Методичка з Фіз.хімії з Лр

СЕДИМЕНТАЦІЯ В ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМАХ.

Незалежно яким способом та за яких умов отримана дисперсна система, її частинки, зазвичай, мають різні розміри. Від розмірів частинок залежать їх фізико-хімічні властивості: тиск насиченої пари, розчинність, температура плавлення, змочування та ін. Тому дані про дисперсність речовини необхідні при розв’язанні багатьох виробничо-технічних та наукових проблем. Визначення розмірів частинок полідисперсної системи та їх розподілу за розмірами є завданням дисперсійного аналізу. Один з методів дисперсійного аналізу оснований на явищі седиментації.

Седиментація (від лат. sedimentum – осідання) - осідання або спливання частинок дисперсної фази (твердих крупинок, краплинок рідини, бульбашок газу) в рідкому або газоподібному дисперсійному середовищі в гравітаційному полі або у полі відцентрових сил. Седиментація відбувається тоді, коли направлений рух частинок під дією сили тяжіння або відцентрової сили переважає над хаотичним тепловим рухом частинок (броунівський рух, дифузія). Швидкість седиментації залежить від маси, розміру і форми частинок, в’язкості і густини середовища, а також від прискорення, що виникає при дії на частинки сил поля.

Седиментаційний аналіз - сукупність методів визначення розмірів частинок в дисперсних системах за швидкістю їх осідання та за параметрами седиментаційно дифузійної рівноваги.

Седиментаційний аналіз в гравітаційному полі застосовують для грубодисперсних систем (суспензій, емульсій, порошків) з розмірами частинок 10-4-10-6 м. Для частинок менших розмірів, та в тому випадку, коли густини дисперсної фази та дисперсійного середовища мало відрізняються, використовують седиментацію у відцентровому полі.

Більшість методів седиментаційного аналізу базуються на застосуванні закону Стокса, згідно якого сила опору (FT) рухові сферичної частинки в рідині описується залежністю:

де B= 6 r- коефіцієнт тертя;- в’язкість рідини;

r - радіус частинки;

u - швидкість руху частинки.

Якщо частинка осідає в полі земного тяжіння, то силою (FC), що викликає її рух, є різниця між вагою частинки (m∙g) та Архімедовою силою (FA):

31

де V - об’єм частинки;

g - прискорення сили тяжіння;- густина частинки;

o - густина дисперсійного середовища.

На початку осідання частинка рухається прискорено. Згодом, із зростанням швидкості руху частинки, опір середовища, згідно рівняння (25), зростає, а прискорення зменшується до нуля і частинка продовжує осідати, але вже з постійною швидкістю. З цього часу сила опору середовища зрівнюється за величиною з силою, що викликає осідання:

FT=FC

або

Звідси, швидкість осідання сферичної частинки :

32

З рівняння (30) видно, що швидкість осідання залежить від розмірів частинок, в’язкості середовища та різниці густин частинок і середовища. Якщо густина частинок більша за густину середовища, то вони осідатимуть, якщо ж більшою є густина середовища, то частинки будуть спливати - характерна для емульсій зворотна седиментація.

Закономірності осідання окремої частинки справедливі для дисперсної системи в цілому, якщо виконується принцип незалежності руху частинок. Тому седиментаційний аналіз проводять для малоконцентрованих дисперсних систем (не більше 1-2%).

Рис. 13.Седиментаційна крива монодисперсної системи

У монодисперсній системі швидкість осідання однакових за розміром частинок однакова, а отже, маса осаду буде зростати пропорційно часу осідання і залежність m=f( ) буде прямою (рис. 13).

При осіданні частинок полідисперсної системи частинки різних розмірів будуть проходити за однаковий час різну відстань і седиментаційна крива буде мати вигляд (рис.14).

Рис. 14. Седиментаційна крива полідисперсної системи

33

занурюють в циліндр з водою і підвішується на вазі, для визначення її маси у воді mо та максимально можливого шляху, що можуть проходити частинки при осіданні h (відстань від поверхні води до тарілочки).

Після цього ретельно перемішують суспензію, занурюють в неї тарілочку та підвішують останню на вазі. Момент занурення тарілочки вважається початком експерименту. Зважування тарілочки роблять через 2, 4, 6, 8,10, 12, 16, 24-30 хвилин від початку експерименту. Дослід припиняють коли на протязі 10 хвилин вага тарілочки з осадом змінюється не більше ніж на 2-3 мг. Результати зважування тарілочки разом з порошком, що осів на неї (mбр) заносять в табл.7.

