5.1. Теоретические основы седиментационного анализа

Рассмотрим движение твердой частицы шарообразной формы в жидкости. Силой, вызывающей ее оседание, является вес этой частицы:

где m – масса частицы, кг; g – ускорение свободного падения, 9,8 ; R – радиус частицы, м; d_T – плотность частицы, .

Потеря в весе частицы, находящейся в жидкости, по закону Архимеда составляет:

где d_Ж – плотность жидкости.

Следовательно, сила, под действием которой оседает частица в жидкой среде:

(5.1)

Вначале движение частицы происходит с ускорением, однако она испытывает силу сопротивления (f₁), которая определяется по закону Стокса:

(5.2)

где η – вязкость жидкости, Пас; V – скорость движения частицы, .

После выравнивания этих сил частица движется равномерно с постоянной скоростью (V) определив которую легче найти радиус частицы:

или

Отсюда:

(5.3)

Необходимо только иметь в виду, что определение радиуса по уравнению (5.3) дает не действительную величину, а лишь некоторый эффективный радиус, соответствующий радиусу сферической частицы того же вещества, оседающей с той же скоростью. Такой радиус называется эквивалентным.

Экспериментальная часть

Этот метод основании на непосредственном определении веса осадка на чашечке, торзионных весов (рис. 5.1.). Прежде чем приступить к работе, устанавливают весы по уровню посредством опорных винтов 1,2. Затем освобождают коромысло весов 3 передвижением вправо арретира 4 и устанавливают стрелку - указатель 5 на 0 с помощью рычага 6. Равновесное состояние весов соответствует положению рамки - указателя равновесия 7 против черты равновесия 8. Если при передвижении стрелки - указателя 5 на 0 указатель равновесия не находится против черты равновесия, то его приводят к этому положению посредством винта 9. Затем, повернув арретир 4 влево, закрепляют коромысло.

Рис. 5.1. Установка для седиментационного анализа суспензий с торзионными весами

Для приготовления суспензии навеску исследуемого порошка помещают в фарфоровую ступку и перемешивают с водой, после чего переносят в стакан, который наполняют до метки дистиллированной водой. Перед опытом производят перемешивание суспензии с помощью стеклянной палочки, на конце которой прикреплен резиновый диск. Движением стеклянной палочки вверх и вниз достигают равномерного распределения частиц суспензии по всему объему. Перемешивание ведут в течение 3-5 минут. После перемешивания суспензии ставят стакан у торзионных весов (рис. 5.1) и быстро погружают в него чашечку, подвешивая ее на крючок коромысла 10. Одновременно с погружением чашечки включают секундомер. Освободив коромысло 3 передвижением арретира 4, замечают отклонение указателя равновесия от равновесного положения. Первый отсчет производят через 30с. Для этого посредством рычага 6 передвигают стрелку-указатель 5 влево до тех пор, пока указатель 7 не будет находится против черты равновесия 8. По мере накопления осадка на чашечке указатель равновесия смещается влево, и во время отсчетов его возвращают снова в равновесное положение.

В начале опыта отсчеты в первые две минуты производят через 30с., а затем через одну минуту. Отсчет ведут до постоянного веса, обычно, в течение 20-30 минут. Перед опытом следует определить вес чашечки в воде. Для этого перед опытом в стакан до метки наливают воду и, погрузив чашечку, отмечают показания торзионных весов. (р₀), одновременно измеряя глубину погружения чашечки (h).

Данные опыта записывают в виде следующей таблицы.

Таблица

№№	Время от начала опыта, τ, с	Вес чашечки с осевшими на ней частицами (Р + Р0), мг	Вес частиц, осевших на чашечке, Р, мг	Привес Q, %
1	30
2	60
3	90
4	120
5	180

Приняв постоянное значение веса частиц (р) за 100%, рассчитывают количество порошка Q (%), осевшего за каждый интервал времени τ. Затем строят кривую седиментации в координатах Q = f (τ). Естественно, что в начальный момент времени оседают частицы наибольшего размера (прямолинейный участок кривой), затем более мелкие. В реальной полидисперсной системе задача сводится к установлению количественного распределения частиц дисперсной фазы, по размерам, т.е. построению кривой распределения частиц по радиусам. Для этого кривую сидиментации дифференцируют по радиусам и строят кривую распределения в координатах .