Die Essenz der Sedimentationsanalysemethode besteht darin, die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich Partikel absetzen (hauptsächlich aus einem flüssigen Medium). Und anhand der Werte der Absetzgeschwindigkeit werden die Größen dieser Partikel und ihre spezifische Oberfläche berechnet. Diese Methode bestimmt die Parameter von Partikeln vieler Arten von dispersen Systemen, wie Suspensionen, Aerosolen, Emulsionen, also solchen, die weit verbreitet und für verschiedene Industrien wichtig sind.
Das Konzept der Dispersion
Einer der wichtigsten technologischen Parameter, der Stoffe und Materialien in verschiedenen Produktionsprozessen charakterisiert, ist ihre Feinheit. Es wird unbedingt bei der Auswahl von Geräten für die chemische Technologie, bei der Herstellung verschiedener Lebensmittelprodukte usw. berücksichtigt. Dies liegt nicht nur daran, dass mit einer Abnahme der Stoffteilchen die Oberfläche der Phasen zunimmt und die Geschwindigkeit ihrer Wechselwirkung zunimmt, sondern auch daran, dass sich in diesem Fall einige Eigenschaften des Systems ändern. Insbesondere steigt die Löslichkeit, die Reaktivität steigtSubstanzen nehmen die Temperaturen der Phasenumwandlungen ab. Daher wurde es notwendig, quantitative Eigenschaften der Ausbreitung verschiedener Systeme und in der Sedimentationsanalyse zu finden.
Je nachdem, wie sich die Partikelgrößen in der dispersen Phase verh alten, werden Systeme in monodisperse und polydisperse unterteilt. Erstere bestehen ausschließlich aus Partikeln gleicher Größe. Solche dispersen Systeme sind ziemlich selten und kommen in Wirklichkeit echten monodispersen sehr nahe. Andererseits ist die überwiegende Mehrheit der existierenden dispersen Systeme polydispers. Das bedeutet, dass sie aus unterschiedlich großen Partikeln bestehen und ihr Inh alt nicht gleich ist. Im Zuge der Sedimentationsanalyse disperser Systeme werden die Größen der sie bildenden Partikel bestimmt und anschließend deren Größenverteilungskurven erstellt.
Theoretische Grundlagen
Sedimentation ist der Prozess der Abscheidung von Partikeln, die die disperse Phase in gasförmigen oder flüssigen Medien unter Einwirkung der Schwerkraft bilden. Die Sedimentation kann rückgängig gemacht werden, wenn Partikel (Tröpfchen) in verschiedenen Emulsionen schwimmen.
Die auf kugelförmige Teilchen wirkende Schwerkraft Fg kann mit der hydrostatischen Korrekturformel berechnet werden:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, wobei ρ die Dichte der Materie ist; r der Teilchenradius ist; ρ0 – Flüssigkeitsdichte; g - Beschleunigungfreier Fall.
Die durch das Stokessche Gesetz beschriebene Reibungskraft Fη wirkt dem Absetzen von Teilchen entgegen:
Fη=6 π η r ᴠsed, wobei ᴠsed die Partikelgeschwindigkeit und η die Flüssigkeitsviskosität ist.
Irgendwann setzen sich die Teilchen mit konstanter Geschwindigkeit ab, was durch die Gleichheit der Gegenkräfte Fg=Fη erklärt wird, was bedeutet, dass auch die Gleichheit gilt:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Durch Transformation erh alten Sie eine Formel, die die Beziehung zwischen dem Partikelradius und seiner Absetzgeschwindigkeit widerspiegelt:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Wenn wir berücksichtigen, dass sich die Geschwindigkeit von Teilchen als das Verhältnis ihrer Bahn H zur Bewegungszeit τ definieren lässt, dann können wir die Stokes-Gleichung schreiben:
ᴠsat=N/t.
Dann kann der Radius des Teilchens mit der Zeit seines Absetzens durch die Gleichung in Beziehung gesetzt werden:
r=K √N/t.
Es ist jedoch erwähnenswert, dass eine solche theoretische Begründung der Sedimentationsanalyse unter einer Reihe von Bedingungen gültig ist:
- Feststoffpartikelgröße sollte zwischen 10–5 bis 10–2 liegen siehe
- Partikel müssen kugelförmig sein.
