מהות שיטת הניתוח של השקיעה היא למדוד את קצב שקיעת החלקיקים (בעיקר ממדיום נוזלי). ובאמצעות ערכי קצב השקיעה, מחושבים הגדלים של החלקיקים הללו ושטח הפנים הספציפי שלהם. שיטה זו קובעת את הפרמטרים של חלקיקים מסוגים רבים של מערכות פיזור, כגון מתלים, אירוסולים, תחליבים, כלומר, כאלה הנפוצים וחשובים לתעשיות שונות.
המושג של פיזור
אחד הפרמטרים הטכנולוגיים המרכזיים המאפיינים חומרים וחומרים בתהליכי ייצור שונים הוא העדינות שלהם. זה נלקח בחשבון בהכרח במהלך בחירת מכשיר לטכנולוגיה כימית, בייצור מוצרי מזון שונים וכו '. זה נובע לא רק מהעובדה שעם ירידה בחלקיקי החומרים, שטח הפנים של השלבים גדל וקצב האינטראקציה ביניהם עולה, אלא גם מהעובדה שכמה מאפיינים של המערכת משתנים במקרה זה.. בפרט, המסיסות עולה, התגובתיות עולהחומרים, הטמפרטורות של מעברי פאזה יורדות. לכן, היה צורך למצוא מאפיינים כמותיים של פיזור מערכות שונות ובניתוח משקעים.
בהתאם לאופן הקשר בין גדלי החלקיקים בשלב המפוזר, המערכות מחולקות ל-monodisperse ו-polydisperse. הראשונים מורכבים אך ורק מחלקיקים באותו גודל. מערכות מפוזרות כאלה הן נדירות למדי ובמציאות הן קרובות מאוד למערכות מונו-פזורות אמיתיות. מצד שני, הרוב המכריע של מערכות הפיזור הקיימות הן פוליפיזורות. המשמעות היא שהם מורכבים מחלקיקים שונים בגודלם, והתוכן שלהם אינו זהה. במהלך ניתוח שיקוע של מערכות מפוזרות, נקבעים גדלי החלקיקים היוצרים אותן, ולאחר מכן בניית עקומות התפלגות הגודל שלהן.
יסודות תיאורטיים
שיקוע הוא תהליך של משקעים של חלקיקים המרכיבים את הפאזה המפוזרת במדיה גזי או נוזלי תחת פעולת הכבידה. שיקוע יכול להתהפך אם חלקיקים (טיפות) צפים באמולסיות שונות.
Gravity Fg הפועל על חלקיקים כדוריים ניתן לחשב באמצעות נוסחת התיקון ההידרוסטטית:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, כאשר ρ היא צפיפות החומר; r הוא רדיוס החלקיקים; ρ0 – צפיפות נוזלים; g - תאוצהנפילה חופשית.
כוח החיכוך Fη, המתואר בחוק סטוקס, נוגד את שקיעת החלקיקים:
Fη=6 π η r ᴠsed, כאשר ᴠsed היא מהירות החלקיקים ו-η היא צמיגות הנוזל.
בשלב מסוים בזמן, החלקיקים מתחילים לשקוע במהירות קבועה, מה שמוסבר על ידי שוויון הכוחות המנוגדים Fg=Fη, כלומר גם השוויון נכון:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. על ידי הפיכתו, תוכל לקבל נוסחה המשקפת את הקשר בין רדיוס החלקיקים וקצב השקיעה שלו:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
אם ניקח בחשבון שניתן להגדיר את מהירות החלקיקים כיחס בין הנתיב שלהם H לזמן התנועה τ, אז נוכל לכתוב את משוואת סטוקס:
ᴠsat=N/t.
אז ניתן לקשר את רדיוס החלקיק לזמן שקיעתו באמצעות המשוואה:
r=K √N/t.
עם זאת, ראוי לציין שהצדקה תיאורטית כזו של ניתוח שיקוע תהיה תקפה בכמה תנאים:
- גודל החלקיקים המוצקים צריך להיות בין 10–5 ל-10–2 see
- חלקיקים חייבים להיות כדוריים.
