
Afhankelijk van hoe de deeltjesgrootten in de gedispergeerde fase gerelateerd zijn, worden systemen onderverdeeld in monodispers en polydispers. De eerstgenoemde bestaan uitsluitend uit deeltjes van dezelfde grootte. Dergelijke disperse systemen zijn vrij zeldzaam en komen in werkelijkheid dicht in de buurt van echte monodisperse systemen. Aan de andere kant is de overgrote meerderheid van de bestaande dispersiesystemen polydispers. Dit betekent dat ze bestaan uit deeltjes van verschillende grootte en dat hun inhoud niet hetzelfde is. Tijdens de sedimentatieanalyse van disperse systemen worden de groottes van de deeltjes die ze vormen bepaald, gevolgd door de constructie van hun grootteverdelingscurves.
Theoretische grondslagen
Sedimentatie is het proces van precipitatie van deeltjes die deel uitmaken van de gedispergeerde fase in gasvormige of vloeibare media onder invloed van de zwaartekracht. Sedimentatie kan worden teruggedraaid als deeltjes (druppeltjes) in verschillende emulsies drijven.
Zwaartekracht Fg die inwerkt op bolvormige deeltjes kan worden berekend met behulp van de hydrostatische correctieformule:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, waarbij ρ de dichtheid van materie is; r is de deeltjesstraal; ρ0 – vloeistofdichtheid; g - versnellingvrije val.
De wrijvingskracht Fη, beschreven door de wet van Stokes, gaat de bezinking van deeltjes tegen:
Fη=6 π η r ᴠsed, waarbij ᴠsed de deeltjessnelheid is en η de viscositeit van de vloeistof.
Op een bepaald moment beginnen de deeltjes met een constante snelheid te bezinken, wat wordt verklaard door de gelijkheid van de tegengestelde krachten Fg=Fη, wat betekent dat de gelijkheid ook waar is:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Door het te transformeren, kun je een formule krijgen die de relatie tussen de deeltjesstraal en zijn bezinkingssnelheid weergeeft:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Als we er rekening mee houden dat de snelheid van deeltjes kan worden gedefinieerd als de verhouding van hun pad H tot de bewegingstijd τ, dan kunnen we de Stokes-vergelijking schrijven:
ᴠsat=N/t.
Dan kan de straal van het deeltje worden gerelateerd aan de tijd van zijn bezinking door de vergelijking:
r=K √N/t.
Het is echter vermeldenswaard dat een dergelijke theoretische rechtvaardiging van sedimentatie-analyse geldig zal zijn onder een aantal voorwaarden:
- De vaste deeltjesgrootte moet tussen 10–5 tot 10–2 see
- Deeltjes moeten bolvormig zijn.
- Deeltjes moeten met een constante snelheid bewegen en onafhankelijk van naburige deeltjes.
- Wrijving moet een intern fenomeen zijn van een dispersiemedium.
zijn
Omdat echte schorsingen vaakdeeltjes die aanzienlijk in vorm verschillen van sferische, introduceren het concept van equivalente straal voor sedimentatieanalyse. Om dit te doen, wordt de straal van hypothetische bolvormige deeltjes gemaakt van hetzelfde materiaal als de echte in de bestudeerde suspensie en die met dezelfde snelheid bezinken, in de berekeningsvergelijkingen gesubstitueerd.
In de praktijk zijn deeltjes in gedispergeerde systemen heterogeen in grootte, en de belangrijkste taak van sedimentatieanalyse kan de analyse van de deeltjesgrootteverdeling daarin worden genoemd. Met andere woorden, tijdens de studie van polydisperse systemen wordt het relatieve geh alte van verschillende fracties gevonden (een reeks deeltjes waarvan de grootte in een bepaald interval ligt).
Kenmerken van sedimentatie-analyse
Er zijn verschillende benaderingen voor het uitvoeren van analyses van verspreide systemen door sedimentatie:
- monitoring in een zwaartekrachtveld de snelheid waarmee deeltjes neerslaan in een kalme vloeistof;
- suspensie-agitatie voor de daaropvolgende scheiding in fracties van deeltjes van bepaalde grootte in een vloeistofstraal;
- scheiding van poedervormige stoffen in fracties met bepaalde deeltjesgroottes, uitgevoerd door luchtscheiding;
- monitoring in een centrifugaal veld van de parameters van bodemdaling van sterk verspreide systemen.
Een van de meest gebruikte is de eerste versie van de analyse. Voor de implementatie wordt de sedimentatiesnelheid bepaald door een van de volgende methoden:
- kijken door een microscoop;
- het geaccumuleerde sediment wegen;
- bepaling van de concentratie van de gedispergeerde fase in een bepaalde periode van het bezinkingsproces;
- meten hydrostatische druk tijdens bodemdaling;
- bepaling van de dichtheid van de suspensie tijdens de bezinkingsperiode.
Ophangingsconcept
Onder suspensies worden grove systemen verstaan die worden gevormd door een vaste gedispergeerde fase waarvan de deeltjesgrootte groter is dan 10
-5 cm, en een vloeibaar dispersiemedium. Suspensies worden vaak gekarakteriseerd als suspensies van poedervormige stoffen in vloeistoffen. In feite is dit niet helemaal waar, aangezien slurries verdunde suspensies zijn. De deeltjes van de vaste fase zijn kinetisch onafhankelijk en kunnen vrij in de vloeistof bewegen.
