§ 4. Седиментация

1. § 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

2. 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

3. 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

4. Константа седиментации зависит как от размеров частиц, так и от природы фазы [KСЕД]=Сб ( сведберг), 1 Сб = 10-13 с Для частиц SiO2в H2O (ρ=2,7 г/см3, r = 10-5 м)SСЕД = 3,25 10-5 с = 32.5 МСб Скорость оседания в воздухе сферических частиц (ρ= 1,3г/см3) при диаметре частиц 90 мкм составляет 63.5 см/с, при диаметре 10 мкм – 0,9 см/с

5. Для ускорения седиментации частиц ультрамикрогетерогенных систем процесс проводят не в гравитационном, а в центробежном поле (центрифуга: Думанский, Сведберг)

6. (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 размером частиц ДФ в диапазоне 10-4-10-7 м Моно- и полидисперсные системы

7. 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 – 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 h h Взвешивание Осветление

8. 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

9. Полидисперсная система Участок ОА’ Участок А’B’ Уравнение Одена

10. Полидисперсная система Уравнение Одена

11. Полидисперсная система

12. § 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 УМГ iдиф>> iсед МГ iдиф<< iсед диффузия iдиф

13. 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

14. 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 седиментационно-диффузионным равновесием. Мерой ТСУ является гипсометрическая высота he,на которой концент рация частиц ДФ изменяется в eраз