4. Экспериментальное исследование седиментации

Излагается содержание проведенных экспериментов по измерению скорости седиментации полидисперсной суспензии в тарельчатой центрифуге. Основными результатами таких экспериментов, на основании которых делаются большинство выводов о поведении частиц при седиментации, являются измеренные распределения частиц (в том числе и биологических макромолекул) по размерам во всех пробах. Особое внимание уделяется обнаруженному эффекту ускоренной седиментации мелких частиц.

1. Описание эксперимента.

Природные и промышленные воды содержат то или иное количество взвешенной фракции. Вне зависимости от места нахождения загрязненной воды, будь это природный водный объект или технологическое оборудование, происходит процесс седиментации, который ведет к отстаиванию (осветлению), т.е. отделению твердой фракции от жидкой, под действием массовых сил. В природе этот процесс ведет с одной стороны к очищению воды в водоемах, а с другой - к загрязнению дна и заиливанию. Такого рода проблемы стоят перед многими водными объектами в мире.

Используемая в настоящее время теория седиментации основана на формуле Стокса, которая справедлива для одиночной частицы.

Рис. 3. Лабораторная центрифуга

Реальные скорости осаждения могут значительно отличаться от стоксовской скорости, особенно для густой полидисперсной суспензии, что важно для промышленных аппаратов очистки воды. Это связано с тем, что частицы, движущиеся с разными скоростями и на большом расстоянии друг от друга, могут взаимодействовать между собой.

Целью данной работы является исследование процессов взаимодействия частиц и влияния этих процессов на седиментацию.

В экспериментах, рассматриваемых в рамках данной работы, применяется методика, которая основана на взятии проб седиментирующейся суспензии в выбранной точке используемого аппарата (тарельчатой центрифуге) в определенные моменты времени. Для определения скоростей частиц в полидисперсной суспензии достаточно измерить во взятых пробах распределение частиц по размерам и общую концентрацию твердой фазы.

Проблема, с которой приходиться сталкиваться при экспериментальном определении скорости седиментации, это очень медленное движение частиц в микрометровом диапазоне их размеров. Решение этой проблемы заключается в том, что частицы в центрифуге движутся к внешней стенке под действием центробежной силы, превышающей силу гравитации в десятки раз. Суспензия в целом при этом остается неподвижной. Применяя центрифугу можно проводить эксперименты с частицами размером меньше 1 мкм.

Принципиальная схема центрифуги изображена на рис.3. В проведенных экспериментах центробежная сила в раскрученной центрифуге превышает силу гравитации примерно 50 раз при скорости вращения 750 об/мин и радиусе центрифуги равной 8см.

Каждый эксперимент начинается с подготовки суспензии, которая заключается в отмере точных объемов жидкости (вода из под крана, рН=7,2) и твердого вещества (песок, с содержанием силиция 99% и плотностью р=2600 кг/м), так чтобы установить желаемую концентрацию суспензии.

После окончания процесса приготовления суспензии берется проба, у которой определяется исходная функция распределения диспергированных частиц по размерам. Далее суспензия как можно быстрее заливается в уже раскрученную центрифугу (рис.3), и сразу после того как заполнится весь объем, начинается отсчет времени и взятие проб через капилляры. В ходе эксперимента берется от 5 до 10 проб объемом 2 мл. Такого объема пробы достаточно для исследования суспензии на общую концентрацию твердой фазы и распределения частиц по размерам.

Экспериментальными данными, на основании которых делаются большинство выводов о поведении частиц при седиментации, являются измеренные распределения частиц (в том числе и биологических макромолекул) по размерам во всех пробах. Для получения этих значении используется прибор Маstersinzег 2000 фирмы Маlvern, принцип действия которого основан на измерении распределения интенсивности рассеянного лазерного луча, пропущенного через суспензию.

С помощью полученных данных можно наблюдать как в ходе эксперимента изменяется концентрация каждой фракции частиц размером d. С помощью формулы (16) можно вычислить скорость седиментации каждой фракции в каждый момент времени.

где - длина капилляра, - концентрация частиц рассматриваемойфракции, - момент времени взятия пробы.

Полученные значения скоростей частиц сравниваются со скоростями подсчитанными в соответствии с теорией Стокса.