สาระสำคัญของวิธีการวิเคราะห์การตกตะกอนคือการวัดอัตราที่อนุภาคตกตะกอน (ส่วนใหญ่มาจากตัวกลางที่เป็นของเหลว) และใช้ค่าของอัตราการตกตะกอนจะคำนวณขนาดของอนุภาคเหล่านี้และพื้นที่ผิวจำเพาะ วิธีนี้กำหนดพารามิเตอร์ของอนุภาคของระบบกระจายหลายชนิด เช่น สารแขวนลอย ละอองลอย อิมัลชัน ซึ่งแพร่หลายและมีความสำคัญสำหรับอุตสาหกรรมต่างๆ
แนวคิดของการกระจาย
หนึ่งในพารามิเตอร์ทางเทคโนโลยีหลักที่แสดงลักษณะเฉพาะของสารและวัสดุในกระบวนการผลิตที่หลากหลายคือความวิจิตรของพวกมัน จำเป็นต้องนำมาพิจารณาในระหว่างการเลือกเครื่องมือสำหรับเทคโนโลยีเคมี ในการผลิตผลิตภัณฑ์อาหารต่างๆ ฯลฯ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าอนุภาคของสารลดลงพื้นที่ผิวของเฟสเพิ่มขึ้นและอัตราการโต้ตอบเพิ่มขึ้น แต่ยังรวมถึงความจริงที่ว่าคุณสมบัติบางอย่างของระบบเปลี่ยนไปในกรณีนี้. โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความสามารถในการละลายเพิ่มขึ้น การเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นสารอุณหภูมิของการเปลี่ยนเฟสลดลง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องค้นหาลักษณะเชิงปริมาณของการกระจายตัวของระบบต่างๆ และในการวิเคราะห์การตกตะกอน
ขึ้นอยู่กับว่าขนาดอนุภาคในระยะกระจัดกระจายนั้นสัมพันธ์กันอย่างไร ระบบแบ่งออกเป็นโมโนดิสเพอร์สและโพลิดิสเพอร์ส อดีตประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเท่ากันเท่านั้น ระบบการกระจัดกระจายดังกล่าวค่อนข้างหายากและในความเป็นจริงนั้นใกล้เคียงกับระบบการกระจายตัวแบบ monodisperse อย่างแท้จริง ในทางกลับกัน ระบบการกระจายที่มีอยู่ส่วนใหญ่เป็นแบบโพลีดิสเพอร์ส ซึ่งหมายความว่าประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดต่างกันและมีเนื้อหาไม่เหมือนกัน ในการวิเคราะห์การตกตะกอนของระบบการกระจาย ขนาดของอนุภาคที่ก่อตัวจะถูกกำหนด ตามด้วยการสร้างเส้นโค้งการกระจายขนาด
พื้นฐานทางทฤษฎี
ตกตะกอนเป็นกระบวนการตกตะกอนของอนุภาคที่ประกอบเป็นเฟสที่กระจายตัวในตัวกลางที่เป็นก๊าซหรือของเหลวภายใต้การกระทำของแรงโน้มถ่วง การตกตะกอนสามารถย้อนกลับได้หากอนุภาค (หยดน้ำ) ลอยอยู่ในอิมัลชันต่างๆ
แรงโน้มถ่วง Fg การกระทำกับอนุภาคทรงกลมสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรการแก้ไขอุทกสถิต:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, โดยที่ ρ คือความหนาแน่นของสสาร r คือรัศมีของอนุภาค ρ0 – ความหนาแน่นของของเหลว; g - ความเร่งตกอย่างอิสระ
แรงเสียดทาน Fη อธิบายโดยกฎหมาย Stokes ที่ต่อต้านการตกตะกอนของอนุภาค:
Fη=6 π η r ᴠsed, โดยที่ ᴠsed คือความเร็วของอนุภาคและ η คือความหนืดของไหล
ในบางช่วงเวลา อนุภาคเริ่มตั้งตัวด้วยความเร็วคงที่ ซึ่งอธิบายได้จากความเท่าเทียมกันของกองกำลังฝ่ายตรงข้าม Fg=Fηซึ่งหมายความว่าความเท่าเทียมกันก็เป็นจริงเช่นกัน:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. คุณจะได้สูตรที่สะท้อนถึงความสัมพันธ์ระหว่างรัศมีอนุภาคกับอัตราการตกตะกอนของอนุภาคโดยการแปลง:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
หากเราคำนึงว่าความเร็วของอนุภาคสามารถกำหนดเป็นอัตราส่วนของเส้นทาง H ต่อเวลาของการเคลื่อนที่ τ ได้ เราก็สามารถเขียนสมการสโตกส์ได้:
ᴠsat=N/t.
