5.3. Седиментаційна (кінетична) стійкість

Здатність дисперсної системи зберігати рівномірний розподіл часток по всьому об’єму прийнято називати седиментаційною чи кінетичною стійкістю системи.

Швидкість седиментації часток у дисперсійному середовищі колоїдної системи (V). визначається за рівнянням (5.10):

V (5.10)

де: r – радіус частки; η – в'язкість дисперсійного середовища; ρ і ρ₀ – щільність дисперсної фази і дисперсійного середовища відповідно.

Рівняння справедливе для суспензій з частками розміром (0,1-100)10^-6 м (0,1-100 мкм). Частки з діаметром δ  100 мкм осідають прискорено, а для часток з δ < 0,1мкм інтенсивність броунівського руху превалює над швидкістю седиментації під дією сил гравітації.

Як ілюстрацію впливу розміру часток на швидкість осідання нижче наведені швидкості седиментації сферичних часток кварцу у воді залежно від їхнього радіуса (щільність кварцу ρ = 2750 кг/м³) (табл. 5.1).

Таблиця 5.1

Радіус часток, см	10-3	10-4	10-5	10-6	10-7
Швидкість седиментації, см/с	3,2∙10-2	3,2∙10-4	3,2·10-6	3,2 ∙ 10-8	3,2 ∙ 10-10
Час, необхідний для осідання часток на відстань у 1см	31 с	51,7 хв	86,2 год	359 днів	100 років

На рівноважний розподіл часток у системі впливають незначні поштовхи і струси, а також неоднакова температура в різних ділянках золю, що приводить до утворення в системі конвекційних потоків. Розрахунки показують, що досить, наприклад, коливань температури на 0,001°С в 1 годину, щоб седиментація у високодисперсному золі золота була цілком виключена.

У монодисперсній системі швидкість осідання однакових за розміром часток однакова, відстоювання буде відбуватися рівномірно. Швидкість седиментації монодисперсної суспензії можна визначити, спостерігаючи за осіданням якої-небудь однієї з її часток у мікроскоп. Таким чином, у монодисперсній системі висота освітлюваної рідини пропорційна часу відстоювання. При цьому межа розподілу концентрованої суспензії і прозорого середовища буде зміщуватися на деяку відстань. Тоді швидкість осідання відповідає рівнянню (5.11):

V = H / t (5.11)

а радіус частинок описується – рівнянням (5.12):

r = К (5.12)

де: (5.13)

Із рівняння (5.13) легко обчислити радіус частинок суспензії за результатами вивчення її осідання візуально.

При відстоюванні полідисперсної суспензії на відміну від монодисперсної границя осідаючого шару виявляється розмитою, тому що частки, що мають різні радіуси, проходять за однаковий час різні шляхи. Тому седиментаційний аналіз полідисперсної системи зводиться до визначення швидкості накопичення осаду.

Способи встановлення залежності між масою осадку, що випав, і часом осідання, що графічно зображують у вигляді седиментаційних кривих, розглянуто в практикуму по курсу “Фізична хімія і хімія силікатів”. Седиментаційна крива характеризує вміст часток різного розміру в полідисперсній системі. За результатами обробки седиментаційної кривої, звичайно зображують діаграму (рис. 5.9, пунктир) , а по ній креслять криву розподілу (жирна лінія).

Згідно з цією діаграмою масовий вміст кожної фракції (ІІ…V) відповідає площі прямокутника .

Рис. 5.9. Крива розподілу частинок дисперсної фази полідисперсної системи