- Teilchen müssen sich mit konstanter Geschwindigkeit und unabhängig von benachbarten Teilchen bewegen.
- Reibung muss ein internes Phänomen eines Dispersionsmediums sein.
Aufgrund der Tatsache, dass echte Suspensionen oft enth alten sindPartikel, die sich in ihrer Form signifikant von kugelförmigen unterscheiden, führen das Konzept des äquivalenten Radius für die Zwecke der Sedimentationsanalyse ein. Dazu wird der Radius von hypothetischen kugelförmigen Partikeln aus dem gleichen Material wie die realen in der untersuchten Suspension und mit gleicher Absetzgeschwindigkeit in die Berechnungsgleichungen eingesetzt.
In der Praxis weisen Partikel in dispergierten Systemen eine heterogene Größe auf, und die Hauptaufgabe der Sedimentationsanalyse kann als Analyse der Partikelgrößenverteilung in ihnen bezeichnet werden. Mit anderen Worten, während der Untersuchung polydisperser Systeme wird der relative Geh alt verschiedener Fraktionen gefunden (eine Menge von Partikeln, deren Größe in einem bestimmten Intervall liegt).
Merkmale der Sedimentationsanalyse
Es gibt mehrere Ansätze zur Analyse dispergierter Systeme durch Sedimentation:
- Überwachung der Geschwindigkeit, mit der sich Partikel in einer ruhigen Flüssigkeit in einem Gravitationsfeld absetzen;
- Suspensionsbewegung für ihre anschließende Trennung in Fraktionen von Partikeln bestimmter Größe in einem Flüssigkeitsstrahl;
- Trennung von pulverförmigen Stoffen in Fraktionen mit bestimmten Partikelgrößen, durchgeführt durch Windsichtung;
- Überwachung der Setzungsparameter hochdisperser Systeme in einem Zentrifugalfeld.
Eine der am weitesten verbreiteten ist die erste Version der Analyse. Zur Durchführung wird die Sedimentationsrate nach einer der folgenden Methoden bestimmt:
- durch ein Mikroskop beobachten;
- Wiegen des angesammelten Sediments;
- Bestimmung der Konzentration der dispergierten Phase in einem bestimmten Zeitraum des Absetzvorgangs;
- Messung des hydrostatischen Drucks während des Absinkens;
- Bestimmung der Dichte der Suspension während der Absetzphase.
Fahrwerkskonzept
Unter
Suspensionen werden grobe Systeme verstanden, die aus einer festen dispergierten Phase, deren Teilchengröße 10-5 cm übersteigt, und einem flüssigen Dispersionsmedium bestehen. Suspensionen werden oft als Suspensionen von pulverförmigen Substanzen in Flüssigkeiten charakterisiert. Tatsächlich ist dies nicht ganz richtig, da Aufschlämmungen verdünnte Suspensionen sind. Die Partikel der festen Phase sind kinetisch unabhängig und können sich frei in der Flüssigkeit bewegen.
In echten (konzentrierten) Suspensionen, oft Pasten genannt, interagieren feste Partikel miteinander. Dadurch entsteht eine bestimmte räumliche Struktur.
Es gibt eine andere Art von dispergierten Systemen, die aus festen dispergierten Phasen und flüssigen Dispersionsmedien gebildet werden. Sie werden Lyosole genannt. Die Partikelgröße ist jedoch viel kleiner (von 10-7 bis 10-5 cm). In dieser Hinsicht ist die Sedimentation in ihnen unbedeutend, aber Lyosole sind durch Phänomene wie Brownsche Bewegung, Osmose und Diffusion gekennzeichnet. Die Sedimentationsanalyse von Suspensionen basiert auf ihrer kinetischen Instabilität. Dies bedeutet, dass Suspensionen durch zeitliche Variabilität von Parametern wie Feinheit und Gleichgewichtsverteilung von Partikeln in einem Dispersionsmedium gekennzeichnet sind.