จากนั้นรัศมีของอนุภาคสามารถสัมพันธ์กับเวลาที่ตกตะกอนได้โดยสมการ:
r=K √N/t.
อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าเหตุผลเชิงทฤษฎีของการวิเคราะห์การตกตะกอนนั้นจะใช้ได้ภายใต้เงื่อนไขหลายประการ:
- ขนาดอนุภาคของแข็งควรอยู่ระหว่าง 10–5 ถึง 10–2 ดู
- อนุภาคต้องเป็นทรงกลม
- อนุภาคต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่และไม่ขึ้นกับอนุภาคข้างเคียง
- แรงเสียดทานต้องเป็นปรากฏการณ์ภายในของตัวกลางกระจาย
เพราะสารแขวนลอยของจริงมักจะมีอนุภาคที่มีรูปร่างแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญจากอนุภาคทรงกลมแนะนำแนวคิดของรัศมีเทียบเท่าเพื่อการวิเคราะห์การตกตะกอน ในการทำเช่นนี้ รัศมีของอนุภาคทรงกลมสมมติที่ทำจากวัสดุชนิดเดียวกับของจริงในสารแขวนลอยที่ศึกษาและตกตะกอนด้วยความเร็วเท่ากันจะถูกแทนที่ในสมการการคำนวณ
ในทางปฏิบัติ อนุภาคในระบบกระจัดกระจายมีขนาดต่างกัน และงานหลักของการวิเคราะห์การตกตะกอนสามารถเรียกได้ว่าเป็นการวิเคราะห์การกระจายขนาดอนุภาคในตัวมัน ในระหว่างการศึกษาระบบ polydisperse จะพบเนื้อหาสัมพัทธ์ของเศษส่วนต่างๆ (ชุดของอนุภาคที่มีขนาดอยู่ในช่วงหนึ่ง)
คุณสมบัติของการวิเคราะห์การตกตะกอน
มีหลายวิธีในการวิเคราะห์ระบบกระจัดกระจายโดยการตกตะกอน:
- การเฝ้าสังเกตความเร็วในสนามโน้มถ่วงที่อนุภาคตกตะกอนในของเหลวสงบ
- ระงับการกวนเพื่อแยกออกเป็นเศษส่วนของอนุภาคขนาดที่กำหนดในเจ็ทเหลว
- การแยกสารที่เป็นผงออกเป็นเศษส่วนด้วยขนาดอนุภาคที่แน่นอน ดำเนินการโดยการแยกอากาศ
- การตรวจสอบพารามิเตอร์ของการทรุดตัวของระบบที่มีการกระจายตัวสูงในเขตแรงเหวี่ยงในสนามแรงเหวี่ยง
วิธีหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดคือเวอร์ชันแรกของการวิเคราะห์ สำหรับการใช้งาน อัตราการตกตะกอนจะถูกกำหนดโดยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้:
- ดูผ่านกล้องจุลทรรศน์
- ชั่งน้ำหนักตะกอนที่สะสม;
- การกำหนดความเข้มข้นของระยะกระจัดกระจายในช่วงเวลาหนึ่งของกระบวนการตกตะกอน
- วัดความดันอุทกสถิตระหว่างการทรุดตัว
- การกำหนดความหนาแน่นของช่วงล่างในช่วงระยะเวลาการตกตะกอน
แนวคิดระงับ
การหยุดชะงักเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นระบบหยาบที่เกิดจากเฟสที่กระจายตัวเป็นของแข็งซึ่งมีขนาดอนุภาคเกิน 10-5 ซม. และสื่อกระจายของเหลว สารแขวนลอยมักมีลักษณะเป็นสารแขวนลอยของผงแป้งในของเหลว อันที่จริง สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงทั้งหมด เนื่องจากสารแขวนลอยเป็นสารแขวนลอยแบบเจือจาง อนุภาคของเฟสของแข็งเป็นอิสระจากจลนศาสตร์และสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในของเหลว
สารแขวนลอยของจริง (เข้มข้น) ซึ่งมักเรียกว่าน้ำพริก อนุภาคที่เป็นของแข็งมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน สิ่งนี้นำไปสู่การก่อตัวของโครงสร้างเชิงพื้นที่บางอย่าง
