Settimismeetodi analüüsimeetodi põhiolemus on mõõta osakeste settimise kiirust (peamiselt vedelast keskkonnast). Ja settimiskiiruse väärtusi kasutades arvutatakse nende osakeste suurused ja nende eripind. Selle meetodiga määratakse mitut tüüpi dispergeeritud süsteemide, näiteks suspensioonide, aerosoolide, emulsioonide osakeste parameetrid, st need, mis on lai alt levinud ja olulised erinevates tööstusharudes.
Dispersiooni mõiste
Üks peamisi aineid ja materjale eri tootmisprotsessides iseloomustavaid tehnoloogilisi parameetreid on nende peenus. Seda võetakse tingimata arvesse keemiatehnoloogia seadmete valimisel, erinevate toiduainete tootmisel jne. See ei tulene mitte ainult asjaolust, et ainete osakeste vähenemisega suureneb faaside pindala ja suureneb nende interaktsiooni kiirus, vaid ka asjaolu, et sel juhul muutuvad süsteemi mõned omadused.. Eelkõige suureneb lahustuvus, suureneb reaktsioonivõimeainete faasisiirde temperatuurid langevad. Seetõttu tekkis vajadus leida erinevate süsteemide dispersiooni ja setteanalüüsi kvantitatiivsed karakteristikud.
Sõltuv alt sellest, kuidas on omavahel seotud osakeste suurused hajutatud faasis, jagatakse süsteemid monodispersseteks ja polüdispersseteks. Esimesed koosnevad eranditult sama suurusega osakestest. Sellised hajutatud süsteemid on üsna haruldased ja on tegelikkuses väga lähedased tõelistele monodisperssetele süsteemidele. Teisest küljest on valdav enamus olemasolevatest hajutatud süsteemidest polüdisperssed. See tähendab, et need koosnevad erineva suurusega osakestest ja nende sisaldus ei ole sama. Dispergeeritud süsteemide setteanalüüsi käigus määratakse neid moodustavate osakeste suurused, millele järgneb nende suurusjaotuskõverate konstrueerimine.
Teoreetilised alused
Settimine on raskusjõu toimel gaasilises või vedelas keskkonnas hajutatud faasi moodustavate osakeste sadestamise protsess. Sedimentatsiooni saab tagasi pöörata, kui osakesed (tilgad) hõljuvad erinevates emulsioonides.
Gravitatsioon Fg sfäärilistele osakestele mõjuva hüdrostaatilise korrektsioonivalemi abil saab arvutada:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, kus ρ on aine tihedus; r on osakese raadius; ρ0 – vedeliku tihedus; g - kiirendusvabalangemine.
Hõõrdejõud Fη, mida kirjeldab Stokesi seadus, takistab osakeste settimist:
Fη=6 π η r ᴠsed, kus ᴠsed on osakeste kiirus ja η on vedeliku viskoossus.
Mingil ajahetkel hakkavad osakesed settima püsiva kiirusega, mis on seletatav vastandlike jõudude võrdsusega Fg=Fη, mis tähendab, et võrdsus kehtib ka:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Selle teisendamisel saate valemi, mis kajastab osakeste raadiuse ja selle settimiskiiruse vahelist seost:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Kui võtta arvesse, et osakeste kiirust saab määratleda tema tee H suhtena liikumisaega τ, siis saame kirjutada Stokesi võrrandi:
ᴠlaup=N/t.
Siis saab osakese raadiuse seostada selle settimise ajaga võrrandiga:
r=K √N/t.
Samas väärib märkimist, et selline setteanalüüsi teoreetiline põhjendus kehtib mitmel juhul:
- Tahkete osakeste suurus peaks olema vahemikus 10–5 kuni 10–2 vt
- Osakesed peavad olema sfäärilised.
- Osakesed peavad liikuma püsiva kiirusega ja naaberosakestest sõltumatult.
- Hõõrdumine peab olema dispersioonikeskkonna sisemine nähtus.
Tulenev alt asjaolust, et tõelised suspensioonid sisaldavad sageliosakesed, mis kuju poolest sfäärilistest oluliselt erinevad, toovad setteanalüüsi tarbeks kasutusele samaväärse raadiuse mõiste. Selleks asendatakse arvutusvõrranditesse hüpoteetiliste sfääriliste osakeste raadius, mis on valmistatud samast materjalist kui tegelikud uuritud suspensioonis ja settivad sama kiirusega.
Praktikas on hajutatud süsteemides olevad osakesed suuruselt heterogeensed ja settimisanalüüsi peamiseks ülesandeks võib nimetada osakeste suurusjaotuse analüüsi neis. Teisisõnu, polüdisperssete süsteemide uurimisel leitakse erinevate fraktsioonide suhteline sisaldus (osakeste kogum, mille suurused jäävad teatud intervallisse).
Setteanalüüsi omadused
Hajutatud süsteemide settimise teel analüüsimiseks on mitu lähenemisviisi:
- gravitatsiooniväljas osakeste settimise kiiruse jälgimine rahulikus vedelikus;
- suspensiooni segamine selle järgnevaks eraldamiseks vedelikujoas teatud suurusega osakeste fraktsioonideks;
- pulbriliste ainete eraldamine teatud osakeste suurusega fraktsioonideks õhueraldusega;
- kõrge hajutusega süsteemide vajumise parameetrite jälgimine tsentrifugaalväljas.
