Талдаудың тұндыру әдісінің мәні бөлшектердің шөгу жылдамдығын өлшеу болып табылады (негізінен сұйық ортадан). Ал шөгу жылдамдығының мәндерін пайдалана отырып, осы бөлшектердің өлшемдері және олардың меншікті бетінің ауданы есептеледі. Бұл әдіс суспензиялар, аэрозольдар, эмульсиялар сияқты дисперстік жүйелердің көптеген түрлерінің бөлшектерінің параметрлерін анықтайды, яғни кең таралған және әртүрлі салалар үшін маңызды.
Дисперсия түсінігі
Әртүрлі өндірістік процестердегі заттар мен материалдарды сипаттайтын негізгі технологиялық көрсеткіштердің бірі олардың жұқалығы болып табылады. Ол міндетті түрде химиялық технология бойынша аппараттарды таңдауда, әртүрлі тағам өнімдерін өндіруде және т.б. Бұл заттардың бөлшектерінің азаюымен фазалардың бетінің ауданы ұлғаюы және олардың өзара әрекеттесу жылдамдығының жоғарылауымен ғана емес, сонымен қатар бұл жағдайда жүйенің кейбір қасиеттерінің өзгеруімен байланысты.. Атап айтқанда, ерігіштігі артады, реактивтілігі артадызаттар, фазалық ауысулардың температуралары төмендейді. Сондықтан әртүрлі жүйелердің дисперсиясының сандық сипаттамаларын және седиментациялық талдауда табу қажет болды.
Дисперстік фазадағы бөлшектердің өлшемдерінің өзара байланысына байланысты жүйелер монодисперсті және полидисперстік болып бөлінеді. Біріншісі тек бірдей өлшемдегі бөлшектерден тұрады. Мұндай дисперстік жүйелер өте сирек кездеседі және шын мәнінде нағыз монодисперсті жүйелерге өте жақын. Екінші жағынан, қолданыстағы дисперстік жүйелердің басым көпшілігі полидисперсті болып табылады. Бұл олардың мөлшері бойынша әр түрлі бөлшектерден тұратынын және олардың мазмұны бірдей емес екенін білдіреді. Дисперсті жүйелердің седиментациялық талдауы барысында оларды құрайтын бөлшектердің өлшемдері анықталады, содан кейін олардың өлшемдік таралу қисықтары салынады.
Теориялық негіздер
Төгу – дисперсті фазаны құрайтын бөлшектердің ауырлық күшінің әсерінен газ немесе сұйық ортада тұнбаға түсу процесі. Бөлшектер (тамшылар) әртүрлі эмульсияларда қалқып қалса, тұнбаны кері қайтаруға болады.
Сфералық бөлшектерге әсер ететін ауырлық Fg гидростатикалық түзету формуласы арқылы есептелуі мүмкін:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, мұндағы ρ – заттың тығыздығы; r – бөлшектердің радиусы; ρ0 – сұйықтықтың тығыздығы; g – үдеуеркін құлау.
Стокс заңымен сипатталған үйкеліс күші Fη бөлшектердің шөгуіне қарсы әрекет етеді:
Fη=6 π η r ᴠsed, мұндағы ᴠsed - бөлшектердің жылдамдығы және η - сұйықтықтың тұтқырлығы.
Уақыттың белгілі бір сәтінде бөлшектер тұрақты жылдамдықпен тұна бастайды, бұл қарсы күштердің теңдігімен түсіндіріледі Fg=Fη, бұл теңдік те дұрыс екенін білдіреді:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Оны түрлендіру арқылы бөлшектер радиусы мен оның тұну жылдамдығы арасындағы байланысты көрсететін формуланы алуға болады:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Егер бөлшектердің жылдамдығын оның H жолының қозғалыс уақытына τ қатынасы ретінде анықтауға болатынын ескерсек, онда Стокс теңдеуін жазуға болады:
ᴠсат=Жоқ.
Онда бөлшектің радиусын оның отыру уақытына мына теңдеу арқылы жатқызуға болады:
r=K √N/t.
Алайда, седиментациялық талдаудың мұндай теориялық негіздемесі бірқатар шарттарда жарамды болатынын атап өткен жөн:
- Қатты бөлшектердің өлшемі 10–5 және 10–2 арасында болуы керек
- Бөлшектер сфералық болуы керек.
- Бөлшектер тұрақты жылдамдықпен және көршілес бөлшектерден тәуелсіз қозғалуы керек.
- Үйкеліс дисперсиялық ортаның ішкі құбылысы болуы керек.
қараңыз.
Нақты суспензияларда жиі болатындықтанпішіні бойынша сфералық бөлшектерден айтарлықтай ерекшеленетін бөлшектер седиментацияны талдау мақсатында эквивалентті радиус ұғымын енгізеді. Ол үшін зерттелетін суспензиядағы нақты заттармен бірдей материалдан жасалған және бірдей жылдамдықпен тұнатын гипотетикалық сфералық бөлшектердің радиусы есептеу теңдеулеріне ауыстырылады.
Тәжірибеде дисперсті жүйелердегі бөлшектер өлшемдері бойынша гетерогенді болады, седиментациялық талдаудың негізгі міндетін олардағы бөлшектердің өлшемдерінің таралуын талдау деп атауға болады. Басқаша айтқанда, полидисперсті жүйелерді зерттеу кезінде әртүрлі фракциялардың салыстырмалы құрамы (өлшемдері белгілі бір аралықта жататын бөлшектердің жиынтығы) табылады.
Төгу анализінің ерекшеліктері
Шөгу арқылы дисперсті жүйелерді талдаудың бірнеше тәсілдері бар:
- гравитациялық өрісте бөлшектердің тыныш сұйықтыққа түсу жылдамдығын бақылау;
- суспензияны сұйық ағында берілген өлшемдегі бөлшектердің фракцияларына кейіннен бөлуге арналған араластыру;
- ұнтақ тәрізді заттарды ауамен бөлу арқылы орындалатын бөлшектердің белгілі бір өлшемдері бар фракцияларға бөлу;
- центрифугалық өрісте жоғары дисперсті жүйелердің шөгу параметрлерін бақылау.
Ең көп қолданылатындардың бірі – талдаудың бірінші нұсқасы. Оны жүзеге асыру үшін шөгу жылдамдығы келесі әдістердің кез келгенімен анықталады:
- микроскоп арқылы қарау;
- жинақталған шөгіндіні өлшеу;
- тұндыру процесінің белгілі бір кезеңінде дисперстік фазаның концентрациясын анықтау;
- шөгу кезіндегі гидростатикалық қысымды өлшеу;
- шөгу кезеңінде суспензияның тығыздығын анықтау.
Тоқтата тұру тұжырымдамасы
Суспензиялар деп бөлшектерінің өлшемі 10-5 см асатын қатты дисперсті фазадан және сұйық дисперсиялық ортадан түзілген ірі жүйелер түсініледі. Суспензиялар көбінесе сұйықтардағы ұнтақ тәрізді заттардың суспензиялары ретінде сипатталады. Шын мәнінде, бұл мүлдем дұрыс емес, өйткені суспензиялар сұйылтылған суспензиялар болып табылады. Қатты фазаның бөлшектері кинетикалық тұрғыдан тәуелсіз және сұйықтықта еркін қозғала алады.
Көбінесе пасталар деп аталатын нақты (концентрлі) суспензияларда қатты бөлшектер бір-бірімен әрекеттеседі. Бұл белгілі бір кеңістіктік құрылымның қалыптасуына әкеледі.
Қатты дисперсті фазалар мен сұйық дисперсиялық ортадан түзілетін дисперсті жүйелердің тағы бір түрі бар. Оларды лиозольдер деп атайды. Дегенмен, бөлшектердің өлшемі әлдеқайда аз (10-7 бастап 10-5 см дейін). Осыған байланысты оларда тұндыру шамалы, бірақ лиозольдерге броундық қозғалыс, осмос және диффузия сияқты құбылыстар тән. Суспензиялардың седиментациялық талдауы олардың кинетикалық тұрақсыздығына негізделген. Бұл суспензиялар дисперсиялық ортадағы бөлшектердің ұсақтық және тепе-теңдік таралуы сияқты параметрлердің уақыт бойынша өзгермелілігімен сипатталатынын білдіреді.