In echte (geconcentreerde) suspensies, vaak pasta's genoemd, interageren vaste deeltjes met elkaar. Dit leidt tot de vorming van een bepaalde ruimtelijke structuur.
Er is een ander type gedispergeerde systemen gevormd door vaste gedispergeerde fasen en vloeibare dispersiemedia. Ze worden lyosolen genoemd. De deeltjesgrootte is echter veel kleiner (van 10-7 tot 10-5 cm). In dit opzicht is sedimentatie daarin onbeduidend, maar lyosolen worden gekenmerkt door fenomenen als Brownse beweging, osmose en diffusie. De sedimentatieanalyse van suspensies is gebaseerd op hun kinetische instabiliteit. Dit betekent dat suspensies worden gekenmerkt door tijdsvariabiliteit van parameters zoals fijnheid en evenwichtsverdeling van deeltjes in een dispersiemedium.
Methodologie
Sedimentatieanalyse wordt uitgevoerd met behulp van een torsiebalans met een foliebeker(diameter 1-2 cm) en een hoog glas. Voordat met de analyse wordt begonnen, wordt de beker gewogen in een dispersiemedium, ondergedompeld in een gevulde beker en de balans in evenwicht gebracht. Daarnaast wordt de diepte van zijn onderdompeling gemeten. Daarna wordt de beker verwijderd en snel in een glas met de proefophanging geplaatst, terwijl deze aan de haak van de evenwichtsbalk moet worden gehangen. Tegelijkertijd start de stopwatch. De tabel bevat gegevens over de massa van neergeslagen neerslag op willekeurige tijdstippen.
| Tijd vanaf het begin van de studie, s | Massa van de beker met bezinksel, g | Sedimentmassa, g | 1/t, c-1 | Sedimentatielimiet, g |
Teken met behulp van de tabelgegevens een sedimentatiecurve op ruitjespapier. De massa van bezonken deeltjes is uitgezet langs de ordinaat-as en de tijd is uitgezet langs de abscis. In dit geval wordt een geschikte schaal geselecteerd, zodat het gemakkelijk is om verdere grafische berekeningen uit te voeren.
Curve-analyse
In een monodispers medium zal de bezinkingssnelheid van deeltjes hetzelfde zijn, wat betekent dat bezinking wordt gekenmerkt door uniformiteit. De sedimentatiecurve is in dit geval lineair.
Tijdens het bezinken van een polydisperse suspensie (wat in de praktijk gebeurt), verschillen deeltjes van verschillende grootte ook in bezinkingssnelheid. Dit komt in de grafiek tot uitdrukking in de vervaging van de grens van de bezinkingslaag.
De verzakkingscurve wordt verwerkt door deze in verschillende segmenten te verdelen en raaklijnen te tekenen. Elke raaklijn karakteriseert de verzakking van een afzonderlijkemonodispers deel van de suspensie.
Algemeen idee van deeltjesgrootteverdeling
Het kwantitatieve geh alte van deeltjes van een bepaalde grootte in het gesteente wordt gewoonlijk de granulometrische samenstelling genoemd. Sommige eigenschappen van poreuze media zijn hiervan afhankelijk, bijvoorbeeld permeabiliteit, specifiek oppervlak, porositeit, enz. Op basis van deze eigenschappen kunnen op hun beurt conclusies worden getrokken over de geologische omstandigheden voor de vorming van gesteenteafzettingen. Dat is de reden waarom een van de eerste fasen in de studie van sedimentair gesteente de granulometrische analyse is.
Dus, volgens de resultaten van de analyse van de granulometrische samenstelling van zand in contact met olie, kiezen ze apparatuur en werkprocedures in de olieveldpraktijk. Het helpt om filters te selecteren om te voorkomen dat er zand in de put komt. De hoeveelheid klei en colloïdaal gedispergeerde mineralen in de samenstelling bepa alt de processen van absorptie van ionen, evenals de mate van zwelling van rotsen in water.
Sedimentaire analyse van de granulometrische samenstelling van gesteenten
Vanwege het feit dat de analyse van disperse systemen op basis van de principes van sedimentatie een aantal beperkingen heeft, biedt het gebruik ervan in zijn pure vorm voor de granulometrische studie van gesteentesamenstelling niet de nodige betrouwbaarheid en nauwkeurigheid. Tegenwoordig wordt het uitgevoerd met behulp van moderne apparatuur en computerprogramma's.
Ze maken de studie van gesteentedeeltjes uit de startlaag mogelijk, stellen je in staat om de accumulatie continu te registrerensediment, met uitzondering van benadering door vergelijkingen, meet de sedimentatiesnelheid direct. En, niet minder belangrijk, ze maken de studie van de sedimentatie van onregelmatig gevormde deeltjes mogelijk. Het percentage fractie van een of andere maat wordt bepaald door de computer, gebaseerd op de totale massa van het monster, wat betekent dat het niet gewogen hoeft te worden voor analyse.