Обробка отриманих результатів

(див. також Додаток)

1.Розраховують масу порошку m, що осів за кожний інтервал часу mі= mбр - mо

2.За отриманими даними будують графік m=f(τ) (рис. 14).

3.На отриманому графіку:

3.1.Проводять пряму, що співпадає з початковою ділянкою кривої. З точки її відриву від кривої опускають перпендикуляр на вісь часу та визначають час осідання найкрупніших частинок

суспензії τmin.

3.2.На седиментаційній кривій довільно вибирають 6-8 точок і проводять через них дотичні до кривої. На перетині дотичних з віссю ординат знаходять масу фракції (mі ), що осіла за даний

час. Отримані значення mі та час τі, що їм відповідає записують в табл. 8.

4.Для знаходження граничного значення седиментаційної кривої (m ) будують криву в координатах /m=f( ) і продовжують її лінійну ділянку то перетину з віссю ординат. Граничну масу та час осідання половини суспензії знаходять виходячи з лінійної форми рівняння

Для спрощеного розрахунку можна прийняти за m останнє виміряне значення маси осаду.

5.Розраховують масову частку осаду, що осів за певний проміжок часу xi= (mі /m )∙100%.

35

6.За рівнянням (32) знаходять К і, використовуючи значення часу отримані в п. 3.2, розраховують радіус частинок суспензії за формулою (31) та заносять в табл.8.

7.Будують інтегральну криву розподілу частинок за розмірами в координатах x=f(r), відмічають на ній rmin , rmax та розбивають проміжок між ними на кілька (6-8) рівних відрізків Δr. Отримані значення rі та визначені з графіка хі, що їм відповідають записують в табл.9.

8.Розраховують масові частки окремих фракцій осаду хі , як різницю між значенням хі та хі-1 та хі/ rі . Отримані величини заносять в табл.9.

9.На графіку в координатах хі/ rі= f(r) відкладають значення хі/ rі, що відповідають сусіднім значенням радіусів rі rі. Через середини отриманих прямокутників проводять плавну криву – диференційну криву розподілу частинок за розмірами.

10.У висновку відмічають, фракція якого розміру переважає в даній суспензії (порошку).

Таблиця 6

Результати вимірювань та дані для побудови кривої осідання і знаходження m

Таблиця 9

Дані для побудови диференційної кривої розподілу

Контрольні питання

1.Який процес називається седиментацією?

2.Що таке седиментаційна стійкість колоїдної системи?

36

3.Які системи називаються седиментаційно нестійкими?

4.Які дані необхідно мати для розрахунку радіуса частинок, що осідають?

5.Які параметри колоїдної системи можна розрахувати за допомогою седементаційного аналізу?

6.Що розуміють під терміном “монодисперсна система”, “полідисперсна система”?

7.Як за швидкістю седиментації колоїдної частинки розрахувати її розмір?

8.Від яких факторів залежить швидкість осідання частинки дисперсної фази?

9.Зобразіть криві седиментації монодисперсної, бідисперсної та полідисперсної колоїдних систем.

10.Зобразіть диференційні криві розподілу для монодисперсної та полідисперсної систем.

11.Для яких дисперсних систем використовують седиментаційний аналіз в полі земного тяжіння?

12.Для яких дисперсних систем застосовують седиментацію у відцентровому полі?

13.За якої умови спостерігається зворотна седиментація – спливання частинок ?

37

ДОДАТОК

Методичні вказівки до обробки результатів лабораторної роботи №6 «Дисперсійний аналіз порошків методом седиментації»

Таблиця 7а

Результати вимірювань та дані для побудови кривої осідання і знаходження m

38

(спрощений варіант). Проводимо дотичні до кривої та знаходимо пари значень τi–mі і заносимо в табл. 8а.

Приймаємо: ρкрейди=2200 кг/м3, ηН2О=1*10-3 Па*с ; висота стовпа суспензії від поверхні до тарілочки з осадом h=11 см = 0,11 м та розраховуємо К і радіус

частинок rі , що осіли за час τi. Розраховуємо їх масову частку

xi= (mі / m )∙100%.

Таблиця 8а

Дані для побудови інтегральної кривої розподілу

39

40