Әдістеме
Төгу талдауы фольга тостағанымен бұралу таразысының көмегімен орындалады(диаметрі 1-2 см) және биік стақан. Талдауды бастамас бұрын тостағанды дисперсиялық ортада өлшейді, оны толтырылған стаканға батырады және таразысын теңестіреді. Сонымен қатар, оның батыру тереңдігі өлшенеді. Осыдан кейін шыныаяқ алынып, тез арада сынақ суспензиясы бар стақанға салынады, бұл ретте ол теңгерім арқалығының ілгегіне ілінуі керек. Осы кезде секундомер де іске қосылады. Кестеде уақыттың ерікті нүктелеріндегі жауған жауын-шашынның массасы туралы деректер бар.
| Оқудың басталу уақыты, s | Шөгіндісі бар кесенің массасы, g | Шөгінді массасы, g | 1/т, c-1 | Шөгу шегі, g |
Кесте деректерін пайдаланып, графикалық қағазға шөгу қисығын сызыңыз. Ордината осі бойымен тұндырылған бөлшектердің массасы, абсцисса осі бойымен уақыт графигі сызылады. Бұл жағдайда әрі қарай графикалық есептеулерді орындауға ыңғайлы болу үшін барабар шкала таңдалады.
Қисық талдау
Монодисперсті ортада бөлшектердің шөгу жылдамдығы бірдей болады, яғни шөгу біркелкілігімен сипатталады. Бұл жағдайда шөгу қисығы сызықтық болады.
Полидисперсті суспензияны тұндыру кезінде (бұл іс жүзінде болады) әртүрлі өлшемдегі бөлшектер де тұндыру жылдамдығымен ерекшеленеді. Бұл графикте шөгу қабатының шекарасының бұлыңғырлығында көрсетілген.
Шөгу қисығы оны бірнеше сегменттерге бөлу және жанамаларды салу арқылы өңделеді. Әрбір жанама бөлек шөгуді сипаттайтын боладысуспензияның монодисперсті бөлігі.
Бөлшек өлшемдерінің таралуы туралы жалпы түсінік
Тау жынысындағы белгілі бір өлшемдегі бөлшектердің сандық құрамы әдетте гранулометриялық құрам деп аталады. Кеуекті орталардың кейбір қасиеттері соған байланысты, мысалы, өткізгіштігі, меншікті бетінің ауданы, кеуектілігі және т.б. Осы қасиеттерге сүйене отырып, өз кезегінде тау жыныстарының шөгінділерінің пайда болуының геологиялық жағдайлары туралы қорытынды жасауға болады. Сондықтан шөгінді жыныстарды зерттеудің алғашқы кезеңдерінің бірі гранулометриялық талдау болып табылады.
Осылайша мұнаймен жанасатын құмдардың гранулометриялық құрамын талдау нәтижелері бойынша мұнай кәсіпшілік тәжірибесінде құрал-жабдықтар мен жұмыс тәртібін таңдайды. Құмның құдыққа түсуіне жол бермеу үшін сүзгілерді таңдауға көмектеседі. Құрамындағы саз және коллоидты-дисперсті минералдардың мөлшері иондардың сіңірілу процестерін, сонымен қатар судағы тау жыныстарының ісіну дәрежесін анықтайды.
Тау жыныстарының гранулометриялық құрамының шөгінді талдауы
Шөгу принциптеріне негізделген дисперстік жүйелерді талдау бірқатар шектеулерге ие болғандықтан, оны таза күйінде тау жыныстарының құрамын гранулометриялық зерттеу үшін қолдану тиісті сенімділік пен дәлдікті қамтамасыз етпейді. Бүгінгі күні ол компьютерлік бағдарламаларды пайдалана отырып, заманауи жабдықтың көмегімен орындалады.
Олар бастапқы қабаттан тау жыныстарының бөлшектерін зерттеуге мүмкіндік береді, жинақталуын үздіксіз тіркеуге мүмкіндік бередішөгінді, теңдеулер бойынша жуықтауды қоспағанда, шөгу жылдамдығын тікелей өлшеңіз. Және, маңызды емес, олар дұрыс емес пішінді бөлшектердің шөгуін зерттеуге мүмкіндік береді. Бір немесе басқа өлшемнің үлесін компьютер үлгінің жалпы массасына негізделген анықтайды, бұл талдау алдында оны өлшеудің қажеті жоқ дегенді білдіреді.
