L'essence de la méthode d'analyse par sédimentation est de mesurer la vitesse à laquelle les particules se déposent (principalement à partir d'un milieu liquide). Et en utilisant les valeurs du taux de sédimentation, les tailles de ces particules et leur surface spécifique sont calculées. Cette méthode détermine les paramètres des particules de nombreux types de systèmes dispersés, tels que les suspensions, les aérosols, les émulsions, c'est-à-dire ceux qui sont répandus et importants pour diverses industries.
Le concept de dispersion
L'un des principaux paramètres technologiques caractérisant les substances et les matériaux dans divers processus de production est leur finesse. Il est nécessairement pris en compte lors de la sélection d'appareils pour la technologie chimique, dans la production de divers produits alimentaires, etc. Cela est dû non seulement au fait qu'avec une diminution des particules de substances, la surface des phases augmente et le taux de leur interaction augmente, mais aussi au fait que certaines propriétés du système changent dans ce cas.. En particulier, la solubilité augmente, la réactivité augmentesubstances, les températures des transitions de phase diminuent. Par conséquent, il est devenu nécessaire de trouver des caractéristiques quantitatives de la dispersion de divers systèmes et dans l'analyse de la sédimentation.
Selon la relation entre les tailles de particules dans la phase dispersée, les systèmes sont divisés en systèmes monodispersés et polydispersés. Les premiers sont constitués exclusivement de particules de même taille. De tels systèmes dispersés sont assez rares et sont en réalité très proches des véritables systèmes monodisperses. D'autre part, la grande majorité des systèmes dispersés existants sont polydispersés. Cela signifie qu'ils sont constitués de particules de tailles différentes et que leur contenu n'est pas le même. Au cours de l'analyse de sédimentation des systèmes dispersés, les tailles des particules qui les forment sont déterminées, suivies de la construction de leurs courbes de distribution de taille.
Fondements théoriques
La sédimentation est le processus de précipitation des particules qui composent la phase dispersée dans des milieux gazeux ou liquides sous l'action de la gravité. La sédimentation peut être inversée si des particules (gouttelettes) flottent dans diverses émulsions.
La gravité Fg agissant sur des particules sphériques peut être calculée à l'aide de la formule de correction hydrostatique:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, où ρ est la densité de la matière; r est le rayon des particules; ρ0 – densité du fluide; g - accélérationchute libre.
La force de frottement Fη, décrite par la loi de Stokes, s'oppose à la sédimentation des particules:
Fη=6 π η r ᴠsed, où ᴠsed est la vitesse des particules et η est la viscosité du fluide.
À un certain moment, les particules commencent à se déposer à une vitesse constante, ce qui s'explique par l'égalité des forces opposées Fg=Fη, ce qui signifie que l'égalité est également vraie:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. En le transformant, vous pouvez obtenir une formule qui reflète la relation entre le rayon de la particule et sa vitesse de sédimentation:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Si l'on tient compte du fait que la vitesse des particules peut être définie comme le rapport de sa trajectoire H au temps de déplacement τ, alors on peut écrire l'équation de Stokes:
ᴠsam=N/t.
Alors le rayon de la particule peut être lié au temps de sa sédimentation par l'équation:
r=K √N/t.
Cependant, il convient de noter qu'une telle justification théorique de l'analyse de la sédimentation sera valide sous un certain nombre de conditions:
- La taille des particules solides doit être comprise entre 10–5 et 10–2 voir
- Les particules doivent être sphériques.
- Les particules doivent se déplacer à une vitesse constante et indépendamment des particules voisines.
- Le frottement doit être un phénomène interne d'un milieu de dispersion.
Du fait que les vraies suspensions contiennent souventles particules dont la forme diffère considérablement des particules sphériques introduisent le concept de rayon équivalent aux fins de l'analyse de la sédimentation. Pour ce faire, le rayon de particules sphériques hypothétiques constituées du même matériau que les particules réelles dans la suspension étudiée et se déposant à la même vitesse est substitué dans les équations de calcul.
En pratique, les particules dans les systèmes dispersés sont de taille hétérogène, et la tâche principale de l'analyse de la sédimentation peut être appelée l'analyse de la distribution granulométrique en eux. En d'autres termes, lors de l'étude des systèmes polydispersés, on trouve le contenu relatif de diverses fractions (un ensemble de particules dont les tailles se situent dans un certain intervalle).
Caractéristiques de l'analyse de sédimentation
Il existe plusieurs approches pour effectuer l'analyse de systèmes dispersés par sédimentation:
- surveiller dans un champ gravitationnel la vitesse à laquelle les particules se déposent dans un liquide calme;
- agitation en suspension pour sa séparation ultérieure en fractions de particules de tailles données dans un jet de liquide;
- séparation de substances pulvérulentes en fractions avec certaines tailles de particules, effectuée par séparation à l'air;
- suivi dans un champ centrifuge des paramètres de subsidence de systèmes très dispersés.
L'une des plus utilisées est la première version de l'analyse. Pour sa mise en œuvre, la vitesse de sédimentation est déterminée par l'une des méthodes suivantes:
- regarder au microscope;
- peser les sédiments accumulés;
- détermination de la concentration de la phase dispersée dans une certaine période du processus de décantation;
- mesure de la pression hydrostatique pendant l'affaissement;
- détermination de la densité de la suspension pendant la période de sédimentation.
