СЕДИМЕНТАЦІЯ, СЕДИМЕНТАЦІЙНО РІВНОВАГУ

Осадження або спливання частинок дисперсної фази під дією сили тяжіння називається седиментацією. Схильністю до седиментації мають частки досить великих розмірів. Явища седиментации особливо важливі для суспензій, застосування яких широко й різноманітно.

Багато дисперсні системи відрізняються седиментаційною нестійкістю, частинки дисперсної фази прагнуть спливти (зворотна седиментация) або осісти (пряма седиментация). Така поведінка частинок залежить від співвідношення їх щільності р і щільності дисперсійного середовища /? Q, розмірів частинок г, в'язкості середовища // і деяких інших умов.

Згідно із законом Стокса, виведеному на підставі аналізу сил, що діють на осаджувати частку, швидкість осідання (седиментації) частки дорівнює

де т - маса частинки; В - коефіцієнт в'язкого опору (тертя); g - прискорення вільного падіння.

У полідисперсних системах закон Стокса застосовується з рядом умов:

  • 1. Сталість швидкості осідання, яке забезпечують тільки частинки в діапазоні 0,1-100 мкм (великі осідають з прискоренням, менші - довго не осідають, беручи участь в дифузії);
  • 2. Сферична форма часток - дуже важко здійсненне умова, так як в подрібнених мінеральних речовинах частинки мають форму, в більшій чи меншій мірі отклоняющуюся від сферичної. Зазвичай в таких випадках говорять про ефективне (або еквівалентом) радіусі - гаком радіусі, який відповідає розміру сферичної частинки, що осідає з тією ж швидкістю, що і реальна частка. У деяких випадках необхідно враховувати реальний розмір (радіус) частки, вводячи поправочний коефіцієнт форми.
  • 3. Частинки повинні смачиваться рідиною і не мати на поверхні бульбашок повітря або плівок, частки не повинні агрегуватися.
  • 4. седиментації необхідно проводити в досить розведених суспензіях, щоб окремі частинки осідали незалежно від сусідніх, тобто концентрація суспензії не повинна перевищувати 0,5-1%.
  • 5. Швидкість не повинна перевищувати певної межі, щоб поблизу частки нс виникало турбулентних завихрень.

Коефіцієнт в'язкого опору в рівнянні (6.3) залежить від розміру і форми частинок дисперсної фази і в умовах ламінарної течії (при малій швидкості руху) для сферичної частинки з радіусом г визначається співвідношенням (6.2). З урахуванням цього формула Стокса приймає вид:

Висловивши масу частинок т через обсяг V і щільність (з урахуванням поправки Архімеда фактично це різниця щільності) у вигляді т = р-РЛ К, а обсяг, в свою чергу, через радіус (для сферичних

частинок V = 4 / Злг ^) для швидкості седиментації отримаємо

Потік осаждающихся частинок можна характеризувати щільністю / V, яка дорівнює добутку швидкості седиментації на часткову концентрацію = wv. Для седиментационного потоку справедливо вираз , сферичний

Потоком седиментации називається кількість речовини, яке під дією сили тяжіння проходить через площу в 1 м 2 в напрямку, перпендикулярному горизонтальній площадці. У седиментационном потоці градієнт концентрацій спрямований зверху вниз.

На осадження частинок високодисперсних систем істотно впливає дифузія. Далеко нс все частки в суспензіях осідають, дрібні частинки можуть перебувати в підвішеному стані як завгодно довго. Для мікрочастинок дисперсної фази седиментаційної потоку протистоїть дифузійної, швидкість якого підкоряється закону Фіка. Із закону Фіка можна отримати вираз для швидкості дифузії

в якому - градієнт часткової концентрації уздовж горизонтальної осі х (при розгляді дифузії вздовж вертикалі вісь замінюється з горізонгальной на вертикальну). Поділивши обидві частини рівняння на dS , отримуємо вираз для дифузійного потоку , до

торий спрямований знизу вгору.

Через певний час в золях може наступити момент, коли щільності потоків зрівняються, дифузний потік стане рівним СС діментаціонному і в системі встановиться дифузійно седиментаційно рівновагу:

Замінивши х на висоту І після невеликого перетворення, можна отримати рівняння:

яке після інтегрування набуде вигляду:

де і v, - часткова концентрація на висоті h = 0 і h.

Твір обсягу і різниці щільності дають ефективну масу частинки т е (з урахуванням архимедовой поправки): т е = V '(pp ^) 9 тому можна записати:

Всі варіанти представлених рівнянь є гіпсометричним закон Лапласа - Перрена. За таким законом розподіляється тиск в атмосфері Землі, тому іноді його називають барометричним. Закон Лапласа - Перрена зручний для розрахунків, коли в дисперсної системі йде активне осідання, проте строго виконується він тільки для мо- нодісперсних систем (для полідисперсних спостерігаються відхилення) з високим ступенем дисперсності.

Швидкість седиментації зростає зі збільшенням розмірів частинок, а швидкість дифузійних процесів зростає при зменшенні розмірів частинок, тому в грубодисперсних системах переважає седиментация, а в колоїдних - дифузія. кількісне співвідношення

між дифузійним і седиментаційним потоками в момент рівноваги характеризує поведінку частинок в дисперсних системах.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >