Η ουσία της μεθόδου ανάλυσης καθίζησης είναι η μέτρηση του ρυθμού με τον οποίο τα σωματίδια καθιζάνουν (κυρίως από ένα υγρό μέσο). Και χρησιμοποιώντας τις τιμές του ρυθμού καθίζησης, υπολογίζονται τα μεγέθη αυτών των σωματιδίων και η ειδική επιφάνεια τους. Αυτή η μέθοδος καθορίζει τις παραμέτρους των σωματιδίων πολλών τύπων συστημάτων διασποράς, όπως εναιωρήματα, αερολύματα, γαλακτώματα, δηλαδή εκείνα που είναι ευρέως διαδεδομένα και σημαντικά για διάφορες βιομηχανίες.
Η έννοια της διασποράς
Μία από τις κύριες τεχνολογικές παραμέτρους που χαρακτηρίζουν τις ουσίες και τα υλικά σε διάφορες παραγωγικές διαδικασίες είναι η λεπτότητα τους. Λαμβάνεται απαραιτήτως υπόψη κατά την επιλογή της συσκευής για χημική τεχνολογία, στην παραγωγή διαφόρων προϊόντων διατροφής κ.λπ. Αυτό οφείλεται όχι μόνο στο γεγονός ότι με τη μείωση των σωματιδίων των ουσιών, η επιφάνεια των φάσεων αυξάνεται και ο ρυθμός αλληλεπίδρασής τους αυξάνεται, αλλά και στο γεγονός ότι ορισμένες ιδιότητες του συστήματος αλλάζουν σε αυτήν την περίπτωση. Συγκεκριμένα, η διαλυτότητα αυξάνεται, η αντιδραστικότητα αυξάνεταιουσίες, οι θερμοκρασίες των μεταπτώσεων φάσης μειώνονται. Ως εκ τούτου, κατέστη απαραίτητο να βρεθούν ποσοτικά χαρακτηριστικά της διασποράς διαφόρων συστημάτων και στην ανάλυση καθίζησης.
Ανάλογα με το πώς σχετίζονται τα μεγέθη των σωματιδίων στη διεσπαρμένη φάση, τα συστήματα χωρίζονται σε μονοδιασπορά και πολυδιασπορά. Τα πρώτα αποτελούνται αποκλειστικά από σωματίδια ίδιου μεγέθους. Τέτοια συστήματα διασποράς είναι αρκετά σπάνια και στην πραγματικότητα είναι πολύ κοντά στα αληθινά μονοδιασπορά. Από την άλλη πλευρά, η συντριπτική πλειοψηφία των υφιστάμενων συστημάτων διασποράς είναι πολυδιασπορά. Αυτό σημαίνει ότι αποτελούνται από σωματίδια που διαφέρουν σε μέγεθος και το περιεχόμενό τους δεν είναι το ίδιο. Κατά τη διάρκεια της ανάλυσης καθίζησης των συστημάτων διασποράς, προσδιορίζονται τα μεγέθη των σωματιδίων που τα σχηματίζουν και ακολουθεί η κατασκευή των καμπυλών κατανομής μεγεθών τους.
Θεωρητικά θεμέλια
Καθίζηση είναι η διαδικασία καθίζησης σωματιδίων που αποτελούν τη διεσπαρμένη φάση σε αέρια ή υγρά μέσα υπό την επίδραση της βαρύτητας. Η καθίζηση μπορεί να αντιστραφεί εάν τα σωματίδια (σταγονίδια) επιπλέουν σε διάφορα γαλακτώματα.
Η βαρύτητα Fg που δρα σε σφαιρικά σωματίδια μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο υδροστατικής διόρθωσης:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, όπου ρ είναι η πυκνότητα της ύλης. r είναι η ακτίνα των σωματιδίων. ρ0 – πυκνότητα υγρού; g - επιτάχυνσηελεύθερη πτώση.
Η δύναμη της τριβής Fη, που περιγράφεται από το νόμο Stokes, εξουδετερώνει την καθίζηση των σωματιδίων:
Fη=6 π η r ᴠsed, όπου ᴠsed είναι η ταχύτητα των σωματιδίων και η είναι το ιξώδες του ρευστού.
Κάποια στιγμή, τα σωματίδια αρχίζουν να καθιζάνουν με σταθερή ταχύτητα, η οποία εξηγείται από την ισότητα των αντίπαλων δυνάμεων Fg=Fη, που σημαίνει ότι ισχύει και η ισότητα:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Μετασχηματίζοντάς το, μπορείτε να πάρετε έναν τύπο που αντανακλά τη σχέση μεταξύ της ακτίνας των σωματιδίων και του ρυθμού καθίζησής του:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Αν λάβουμε υπόψη ότι η ταχύτητα των σωματιδίων μπορεί να οριστεί ως ο λόγος της διαδρομής H προς τον χρόνο κίνησης τ, τότε μπορούμε να γράψουμε την εξίσωση Stokes:
ᴠsat=N/t.
Τότε η ακτίνα του σωματιδίου μπορεί να συσχετιστεί με τον χρόνο καθίζησής του με την εξίσωση:
r=K √N/t.
Ωστόσο, αξίζει να σημειωθεί ότι μια τέτοια θεωρητική αιτιολόγηση της ανάλυσης καθίζησης θα ισχύει υπό ορισμένες προϋποθέσεις:
- Το μέγεθος των στερεών σωματιδίων πρέπει να είναι μεταξύ 10–5 έως 10–2 δείτε
- Τα σωματίδια πρέπει να είναι σφαιρικά.
- Τα σωματίδια πρέπει να κινούνται με σταθερή ταχύτητα και ανεξάρτητα από γειτονικά σωματίδια.
- Η τριβή πρέπει να είναι ένα εσωτερικό φαινόμενο ενός μέσου διασποράς.
Λόγω του γεγονότος ότι οι πραγματικές αναρτήσεις περιέχουν συχνάσωματίδια που διαφέρουν σημαντικά σε σχήμα από τα σφαιρικά εισάγουν την έννοια της ισοδύναμης ακτίνας για τους σκοπούς της ανάλυσης καθίζησης. Για να γίνει αυτό, η ακτίνα των υποθετικών σφαιρικών σωματιδίων που είναι κατασκευασμένα από το ίδιο υλικό με τα πραγματικά στο μελετημένο αιώρημα και καθιζάνουν με την ίδια ταχύτητα αντικαθίσταται στις εξισώσεις υπολογισμού.
Στην πράξη, τα σωματίδια σε διεσπαρμένα συστήματα είναι ετερογενή σε μέγεθος και το κύριο καθήκον της ανάλυσης καθίζησης μπορεί να ονομαστεί ανάλυση της κατανομής μεγέθους σωματιδίων σε αυτά. Με άλλα λόγια, κατά τη μελέτη των συστημάτων πολυδιασποράς, βρίσκεται το σχετικό περιεχόμενο διαφόρων κλασμάτων (ένα σύνολο σωματιδίων των οποίων τα μεγέθη βρίσκονται σε ένα ορισμένο διάστημα).
Χαρακτηριστικά ανάλυσης καθίζησης
Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για την εκτέλεση ανάλυσης διεσπαρμένων συστημάτων με καθίζηση:
- παρακολούθηση σε ένα βαρυτικό πεδίο της ταχύτητας με την οποία τα σωματίδια καθιζάνουν σε ένα ήρεμο υγρό;
- ανακίνηση εναιωρήματος για τον επακόλουθο διαχωρισμό του σε κλάσματα σωματιδίων δεδομένου μεγέθους σε πίδακα υγρού;
- διαχωρισμός ουσιών σε σκόνη σε κλάσματα με συγκεκριμένα μεγέθη σωματιδίων, που πραγματοποιείται με διαχωρισμό αέρα;
- παρακολούθηση σε φυγόκεντρο πεδίο των παραμέτρων καθίζησης συστημάτων υψηλής διασποράς.
Μία από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες είναι η πρώτη έκδοση της ανάλυσης. Για την εφαρμογή του, ο ρυθμός καθίζησης προσδιορίζεται με οποιαδήποτε από τις ακόλουθες μεθόδους:
- παρακολούθηση μέσω μικροσκοπίου;
- ζύγιση του συσσωρευμένου ιζήματος;
- καθορισμός της συγκέντρωσης της διεσπαρμένης φάσης σε μια ορισμένη περίοδο της διαδικασίας καθίζησης,
- μέτρηση υδροστατικής πίεσης κατά την καθίζηση;
- καθορισμός της πυκνότητας του εναιωρήματος κατά την περίοδο καθίζησης.
Έννοια ανάρτησης
Τα εναιωρήματα νοούνται ως χονδροειδή συστήματα που σχηματίζονται από μια στερεά διασκορπισμένη φάση, το μέγεθος σωματιδίων της οποίας υπερβαίνει τα 10-5 cm, και ένα υγρό μέσο διασποράς. Τα εναιωρήματα συχνά χαρακτηρίζονται ως εναιωρήματα ουσιών σε σκόνη σε υγρά. Στην πραγματικότητα, αυτό δεν είναι απολύτως αληθές, δεδομένου ότι οι πολτές είναι αραιά εναιωρήματα. Τα σωματίδια της στερεάς φάσης είναι κινητικά ανεξάρτητα και μπορούν να κινούνται ελεύθερα στο υγρό.
Σε πραγματικά (συμπυκνωμένα) εναιωρήματα, που συχνά ονομάζονται πάστες, τα στερεά σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτό οδηγεί στο σχηματισμό μιας ορισμένης χωρικής δομής.
Υπάρχει ένας άλλος τύπος διασκορπισμένων συστημάτων που σχηματίζονται από στερεές διασκορπισμένες φάσεις και υγρά μέσα διασποράς. Ονομάζονται λυοσόλες. Ωστόσο, το μέγεθος των σωματιδίων είναι πολύ μικρότερο (από 10-7 έως 10-5 cm). Από αυτή την άποψη, η καθίζηση σε αυτά είναι ασήμαντη, αλλά τα λυοσόλια χαρακτηρίζονται από φαινόμενα όπως η κίνηση Brown, η όσμωση και η διάχυση. Η ανάλυση καθίζησης των αιωρημάτων βασίζεται στην κινητική τους αστάθεια. Αυτό σημαίνει ότι τα εναιωρήματα χαρακτηρίζονται από χρονική μεταβλητότητα παραμέτρων όπως η λεπτότητα και η κατανομή ισορροπίας των σωματιδίων σε ένα μέσο διασποράς.
Μεθοδολογία
Η ανάλυση καθίζησης πραγματοποιείται με χρήση ζυγού στρέψης με κύπελλο φύλλου(διάμετρος 1-2 εκ.) και ένα ψηλό ποτήρι. Πριν από την έναρξη της ανάλυσης, το κύπελλο ζυγίζεται σε ένα μέσο διασποράς, βυθίζοντας το σε ένα γεμάτο ποτήρι ζέσεως και εξισορροπώντας το ζυγό. Μαζί με αυτό μετριέται και το βάθος βύθισής του. Μετά από αυτό, το κύπελλο αφαιρείται και τοποθετείται γρήγορα σε ένα ποτήρι με τη δοκιμαστική ανάρτηση, ενώ πρέπει να κρεμαστεί στο άγκιστρο της δοκού ισορροπίας. Ταυτόχρονα θα ξεκινήσει και το χρονόμετρο. Ο πίνακας περιέχει δεδομένα για τη μάζα της κατακρημνισμένης βροχόπτωσης σε αυθαίρετα χρονικά σημεία.
| Χρόνος από την έναρξη της μελέτης, s | Μάζα του φλιτζανιού με ίζημα, g | Μάζα ιζήματος, g | 1/t, c-1 | Όριο καθίζησης, g |
Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πίνακα, σχεδιάστε μια καμπύλη καθίζησης σε γραφικό χαρτί. Η μάζα των κατακάθιστων σωματιδίων σχεδιάζεται κατά μήκος του άξονα των τεταγμένων και ο χρόνος σχεδιάζεται κατά μήκος του άξονα της τετμημένης. Σε αυτήν την περίπτωση, επιλέγεται μια επαρκής κλίμακα ώστε να είναι βολικό να εκτελούνται περαιτέρω γραφικοί υπολογισμοί.
Ανάλυση καμπύλης
Σε ένα μέσο μονοδιασποράς, ο ρυθμός καθίζησης των σωματιδίων θα είναι ο ίδιος, πράγμα που σημαίνει ότι η καθίζηση θα χαρακτηρίζεται από ομοιομορφία. Η καμπύλη καθίζησης σε αυτήν την περίπτωση θα είναι γραμμική.
Κατά την καθίζηση ενός εναιωρήματος πολυδιασποράς (που συμβαίνει στην πράξη), τα σωματίδια διαφορετικών μεγεθών διαφέρουν επίσης ως προς την ταχύτητα καθίζησης. Αυτό εκφράζεται στο γράφημα με τη θόλωση των ορίων του στρώματος καθίζησης.
Η καμπύλη καθίζησης επεξεργάζεται διαιρώντας την σε πολλά τμήματα και σχεδιάζοντας εφαπτόμενες. Κάθε εφαπτομένη θα χαρακτηρίζει την καθίζηση ενός ξεχωριστούμονοδιασκορπίστε μέρος της ανάρτησης.
Γενική ιδέα κατανομής μεγέθους σωματιδίων
Η ποσοτική περιεκτικότητα σε σωματίδια συγκεκριμένου μεγέθους στο βράχο συνήθως ονομάζεται κοκκομετρική σύνθεση. Ορισμένες ιδιότητες των πορωδών μέσων εξαρτώνται από αυτό, για παράδειγμα, η διαπερατότητα, η ειδική επιφάνεια, το πορώδες κ.λπ. Με βάση αυτές τις ιδιότητες, με τη σειρά τους, μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τις γεωλογικές συνθήκες για το σχηματισμό κοιτασμάτων πετρωμάτων. Γι' αυτό ένα από τα πρώτα στάδια στη μελέτη των ιζηματογενών πετρωμάτων είναι η κοκκομετρική ανάλυση.
Έτσι, σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ανάλυσης της κοκκομετρικής σύστασης της άμμου σε επαφή με το πετρέλαιο, επιλέγουν εξοπλισμό και διαδικασίες εργασίας στην πρακτική των κοιτασμάτων πετρελαίου. Βοηθά στην επιλογή φίλτρων για να αποτρέψει την είσοδο άμμου στο πηγάδι. Η ποσότητα αργίλου και κολλοειδών διασκορπισμένων ορυκτών στη σύνθεση καθορίζει τις διαδικασίες απορρόφησης των ιόντων, καθώς και τον βαθμό διόγκωσης των πετρωμάτων στο νερό.
Ιζηματογενής ανάλυση κοκκομετρικής σύνθεσης πετρωμάτων
Λόγω του γεγονότος ότι η ανάλυση συστημάτων διασποράς με βάση τις αρχές της καθίζησης έχει ορισμένους περιορισμούς, η χρήση της στην καθαρή της μορφή για την κοκκομετρική μελέτη της σύνθεσης των πετρωμάτων δεν παρέχει τη δέουσα αξιοπιστία και ακρίβεια. Σήμερα εκτελείται με χρήση σύγχρονου εξοπλισμού με χρήση προγραμμάτων ηλεκτρονικών υπολογιστών.
Επιτρέπουν τη μελέτη των σωματιδίων πετρωμάτων από το αρχικό στρώμα, σας επιτρέπουν να καταγράφετε συνεχώς τη συσσώρευσηίζημα, εξαιρουμένης της προσέγγισης με εξισώσεις, μετρήστε απευθείας τον ρυθμό καθίζησης. Και, όχι λιγότερο σημαντικό, επιτρέπουν τη μελέτη της καθίζησης σωματιδίων ακανόνιστου σχήματος. Το ποσοστό του κλάσματος του ενός ή του άλλου μεγέθους καθορίζεται από τον υπολογιστή, με βάση τη συνολική μάζα του δείγματος, πράγμα που σημαίνει ότι δεν χρειάζεται να ζυγιστεί πριν από την ανάλυση.