- חלקיקים חייבים לנוע במהירות קבועה וללא תלות בחלקיקים שכנים.
- חיכוך חייב להיות תופעה פנימית של מדיום פיזור.
בשל העובדה שהשעיות אמיתיות מכילות לעתים קרובותחלקיקים שונים באופן משמעותי בצורתם מאלה כדוריים מציגים את הרעיון של רדיוס שווה ערך למטרות ניתוח שיקוע. לשם כך, הרדיוס של חלקיקים כדוריים היפותטיים העשויים מאותו חומר כמו אלה האמיתיים בתרחיף הנחקר ושקוע באותה מהירות מוחלף במשוואות החישוב.
בפועל, חלקיקים במערכות מפוזרות הינם הטרוגניים בגודלם, וניתן לכנות את המשימה העיקרית של ניתוח שיקוע ניתוח התפלגות גודל החלקיקים בהם. במילים אחרות, במהלך חקר המערכות הפולידיפרסות, נמצא התוכן היחסי של שברים שונים (קבוצה של חלקיקים שגודלם נמצא במרווח מסוים).
תכונות של ניתוח משקעים
ישנן מספר גישות לביצוע ניתוח של מערכות מפוזרות באמצעות שקיעה:
- ניטור בשדה כבידה של המהירות שבה חלקיקים שוקעים בנוזל רגוע;
- ערבול ההשעיה להפרדתו לאחר מכן לשברים של חלקיקים בגדלים נתונים בסילון נוזל;
- הפרדה של אבקת חומרים לשברים בעלי גדלים מסוימים של חלקיקים, מבוצעת על ידי הפרדת אוויר;
- ניטור בשדה צנטריפוגלי את הפרמטרים של שקיעה של מערכות מפוזרות מאוד.
אחת הגרסה הנפוצה ביותר היא הגרסה הראשונה של הניתוח. לצורך יישומו, קצב השקיעה נקבע בכל אחת מהשיטות הבאות:
- צופה דרך מיקרוסקופ;
- שקילת המשקעים שהצטברו;
- קביעת ריכוז השלב המפוזר בתקופה מסוימת של תהליך ההתיישבות;
- מדידת לחץ הידרוסטטי במהלך שקיעה;
- קביעת צפיפות ההשעיה במהלך תקופת ההסדר.
קונספט השעיה
תרחיפים מובנים כמערכות גסות שנוצרות על ידי פאזה מפוזרת מוצקה, שגודל החלקיקים שלה עולה על 10-5 ס מ, ומדיום פיזור נוזלי. תרחיפים מאופיינים לעתים קרובות כתרחיפים של אבקת חומרים בנוזלים. למעשה, זה לא לגמרי נכון, שכן תמיסות הן תרחיפים מדוללים. החלקיקים של הפאזה המוצקה הם בלתי תלויים מבחינה קינטית ויכולים לנוע בחופשיות בנוזל.
בתרחיפים אמיתיים (מרוכזים), הנקראים לעתים קרובות משחות, חלקיקים מוצקים מקיימים אינטראקציה זה עם זה. זה מוביל להיווצרות מבנה מרחבי מסוים.
קיים סוג נוסף של מערכות מפוזרות הנוצרות על ידי פאזות מפוזרות מוצקות ומדיספרייזציה נוזלית. הם נקראים ליוסולים. עם זאת, גודל החלקיקים קטן בהרבה (מ-10-7 ל-10-5 ס מ). בהקשר זה, שקיעה בהם אינה משמעותית, אך ליוסולים מאופיינים בתופעות כמו תנועה בראונית, אוסמוזה ודיפוזיה. ניתוח השקיעה של מתלים מבוסס על חוסר היציבות הקינטית שלהם. משמעות הדבר היא שתרחיפים מאופיינים בשונות זמן של פרמטרים כגון עדינות ופיזור שיווי משקל של חלקיקים בתווך פיזור.
מתודולוגיה
ניתוח שיקוע מתבצע באמצעות מאזן פיתול עם כוס נייר כסף(קוטר 1-2 ס מ) וכוס גבוהה. לפני תחילת הניתוח, הכוס נשקלת במצע פיזור, טובלת אותה בכוס מלאה ומאזנת את האיזון. יחד עם זה, נמדד עומק הטבילה שלו. לאחר מכן, הספל מוסר ומניחים במהירות בכוס עם מתלה הבדיקה, תוך כדי שהוא חייב להיות תלוי על הוו של קרן האיזון. במקביל, שעון העצר יופעל. הטבלה מכילה נתונים על מסת המשקעים המשקעים בנקודות זמן שרירותיות.
| זמן מתחילת הלימודים, s | מסת הכוס עם משקעים, g | מסה של משקעים, g | 1/t, c-1 | מגבלת שיקוע, g |
באמצעות נתוני הטבלה, צייר עקומת שיקוע על נייר גרפי. המסה של החלקיקים המשוקעים משורטטת לאורך ציר הסמיכה, והזמן משורטט לאורך ציר האבססיס. במקרה זה, נבחר סולם מתאים כך שיהיה נוח לבצע חישובים גרפיים נוספים.
ניתוח עקומה
בתווך מונו-פזר, קצב השקיעה של החלקיקים יהיה זהה, מה שאומר שהשקיעה תתאפיין באחידות. עקומת השקיעה במקרה זה תהיה ליניארית.
במהלך שקיעה של תרחיף פולידיספרס (מה שקורה בפועל), חלקיקים בגדלים שונים נבדלים גם הם במהירות השקיעה. זה מתבטא בגרף בטשטוש גבול שכבת השיקוע.
עקומת השקיעה מעובדת על ידי חלוקתה למספר מקטעים וציור משיקים. כל משיק יאפיין שקיעה של נפרדחלק חד-פזר של המתלה.
רעיון כללי של התפלגות גודל החלקיקים
התוכן הכמותי של חלקיקים בגודל מסוים בסלע מכונה בדרך כלל ההרכב הגרנולומטרי. כמה תכונות של מדיה נקבוביות תלויות בה, למשל, חדירות, שטח פנים ספציפי, נקבוביות וכו'. בהתבסס על מאפיינים אלה, בתורו, ניתן להסיק מסקנות לגבי התנאים הגיאולוגיים להיווצרות מרבצי סלע. לכן אחד השלבים הראשונים בחקר סלעי משקע הוא ניתוח גרנולומטרי.
לפיכך, לפי תוצאות הניתוח של ההרכב הגרנולומטרי של חולות במגע עם נפט, הם בוחרים ציוד ונהלי עבודה בפרקטיקה של שדות נפט. זה עוזר לבחור מסננים כדי למנוע כניסת חול לבאר. כמות החימר והמינרלים המפוזרים בקולואידים בהרכב קובעת את תהליכי הספיגה של יונים, כמו גם את מידת התנפחות הסלעים במים.
ניתוח משקעים של הרכב גרנולומטרי של סלעים
בשל העובדה שלניתוח מערכות פיזור המבוססות על עקרונות השקיעה יש מספר מגבלות, השימוש בו בצורתו הטהורה למחקר גרנולומטרי של הרכב הסלע אינו מספק מהימנות ודיוק ראויים. כיום הוא מבוצע באמצעות ציוד מודרני באמצעות תוכנות מחשב.
הם מאפשרים מחקר של חלקיקי סלע מהשכבה ההתחלתית, מאפשרים לך להקליט באופן רציף את ההצטברותמשקעים, למעט קירוב באמצעות משוואות, למדוד את קצב השקיעה ישירות. ולא פחות חשוב, הם מאפשרים לחקור שיקוע של חלקיקים בעלי צורה לא סדירה. אחוז השבר בגודל כזה או אחר נקבע על ידי המחשב, על סמך המסה הכוללת של המדגם, כלומר אין צורך לשקול אותו לפני הניתוח.
