1. Седиментация

Седиментация – процесс самопроизвольного осаждения или всплытия нерастворимых в воде веществ. Этот метод применяют для очистки воды от грубодисперсных примесей. Растворы с такими примесями называют суспензиями, взвесями, эмульсиями и др.

Суспензии представляют собой неоднородные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней частиц разного размера от 0,1 до 100 мкм. Суспензии характеризуются: соотношением масс жидкой и твердой фаз, объемной долей твердой фазы, а также плотностью и вязкостью. Рассмотрим эти параметры суспензий.

Соотношение масс жидкой и твердой фаз (Ж:Т) может быть выражено через массовую долю твердой фазы в суспензии:

n = Ж:Т = ,

(1.1)

где n – соотношение масс жидкой и твердой фаз;

х – массовая доля твердой фазы в суспензии;

1 – х – массовая доля жидкой фазы в суспензии.

Объемная доля твердой фазы в суспензии (v_тв) равна отношению объема твердой фазы (V_тв) к объему суспензии (V_с):

Vтв = , или Vтв = ,

(1.2)

где _с – плотность суспензии;

_тв – плотность твердой фазы в суспензии.

Плотность суспензии _с определяют исходя из того, что объем суспензии равен сумме объемов составляющих ее твердой и жидкой фаз:

Vс = Vтв + Vж, или ,

с = = ,

(1.3)

где _ж – плотность жидкости.

Вязкость суспензии определяется в зависимости от вязкости жидкости и объемной доли твердой фазы. Она не зависит от размера твердых частиц. Вязкость определяется по формуле

с = о(1 + 4,5 Vтв),

(1.4)

где _с – вязкость суспензии;

_о – вязкость жидкой фазы;

V_тв – объемная доля твердой фазы в суспензии.

В процессе разделения суспензий (седиментации) образуется влажный осадок, который также характеризуется соотношением масс жидкой и твердой фаз (n_ос):

nос = , или nос =

(1.5)

где  – влажность осадка, %;

 – массовая доля жидкой фазы в осадке (в относительных единицах).

Основной движущей силой в процессе седиментации является сила тяжести, которая определяет скорость осаждения твердых частиц. Скорость осаждения твердых частиц в суспензии зависит от многих факторов: концентрации твердой фазы, формы частиц (шарообразные или нешарообразные), эквивалентного диаметра их, плотности частиц и жидкости, а также вязкости жидкой фазы.

Скорость свободного осаждения шарообразных частиц в ламинарном потоке определяется по формуле

,

(1.6)

где ₀ – скорость осаждения, м/с;

d_ч – диаметр частиц, м;

g – ускорение свободного падения, м/с² (9,81);

_тв, _ж – плотность соответственно частиц и жидкости, кг/м³;

₀ – вязкость жидкости, Нс/м².

Скорость осаждения нешарообразных частиц (₀) меньше, чем шарообразных и ее приближенно можно считать равной

0 = 0,750.

(1.7)

Пример 1. Найти плотность, вязкость суспензии и объемную долю твердой фазы, если массовое соотношение жидкой и твердой фаз в суспензии Ж:Т = 6,7. Плотность твердой фазы _тв = 3200 кг/м³, плотность и вязкость жидкой фазы соответственно _ж = 1000 кг/м³, ₀ = 0,001 Нс/м².

Решение:

1) определяем массовую долю твердой фазы по формуле (1.1):

n = Ж:Т = = 6,7,

отсюда: х = 0,13 (13%);

2) находим плотность суспензии по уравнению (1.3):

с = = = 1100 кг/м3;

3) объемная доля твердой фазы по формуле (1.2):

Vтв =

4) находим вязкость суспензии по формуле (1.4):

с = 0(1 + 45 vтв) = 0,001 Нс/м2 (1+ 4,50,0447)  0,0012 Нс/м2