§ 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=Bυ 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