Methodik
Die Sedimentationsanalyse wird mit einer Torsionswaage mit Folienbecher durchgeführt(Durchmesser 1-2 cm) und ein hohes Glas. Vor Beginn der Analyse wird der Becher in einem Dispersionsmedium gewogen, in ein gefülltes Becherglas getaucht und die Waage ausbalanciert. Gleichzeitig wird die Eintauchtiefe gemessen. Danach wird der Becher entfernt und schnell in ein Glas mit der Testsuspension gestellt, während er an den Haken des Schwebebalkens gehängt werden muss. Gleichzeitig startet die Stoppuhr. Die Tabelle enthält Daten zur Niederschlagsmenge zu beliebigen Zeitpunkten.
| Zeit seit Studienbeginn, s | Masse des Bechers mit Sediment, g | Sedimentmasse, g | 1/t, c-1 | Sedimentationsgrenze, g |
Zeichnen Sie anhand der Tabellendaten eine Sedimentationskurve auf Millimeterpapier. Die Masse der abgesetzten Partikel ist entlang der Ordinatenachse aufgetragen, und die Zeit ist entlang der Abszissenachse aufgetragen. In diesem Fall wird ein angemessener Maßstab gewählt, damit weitere grafische Berechnungen bequem durchgeführt werden können.
Kurvenanalyse
In einem monodispersen Medium ist die Absetzgeschwindigkeit der Partikel gleich, was bedeutet, dass das Absetzen durch Gleichmäßigkeit gekennzeichnet ist. Die Sedimentationskurve ist in diesem Fall linear.
Beim Absetzen einer polydispersen Suspension (was in der Praxis vorkommt) unterscheiden sich Partikel unterschiedlicher Größe auch in der Absetzgeschwindigkeit. Dies drückt sich in der Grafik in der Unschärfe der Grenze der Beruhigungsschicht aus.
Die Setzungskurve wird bearbeitet, indem sie in mehrere Segmente geteilt und Tangenten gezeichnet werden. Jede Tangente wird die Senkung einer separaten charakterisierenmonodisperser Teil der Suspension.
Allgemeine Vorstellung von der Partikelgrößenverteilung
Der quantitative Geh alt an Partikeln einer bestimmten Größe im Gestein wird üblicherweise als granulometrische Zusammensetzung bezeichnet. Einige Eigenschaften poröser Medien hängen davon ab, zum Beispiel Permeabilität, spezifische Oberfläche, Porosität usw. Anhand dieser Eigenschaften lassen sich wiederum Rückschlüsse auf die geologischen Bedingungen für die Bildung von Gesteinsvorkommen ziehen. Deshalb ist eine der ersten Phasen bei der Untersuchung von Sedimentgesteinen die granulometrische Analyse.
So wählen sie nach den Ergebnissen der Analyse der granulometrischen Zusammensetzung von Sand in Kontakt mit Öl Ausrüstung und Arbeitsverfahren in der Ölfeldpraxis. Es hilft, Filter auszuwählen, um zu verhindern, dass Sand in den Brunnen gelangt. Die Menge an Ton und kolloidal dispergierten Mineralien in der Zusammensetzung bestimmt die Absorptionsprozesse von Ionen sowie den Quellungsgrad von Gesteinen in Wasser.
Sedimentanalyse der granulometrischen Zusammensetzung von Gesteinen
Aufgrund der Tatsache, dass die Analyse disperser Systeme auf der Grundlage der Sedimentationsprinzipien eine Reihe von Einschränkungen aufweist, bietet ihre Verwendung in ihrer reinen Form für die granulometrische Untersuchung der Gesteinszusammensetzung nicht die erforderliche Zuverlässigkeit und Genauigkeit. Heute wird es mit modernen Geräten unter Verwendung von Computerprogrammen durchgeführt.
Sie ermöglichen die Untersuchung von Gesteinspartikeln aus der Startschicht, ermöglichen es Ihnen, die Anhäufung kontinuierlich aufzuzeichnenSediment, ohne Annäherung durch Gleichungen, messen Sie die Sedimentationsrate direkt. Und, nicht weniger wichtig, sie ermöglichen die Untersuchung der Sedimentation von unregelmäßig geformten Partikeln. Der Prozentsatz der Fraktion der einen oder anderen Größe wird vom Computer basierend auf der Gesamtmasse der Probe bestimmt, was bedeutet, dass sie vor der Analyse nicht gewogen werden muss.
