§ 4. Седиментация

§ 4. Седиментация
Седиментацией называется процесс оседания или всплывания частиц ДФ
(суспензии, порошки, аэрозоли). Оседание частиц ДФ называется прямой, а
всплывание – обратной седиментацией.
ДСр
ДФ
ДФ
ДСр
FСЕД<0
FСЕД>0
При ламинарном движении частиц ДФ возникает
сопротивление – сила трения, пропорциональная
скорости движения частиц ДФ.
FТР=Bυ
В начальный момент времени скорость движения частиц очень мала, и они
движутся ускоренно; по мере увеличения скорости движения частиц при
достаточно больших значениях коэффициента трения наступает момент,
когда сила трения сравнивается с силой, вызывающей седиментацию, при
этом F = 0 и скорость движения (оседания, всплывания) частицы
становится постоянной.
Закон Стокса
Сферические частицы
Постоянная скорость движения частицы при ее седиментации
пропорциональна квадрату радиуса частицы, разности плотностей частиц
ДФ и ДСр, и обратно пропорциональна вязкости ДСр. По такому закону
происходит оседание частиц в суспензиях, эмульсиях, аэрозолях.
Способность частиц ДФ к седиментации
выражают через константу седиментации,
определяемую скоростью седиментации
Для сферических частиц
Константа седиментации зависит как от размеров частиц, так и от природы фазы
[KСЕД]=Сб ( сведберг), 1 Сб = 10-13 с
Для частиц SiO2 в H2O (ρ = 2,7 г/см3, r = 10-5 м) SСЕД = 3,25 10-5 с = 32.5 МСб
r, мкм
υ, см/с
Время оседания частиц на
глубину 1 см
10
3.6 10-2
28 с
1
3.6 10-4
46,5 мин
0,1
3.6 10-6
77,5 ч
0,01
3.6 10-8
323 дня
0,001
3.6 10-10
89 лет
Скорость оседания в воздухе сферических частиц (ρ = 1,3 г/см3) при диаметре
частиц 90 мкм составляет 63.5 см/с, при диаметре 10 мкм – 0,9 см/с
Для ускорения седиментации частиц ультрамикрогетерогенных систем
процесс проводят не в гравитационном, а в центробежном поле
(центрифуга: Думанский, Сведберг)
(x2-x1) – расстояние, пройденное частицами ДФ (смещение границы «золь - ДСр»)
=2 - круговая частота
 - число оборотов центрифуги в секунду
§ 5. Применение седиментационного анализа для
определения размеров частиц дисперсной фазы
Принцип седиментационного метода анализа дисперсности заключается в измерении
скорости оседания частиц (ДФ), обычно в жидкой среде (ДСр). По скорости оседания с
помощью соответстсвующих уравнений рассчитывают размеры частиц. Кроме этого
можно установить распределение частиц по размерам, а также найти их удельную
поверхность
Седиментационный метод анализа в
гравитационном поле применим для ДС с
Моно- и полидисперсные системы
размером частиц ДФ в диапазоне 10-4-10-7 м
Чтобы уравнения седиментации отдельной частицы были применимы для
описания ансамбля частиц ДС (всей совокупности частиц ДС), необходимо
выполнение условия независимости движения всех частиц
Данное условие выполняется в разбавленных ДС; кроме этого, иногда
следует применять стабилизаторы, предотвращающие слипание частиц
h
h
Осветление
Взвешивание
h – первоначальная высота
столба суспензии (расстояние от
поверхности суспензии до (дна)
чашки весов)
m0 – общая масса ДФ
m0/h – масса ДФ в объеме,
приходящемся
на
единицу
высоты столба
m
Монодисперсная система
m0
m
tg=(m0/h)

0


В полидисперсных системах частицы оседают с различными скоростями, поскольку они
имеют неодинаковые размеры. В основу дисперсионного седиментационного анализа
полидисперсных систем положено представление о том, что системы состоят из
нескольких фракций, которые можно рассматривать как отдельные монодисперсные
системы
Полидисперсная система
Участок ОА’
Участок А’B’
Уравнение Одена
Полидисперсная система
Уравнение Одена
Полидисперсная система
§ 6. Диффузионно-седиментационное равновесие
Седиментации частиц в ДС, очевидно, препятствует их диффузия. В грубо- и
среднедисперсных
системах
диффузия
выражена
слабо,
тогда
как
в
ультрамикрогетерогенных системах ее нельзя не учитывать
седиментация
iсед
диффузия
iдиф
УМГ
iдиф >> iсед
МГ
iдиф << iсед
В золях через определенное, иногда очень длительное, время может наступить
момент, когда iдиф = iсед. Говорят, что при этом в системе наступает
диффузионно-седиментационное равновесие.
Гипсометрический закон Лапласа
Барометрическая формула Лапласа
Устойчивость дисперсных систем к осаждению (седиментационная
устойчивость) может обеспечиваться различными факторами : КСУ, ТСУ
Мерой кинетической седиментационной устойчивости (КСУ) является величина,
обратная константе седиментации
Термодинамическая
седиментационная
устойчивость
(ТСУ)
обусловлена
статистическими законами диффузии и непосредственно связана с седиментационнодиффузионным равновесием. Мерой ТСУ является гипсометрическая высота he, на
которой концент рация частиц ДФ изменяется в e раз