1.3. Суспензии, их свойства. Седиментационный анализ суспензий

Суспензии представляют собой дисперсии порошков в жидкости с размерами частиц дисперсной фазы 10^-3 - 10^-5 см; наиболее грубодисперсные суспензии называются взвесями. К суспензиям относятся: увлажнённые почвы, известковые и цементные растворы и т.д. Суспензии седиментационно неустойчивы, т.е. происходит самопроизвольное выпадение в осадок частиц дисперсной фазы, в них не обнаруживают броуновского движения и осмотического давления, они одновременно поглощают и рассеивают свет, т.е. проявляют мутность и в проходящем свете и при боковом освещении.

Одной из наиболее важных характеристик суспензий и эмульсий является их полидисперсность, поэтому для теории и практики важно знать фракционный состав таких систем, то есть количественное распределение частиц по их размерам (радиусам).

Несмотря на относительно малое содержание частиц с коллоидными размерами в указанных выше системах, их присутствие во многом определяет физико-механические и реологические свойства таких систем. Это объясняется тем, что на фракцию частиц с коллоидными размерами приходится большая часть межфазной поверхности.

Учет и исследование этого фактора имеет большое значение при приготовлении и регулировании свойств дисперсных систем, применяемых в нефтепромысловом деле, а также при расчете и конструировании электродегидраторов, отстойных и очистных устройств. Знание распределения частиц породы по радиусам необходимо также для расчета запаса нефти в нефтяных коллекторах (определение свободного межпорового пространства).

Одним из важнейших методов исследования полидисперсных систем является седиментационный анализ, дающий возможность находить так называемую "функцию распределения", то есть определять содержание частиц в системе с заданными размерами.

Принцип седиментационного анализа состоит в измерении скорости осаждения частиц дисперсной фазы в какой-либо дисперсионной среде. В основе седиментационного анализа лежит закон Стокса, по которому сила трения F, возникающая при движении сферической частицы радиусом r со скоростью u в среде с вязкостью η, выражается уравнением

Если частица движется под действием силы тяжести и размеры её таковы, что она движется равномерно, то сила трения уравновешивает силу тяжести, действующую на частицу:

(11)

где ρ_ф и ρ_ср - плотность дисперсной фазы и дисперсионной среды соответственно, g - ускорение силы тяжести (9,81 м/с² ).

Из уравнения (11) получим

(12)

Закон Стокса выведен для равномерного движения сферических частиц в вязкой среде и применим к частицам, диаметр которых меньше 100 мкм, но больше 0,1 мкм, так как частицы, диаметр которых меньше 0,1 мкм, обладают заметным броуновским движением, а частицы с диаметром, большим 100 мкм, движутся равномерно и ускоренно.

Таким образом, закон Стокса применим к системам с низкой степенью дисперсности - суспензиям и эмульсиям.

Для данной дисперсионной среды и дисперсной фазы величины η, ρ_ф, ρ_ср постоянны. Тогда

(13)

. (14)

Так как скорость u = Н/τ, т. е. равна пройденному частицами расстоянию Н, делённому на время τ, то расчетной формулой для определения радиусов частиц будет

(15)