Üks enim kasutatud on analüüsi esimene versioon. Selle rakendamiseks määratakse settimiskiirus ühega järgmistest meetoditest:
- mikroskoobiga vaadates;
- kogunenud setete kaalumine;
- dispergeeritud faasi kontsentratsiooni määramine settimisprotsessi teatud perioodis;
- hüdrostaatilise rõhu mõõtmine vajumise ajal;
- suspensiooni tiheduse määramine settimisperioodil.
Vedrustuse kontseptsioon
Suspensioonide all mõistetakse jämedaid süsteeme, mis on moodustatud tahkest hajutatud faasist, mille osakeste suurus ületab 10-5 cm, ja vedelast dispersioonikeskkonnast. Suspensioone iseloomustatakse sageli kui pulbriliste ainete suspensioone vedelikes. Tegelikult pole see täiesti tõsi, kuna suspensioonid on lahjendatud suspensioonid. Tahke faasi osakesed on kineetiliselt sõltumatud ja võivad vedelikus vab alt liikuda.
Päris (kontsentreeritud) suspensioonides, mida sageli nimetatakse pastadeks, interakteeruvad tahked osakesed üksteisega. See viib teatud ruumilise struktuuri kujunemiseni.
On teist tüüpi dispergeeritud süsteeme, mis moodustuvad tahketest hajutatud faasidest ja vedelast dispersioonikeskkonnast. Neid nimetatakse lüosoolideks. Kuid osakeste suurus on palju väiksem (10-7 kuni 10-5 cm). Seoses sellega on settimine neis ebaoluline, kuid lüosoolidele on iseloomulikud sellised nähtused nagu Browni liikumine, osmoos ja difusioon. Suspensioonide settimisanalüüs põhineb nende kineetilisel ebastabiilsusel. See tähendab, et suspensioone iseloomustab selliste parameetrite ajaline varieeruvus nagu peenus ja osakeste tasakaalujaotus dispersioonikeskkonnas.
Metoodika
Settimisanalüüs tehakse fooliumtopsiga torsioonkaalu kasutades(läbimõõt 1-2 cm) ja kõrge klaas. Enne analüüsi alustamist kaalutakse tass dispersioonikeskkonnas, sukeldatakse see täidetud keeduklaasi ja tasakaalustatakse tasakaal. Koos sellega mõõdetakse selle keelekümbluse sügavust. Pärast seda eemaldatakse tass ja asetatakse kiiresti katsesuspensiooniga klaasi, samal ajal kui see tuleb riputada tasakaalutala konksu külge. Samal ajal käivitub stopper. Tabel sisaldab andmeid sademete massi kohta suvalistel ajahetkedel.
| Aeg õppimise algusest, s | Tassi mass koos setetega, g | Settemass, g | 1/t, c-1 | Settimispiirang, g |
Kasutades tabeli andmeid, joonistage graafikapaberile settimiskõver. Sedinenud osakeste mass kantakse piki ordinaattelge ja aeg piki abstsisstellge. Sel juhul valitakse piisav skaala, et oleks mugav teha edasisi graafilisi arvutusi.
Kõvera analüüs
Monodispersses keskkonnas on osakeste settimiskiirus sama, mis tähendab, et settimist iseloomustab ühtlus. Sel juhul on settekõver lineaarne.
Polüdispersse suspensiooni settimise ajal (mis praktikas juhtub) erinevad erineva suurusega osakesed ka settimiskiiruselt. See väljendub graafikul settimiskihi piiri hägususes.
Vajumise kõverat töödeldakse, jagades selle mitmeks segmendiks ja joonistades puutujad. Iga puutuja iseloomustab eraldi vajumistsuspensiooni monodispersne osa.
Üldidee osakeste suuruse jaotusest
Teatud suurusega osakeste kvantitatiivset sisaldust kivimis nimetatakse tavaliselt granulomeetriliseks koostiseks. Sellest sõltuvad mõned poorse kandja omadused, näiteks läbilaskvus, eripind, poorsus jne. Nende omaduste põhjal saab omakorda teha järeldusi kivimimaardlate tekke geoloogiliste tingimuste kohta. Seetõttu on settekivimite uurimise üks esimesi etappe granulomeetriline analüüs.
Seega, vastav alt naftaga kokkupuutuvate liivade granulomeetrilise koostise analüüsi tulemustele, valivad nad naftaväljade praktikas seadmed ja tööprotseduurid. See aitab valida filtreid, mis takistavad liiva sattumist kaevu. Savi ja kolloidselt dispergeeritud mineraalide hulk koostises määrab ioonide neeldumisprotsessid, aga ka kivimite paisumisastme vees.
Kivimite granulomeetrilise koostise setteanalüüs
Tulenev alt asjaolust, et settimise põhimõtetel põhineval hajutatud süsteemide analüüsil on mitmeid piiranguid, ei taga selle kasutamine puhtal kujul kivimite koostise granulomeetriliseks uuringuks piisavat usaldusväärsust ja täpsust. Tänapäeval tehakse seda kaasaegsete seadmete abil, kasutades arvutiprogramme.
Need võimaldavad uurida kivimiosakesi algkihist, võimaldavad pidev alt salvestada kogunemistsete, välja arvatud lähendamine võrrandite abil, mõõta settimiskiirust otse. Ja mis pole vähem oluline, võimaldavad need uurida ebakorrapärase kujuga osakeste settimist. Ühe või teise suurusega fraktsiooni protsendi määrab arvuti, võttes aluseks proovi kogumassi, mis tähendab, et seda ei ole vaja enne analüüsimist kaaluda.