Concept suspendu
Les suspensions s'entendent comme des systèmes grossiers formés d'une phase solide dispersée, dont la granulométrie dépasse 10-5 cm, et d'un milieu de dispersion liquide. Les suspensions sont souvent caractérisées comme des suspensions de substances en poudre dans des liquides. En fait, ce n'est pas tout à fait vrai, car les boues sont des suspensions diluées. Les particules de la phase solide sont cinétiquement indépendantes et peuvent se déplacer librement dans le liquide.
Dans les suspensions réelles (concentrées), souvent appelées pâtes, les particules solides interagissent les unes avec les autres. Cela conduit à la formation d'une certaine structure spatiale.
Il existe un autre type de systèmes dispersés formés de phases solides dispersées et de milieux de dispersion liquides. Ils sont appelés lyosols. Cependant, la taille des particules est beaucoup plus petite (de 10-7 à 10-5 cm). À cet égard, la sédimentation en eux est insignifiante, mais les lyosols sont caractérisés par des phénomènes tels que le mouvement brownien, l'osmose et la diffusion. L'analyse de la sédimentation des suspensions est basée sur leur instabilité cinétique. Cela signifie que les suspensions sont caractérisées par la variabilité temporelle de paramètres tels que la finesse et la distribution à l'équilibre des particules dans un milieu de dispersion.
Méthodologie
L'analyse de la sédimentation est effectuée à l'aide d'une balance de torsion avec une coupelle en aluminium(diamètre 1-2 cm) et un grand verre. Avant de commencer l'analyse, la coupelle est pesée dans un milieu de dispersion, en la plongeant dans un bécher rempli et en équilibrant la balance. Parallèlement à cela, la profondeur de son immersion est mesurée. Après cela, la tasse est retirée et rapidement placée dans un verre avec la suspension d'essai, tandis qu'elle doit être accrochée au crochet de la poutre d'équilibre. En même temps, le chronomètre se mettra en marche. Le tableau contient des données sur la masse des précipitations précipitées à des moments arbitraires.
| Durée depuis le début de l'étude, s | Masse de la coupe avec sédiment, g | Masse de sédiments, g | 1/t, c-1 | Limite de sédimentation, g |
À l'aide des données du tableau, tracez une courbe de sédimentation sur du papier quadrillé. La masse de particules déposées est tracée le long de l'axe des ordonnées et le temps est tracé le long de l'axe des abscisses. Dans ce cas, une échelle adéquate est sélectionnée afin qu'il soit pratique d'effectuer d'autres calculs graphiques.
Analyse de courbe
Dans un milieu monodispersé, la vitesse de sédimentation des particules sera la même, ce qui signifie que la sédimentation sera caractérisée par l'uniformité. La courbe de sédimentation dans ce cas sera linéaire.
Lors de la décantation d'une suspension polydispersée (ce qui se produit en pratique), les particules de tailles différentes diffèrent également par leur vitesse de décantation. Cela se traduit sur le graphique par le flou de la limite de la couche de décantation.
La courbe d'affaissement est traitée en la divisant en plusieurs segments et en dessinant des tangentes. Chaque tangente caractérisera l'affaissement d'unpartie monodisperse de la suspension.
Idée générale de la distribution granulométrique
La teneur quantitative en particules d'une certaine taille dans la roche est généralement appelée composition granulométrique. Certaines propriétés des milieux poreux en dépendent, par exemple la perméabilité, la surface spécifique, la porosité, etc. Sur la base de ces propriétés, à leur tour, des conclusions peuvent être tirées sur les conditions géologiques de la formation de dépôts rocheux. C'est pourquoi l'une des premières étapes de l'étude des roches sédimentaires est l'analyse granulométrique.
Ainsi, en fonction des résultats de l'analyse de la composition granulométrique des sables en contact avec le pétrole, ils choisissent les équipements et les procédures de travail dans la pratique pétrolière. Il aide à sélectionner des filtres pour empêcher le sable de pénétrer dans le puits. La quantité d'argile et de minéraux colloïdaux dispersés dans la composition détermine les processus d'absorption des ions, ainsi que le degré de gonflement des roches dans l'eau.
Analyse sédimentaire de la composition granulométrique des roches
Du fait que l'analyse des systèmes dispersés basée sur les principes de la sédimentation présente un certain nombre de limitations, son utilisation dans sa forme pure pour l'étude granulométrique de la composition des roches n'offre pas la fiabilité et la précision requises. Aujourd'hui, il est effectué à l'aide d'équipements modernes utilisant des programmes informatiques.
Ils permettent l'étude des particules de roche à partir de la couche de départ, vous permettent d'enregistrer en continu l'accumulationsédiment, hors approximation par équations, mesure directement la vitesse de sédimentation. Et, non moins important, ils permettent l'étude de la sédimentation de particules de forme irrégulière. Le pourcentage de fraction d'une taille ou d'une autre est déterminé par l'ordinateur, en fonction de la masse totale de l'échantillon, ce qui signifie qu'il n'a pas besoin d'être pesé avant l'analyse.
