2.5. Седиментационный анализ

В настоящее время установлено много общих закономерностей изме­нения свойств веществ в зависимости от размеров их частиц. Диспер­сность порошкообразных материалов существенно влияет на такие свойства, как окраска, реакционная способность, седиментационная устойчивость, структурообразование и др. Поэтому дисперсность веще­ства имеет немаловажное значение для различных технологических процессов. Например, от размера минеральных частиц зависит качест­во цементов, прочность наполненных резин, кроющая способность красок.

Обычно приходится иметь дело с полидисперсными системами - сис­темами, состоящими из частиц разных размеров. Определение величины частиц и получение данных о распределении частиц дисперсной системы по размерам является задачей дисперсионного анализа. Различают качественный и количественный дисперси­онные анализы.

Качественный дисперсионный ана­лиз устанавливает, является ли исследуемая система грубодисперсной, коллоидно-дисперсной или молекулярно-дисперсной. К грубодисперсным относят системы с размером частиц больше 0,1 мкм. Разме­ры частиц от 0,1 мкм до I нм лежат в области коллоидной дисперс­ности, частицы меньше 1 нм относят к молекулярной дисперсности.

Количественный дисперсионный анализ заключается в разделении исследуемого вещества на отдельные фракции, содержащие частицы, размеры которых лежат внут­ри определенного интервала, и в установлении процентного содержания отдельных фракций в исследуемой дисперсной системе. Дисперсионный анализ осуществляется различными методами: ситовым, микроскопичес­ким, электронно-микроскопическим и др.

В практике физико-химических исследований наибольшее распростра­нение получили методы седиментационного анализа, основанные на определении скорости оседания частиц под действием силы тяжести. Применение этих методов возможно для дисперсных систем, содержащих частицы, кинетическая энергия которых недостаточна для противодействия силе тяжести.

Принцип седиментационного анализа

Рассмотрим, какие силы действуют на частицу, свободно оседающую (седиментирующую) в дисперсионной среде.

Поведение такой частицы определяется действием нескольких сил. Под действием силы тяжести f происходит оседание частицы. С учетом поправки на потерю в весе по закону Архимеда

, (2.20)

где r и  - радиус и плотность частицы; °- плотность среды, g - ускорение силы тяжести.

Оседанию противодействует сила трения f'. Согласно закону Стокса, сила трения сферической частицы

f = 6ru , (2.21)

где  - вязкость среды; u -скорость движения частицы.

Вначале частица движется с ускорением, так как сила тяжести пре­вышает силу трения. Однако по мере увеличения скорости движения частицы растет и сила трения (см. уравнение 2.20), которая в некоторые момент времени уравновесит силу тяжести, вследствие чего частица начинает двигаться с постоянной скоростью. Последнюю легко найти из уравнений (2.20) и (2.21), так как f = f^`:

. (2.22)

Отсюда . (2.23)

Из уравнения (2.23) следует, что скорость седиментации не зависит от природы частиц, а определяется радиусом частиц, вязкостью среды и разностью плотностей диспергированного вещества  и дисперси­онной среды ⁰. В том случае, когда плотность частиц дисперсной фазы больше плотности дисперсионной среды ( > ⁰), происходит седиментация частиц с образованием осадка. Наоборот, при  < ⁰ дис­пергированное вещество всплывает на поверхность, что, как известно, наблюдается при проведении дисперсионного анализа эмульсий.

Из равенства (2.22) вытекает также связь между скоростью оседания частицы и ее радиусом:

. (2.24)

На этом основан седиментационный анализ размеров грубодисперсных частиц в порошках, суспензиях, эмульсиях, различных взвесях и т.д.

Однако расчет размера частиц по уравнение (2.24) возможен только в том случае, когда соблюдаются условия применения к изучаемой сис­теме закона Стокса. Эти условия следующие.

1. Частицы должны быть сферически­ми. Такое условие выполняется не всегда⁴. Обычно частицы измельчен­ного вещества имеют различную форму, отклоняющуюся в большей или меньшей степени от сферической. Соответственно по уравнению (2.22) вычисляется не действительный, а лишь некоторый аффективный радиус, соответствующий радиусу сферической частицы вещества, оседающей с той жe скоростью. Такой радиус называется эквивалентным.

2. Оседающие частицы должны быть твердыми и гладкими. Для суспензий условие твер­дости всегда соблюдается. При анализе эмульсий в уравнение Стокса должны быть введены поправки. Однако ими обычно не пользуются, так как отклонения от закона Стокса в большинстве случаев невелики. Что же касается условия гладкости частиц, т.е. отсутствия шероховатости на их поверхности, то оно практически невыполнимо (в настоящее время нет надежных методов оценки шероховатости поверхности). Поэтому при определении размеров таких частиц сединентационными методами пользуются эквивалентным радиусом.

3. Отсутствие взаимодействия между частицами. На оседание отдельной частицы не должны влиять соседние частицы. Чтобы избежать взаимного влияния частиц, необхо­димо проводить седиментацию в достаточно разбавленных суспензиях (с концентрацией не выше 0,5 - 1,0 %).

4. Отсутствие скольжения между осе­дающей частицей и средой. Одним из основных условий отсутствия скольжения между оседающей частицей и средой является полная смачиваемость оседающих частиц жидкостью. В этом случае на поверхности твердых частиц образуется слой из молекул жидкости, перемещающейся вместе с частицей. При движении частиц происходит скольжение между двумя слоями жидкости (а не между твер­дой поверхностью и жидкостью), и в уравнении Стокса величина  действительно представляет собой коэффициент вязкости жидкости. Кроме того, следует иметь в виду, что на несмачивающихся частицах обычно образуются маленькие воздушные пузырьки, искажающие резуль­таты определения. Наконец, если частицы плохо смачиваются средой, то происходит агрегация частиц, что также искажает резуль­таты анализа.

5. Скорость оседания частиц не должна превышать определенного предела, что связано с возможностью возникновения турбулентного движения в слое жидкости вблизи быстро оседающих частиц. В таком случае зависимость, выражаемая уравнением Стокса, не соблюдается.

6. Постоянная скорость оседания частиц. Скорость оседания частиц должна быть постоянной. Это достигается при настолько малом отрезке времени нарастания скорости до постоянного значения, что оно уже не может оказать влияния на результаты седиментационного анализа. Такое условие практически соб­людается для частиц размером от 0,1 до 100 мкм.

Кроме рассмотренных условий применимости закона Стокса к реальным системам, связанных с допущениями, сделанными при выводе этого зако­на, следует учитывать и другие особенности изучаемых объектов, а так­же влияние внешних факторов.