книги из ГПНТБ / Мяздриков О.Я. Дифференциальные методы гранулометрии

ВВЕДЕНИЕ

Решение широкого круга задач как чисто научного плана, так п непосредственно прикладных по тем или иным техническим или технологическим вопросам свя­ зано с использованием дисперсных систем. Последние являются или естественным продуктом, или продуктом,

степень дисперсности. Например, совсем недавно потреб­ ности техники и технологии производства удовлетворя­ лись нижним пределом по размерам порядка I—10 мкм, а сейчас этот предел понижен до 10~'—Ю- 2 мкм. Одно­ временно разнообразятся и условия, при которых ис­ пользуются дисперсные системы, что связано с непре­ рывным усложнением задач, возникающих при их ис­ пользовании. Этому способствует и общая тенденция все более широкой автоматизации технологических процес­ сов как средства повышения качества при одновремен­ ном увеличении эффективности. Не менее существен .и

и вибрационные мельницы) и методы, обеспечивающие тонкое измельчение самых различных материалов (на­ пример, конденсационный метод, метод термического распыления и др.).

Необходимо отметить, что высокодисперсные мате­ риалы могут быть и побочными продуктами, загрязняю­ щими окружающую среду. Запыление рабочих помеще­ ний и атмосферы в целом, загрязнение водоемов — одна из актуальных проблем сегодняшнего дня. Она непо­ средственно связана не только с возникновением част­ ных трагических ситуаций или преждевременным выхо­ дом из строя тех или иных механизмов, но представля­ ет собой проблему, вышедшую за национальные рамки и потребовавшую международных соглашений.

Любая дисперсная система наиболее полно может быть охарактеризована гранулометрическим (дисперс­ ным) составом. Эта характеристика является важней­ шей со всех точек зрения. Действительно, применитель­ но к производственной практике градация частиц по степени измельчения в той или.ином дисперсной систе-

4

ме определяет особенности их физико-химических свойств, а следовательно, и технологичность в той или иной области использования.

Таким образом, анализ гранулометрического состава дисперсных систем является широкой и актуальной за­ дачей, чем и объясняется то внимание, которое ему уде­ ляется как в отечественной, так и зарубежной научной литературе. В связи с этим следует упомянуть, что за последние двадцать лет состоялись четыре научные кон­ ференции, две из которых были проведены в СССР.

Первоначально гранулометрия основывалась на ин­ тегральных методах: ситовом, седиментометрическом и их различных модификациях, т. е. на методах, в кото­ рых градация по степеням измельчения получается на основании информации по некоторой совокупности час­ тиц как доли от их генеральной с о в о к у п н о с т и Т а к а я направленность не являлась случайной и отображала уровень технических возможностей промышленности на тот период.

Последующие усложнения задач гранулометрии при­ вели к разработке новых методов, основанных на пре­ образовании информации о размере каждой отдельной частицы в электрический сигнал. В этом случае грану­ лометрический анализ сводился к кругу задач, решае­ мых при измерении неэлектрических величин электриче­ скими методами. Это предопределило не только широ­ кое использование радиоэлектронных устройств, но и в свою очередь, поставило некоторые дополнительные за­ дачи перед электроникой.

Первая попытка обобщения материалов, основанных на новых методах, была сделана автором.2 Отдельные вопросы по исследованию распределения частиц на осно-

числения характеристик гранулометрического состава. М., Металлургиздат, 1959.

2 Электрические методы объемной гранулометрии. М., «Энергия»,

5

мерам бактерий и т. д. В результате был разработан кондуктометрический метод, позволивший получить ин­ формацию о размерах каждой частицы на основании данных по ее трем измерениям. Метод обеспечивал пре­ образование размера в электрический импульс, высота которого несла необходимую информацию. Он позволил широко использовать средства радиоэлектроники, обес­ печил высокую скорость собственно анализа.

Однако утверждать, что этот метод универсален и может быть отнесен к категории экспресс-методов не представляется возможным. В связи с этим достаточно указать на обязательность такого этапа, как приготов­ ление пробы для анализа. Технология этого этапа от­ носительно несложна в случаях, когда для данной ана­ лизируемой системы характерно образование суспензий. Но для подавляющего большинства веществ приходит­ ся принимать специальные меры по стабилизации и дез­ агрегированию создаваемой суспензии.

В связи со сказанным становится очевидной необхо­ димость в широких и планомерных попытках изыскания новых принципов гранулометрического анализа и их ап­ паратурных реализаций. Основным, руководящим сооб­ ражением в этой работе должно быть требование воз­ можности проведения анализа дисперсной системы без каких-либо предварительных операций по изменению ее состояния. Например, если для системы характерно состояние порошка, то именно в таком состоянии и дол­ жен вестись гранулометрический анализ.

Очевидно, что такой подход при прочих равных усло­ виях позволяет рассматривать соответствующие методы как приближающиеся к экспресс-методам и допускает, что не менее важно, их последующее использование для целей автоматизации технологических процессов.

Такая постановка вопроса предъявляет достаточно жесткие требования к первичному преобразователю или датчику, особенно при анализе субдисперсных систем, ограничивая круг решаемых задач. При этом, кроме очевидного требования высокой чувствительности, необ­ ходимо обеспечить и достаточно низкий уровень собст­ венных шумов, т. е. стремиться к максимальному увели­ чению отношения сигнал/шум.

К принципам из числа разработанных за последнее время, которые в значительной степени удовлетворяют этим требованиям, может быть отнесен принцип опти-

7

ческой развязки, но его аппаратурная реализация не вышла из стадии единичных макетов лабораторного ис­ полнения. Как кондуктометрпческнй принцип, так и принцип оптической развязки приводит к нелинейной за­ висимости размера зарегистрированной частицы от вы­ соты импульса. Наличие степенной зависимости с пока­ зателем степени 2 пли 3 приводит к расширению дина­ мического диапазона сигналов. Последнее далеко не безразлично для таких электронных устройств, как уси­ лители и амплитудные анализаторы. Действительно, если учесть, что узкоднсперсные системы — это исклю­ чение, то диапазону размеров в условных единицах 102 соответствует диапазон амплитуд, охватывающий шесть порядков. Если необходимо иметь информацию о рас­ пределении по размерам, то соответствующие усилитель­ ные устройства должны иметь амплитудную характери­ стику, аппроксимируемую обратностепенпоп зависи­ мостью. Создание таких усилителей, это можно утвер­ ждать с полным основанием, было обусловлено задача­ ми, которые поставил гранулометрический анализ перед радиоэлектроникой.

Разработка новых методов гранулометрического ана­ лиза — дифференциальных методов, при которых инфор­ мация о составе анализируемой пробы вырабатывается на основании совокупных данных по каждой из частиц, заставляет по-новому подойти и к некоторым положе­ ниям теории гранулометрического анализа. Это относит­

Широкое внедрение различных методов дисперсного анализа в практику заставляет подумать о метрологи­ ческом обеспечении данного вида измерений. И не толь­ ко в техническом аспекте, но и в законодательном пла­ не. Производя анализ, используют ту или иную методику, ту или иную аппаратуру, но сопоставимость соответст­ вующих результатов и единство в этой области измере­ ний пока не обеспечены. По-видимому, к этому вопросу должна быть привлечена метрологическая служба

СССР, так как только в этом случае будет обеспечено получение согласуемых между собой результатов. Сам же гранулометрический анализ легко увязывается с за­ дачей измерения массы или длины, т. е. с тем или иным эталоном.

8

I

1. ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Диспергирование твердых тел, как правило, приводит к образованию порошковых систем, включающих части­ цы, размеры которых находятся в широких пределах. Таким образом, в общем случае диспергирование обус­ ловливает образование полидисперсных систем. Моно­ дисперсные системы — явление достаточно редкое не только в технической практике, но и в природе.

Прежде чем начать рассмотрение полндисперсных систем, необходимо дать некоторые определения основ­ ным терминам. Это вызвано тем, что в литературе име­ ют место известные разночтения. Основными термина­ ми, определение которым следует дать, являются сле­ дующие: первичная частица, вторичная частица, объем частицы, линейный размер частицы, форма частицы и дисперсность.

Под первичной частицей будем понимать объем твер­ дой фазы, поверхность раздела которой с окружающей газообразной или жидкой фазой фиксирована. Это ус­ ловие предопределяет возникновение между частицами контактов, в области которых энергия достаточно мала. Во всяком случае эта энергия связи не сказывается сколь-либо существенным образом на свойства совокуп­ ности первичных частиц.

По мере увеличения степени измельчения частиц, а также под действием некоторых других факторов, на­ пример интенсивных механических воздействий, приво­ дящих к увеличению площади контактов между части­ цами, нелинейно возрастает энергия связи в области контактных поверхностей и возникают более крупные об­ разования. Эти совокупности первичных частиц в ряде случаев проявляют себя как единые частицы, хотя они неоднородны по строению и менее прочны. Такие сово­ купности следует рассматривать как вторичные частицы, или агрегаты.

9