มีระบบกระจัดกระจายอีกประเภทหนึ่งที่เกิดขึ้นจากเฟสที่กระจายตัวของของแข็งและตัวกลางกระจายตัวของของเหลว พวกเขาเรียกว่าไลโอซอล อย่างไรก็ตาม ขนาดอนุภาคมีขนาดเล็กกว่ามาก (จาก 10-7 ถึง 10-5 cm) ในเรื่องนี้การตกตะกอนในพวกมันไม่มีนัยสำคัญ แต่ lyosols นั้นโดดเด่นด้วยปรากฏการณ์เช่นการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนออสโมซิสและการแพร่กระจาย การวิเคราะห์การตกตะกอนของสารแขวนลอยขึ้นอยู่กับความไม่แน่นอนของจลนศาสตร์ ซึ่งหมายความว่าสารแขวนลอยมีลักษณะเฉพาะโดยความแปรปรวนของเวลาของพารามิเตอร์ เช่น ความละเอียดและการกระจายที่สมดุลของอนุภาคในตัวกลางการกระจาย
วิธีการ
วิเคราะห์การตกตะกอนโดยใช้ทอร์ชันบาลานซ์กับถ้วยฟอยล์(เส้นผ่านศูนย์กลาง 1-2 ซม.) และแก้วทรงสูง ก่อนเริ่มการวิเคราะห์ ถ้วยจะถูกชั่งน้ำหนักในตัวกลางแบบกระจาย จุ่มลงในบีกเกอร์ที่เติมแล้วและปรับสมดุลให้สมดุล นอกจากนี้ยังวัดความลึกของการแช่ หลังจากนั้น นำถ้วยออกและวางอย่างรวดเร็วในแก้วที่มีระบบกันกระเทือนทดสอบ ขณะที่ต้องแขวนไว้บนขอเกี่ยวของคานทรงตัว ในเวลาเดียวกัน นาฬิกาจับเวลาจะเริ่มขึ้น ตารางนี้มีข้อมูลมวลหยาดน้ำฟ้า ณ จุดใดเวลาหนึ่ง
| เวลาเริ่มเรียน s | มวลถ้วยมีตะกอน g | มวลตะกอน g | 1/t, c-1 | ขีดจำกัดการตกตะกอน g |
ใช้ข้อมูลตารางวาดเส้นโค้งตกตะกอนบนกระดาษกราฟ มวลของอนุภาคที่ตกตะกอนจะถูกพล็อตตามแกนกำหนด และเวลาจะถูกพล็อตตามแกนแอบซิสซา ในกรณีนี้ มาตราส่วนที่เหมาะสมจะถูกเลือกเพื่อให้สะดวกต่อการคำนวณแบบกราฟิกเพิ่มเติม
วิเคราะห์เส้นโค้ง
ในสื่อ monodisperse อัตราการตกตะกอนของอนุภาคจะเท่ากัน ซึ่งหมายความว่าการตกตะกอนจะมีลักษณะสม่ำเสมอ กราฟการตกตะกอนในกรณีนี้จะเป็นเส้นตรง
ระหว่างการตกตะกอนของสารแขวนลอยโพลีดิสเพอร์ส (ซึ่งเกิดขึ้นในทางปฏิบัติ) อนุภาคที่มีขนาดต่างกันก็ต่างกันที่ความเร็วในการตกตะกอน สิ่งนี้แสดงบนกราฟในการเบลอของขอบเขตของชั้นตกตะกอน
เส้นโค้งการทรุดตัวถูกประมวลผลโดยแบ่งออกเป็นหลายส่วนแล้ววาดแทนเจนต์ แทนเจนต์แต่ละตัวจะกำหนดลักษณะการทรุดตัวของการแยกตัวออกจากกันmonodisperse ส่วนหนึ่งของช่วงล่าง
แนวคิดทั่วไปของการกระจายขนาดอนุภาค
เนื้อหาเชิงปริมาณของอนุภาคขนาดใดขนาดหนึ่งในหินมักเรียกว่าองค์ประกอบแกรนูลลอมเมตริก คุณสมบัติบางอย่างของสื่อที่มีรูพรุนขึ้นอยู่กับคุณสมบัตินั้น เช่น การซึมผ่าน พื้นที่ผิวจำเพาะ ความพรุน เป็นต้น จากคุณสมบัติเหล่านี้ สามารถสรุปข้อสรุปเกี่ยวกับสภาพทางธรณีวิทยาสำหรับการก่อตัวของหินสะสม นั่นคือเหตุผลที่ขั้นตอนแรกในการศึกษาหินตะกอนคือการวิเคราะห์แกรนูลเมตริก
ดังนั้น จากผลการวิเคราะห์องค์ประกอบแกรนูลลอมเมตริกของทรายที่สัมผัสกับน้ำมัน พวกเขาเลือกอุปกรณ์และขั้นตอนการทำงานในการฝึกฝนบ่อน้ำมัน ช่วยเลือกแผ่นกรองไม่ให้ทรายเข้าบ่อ ปริมาณดินเหนียวและแร่ธาตุที่กระจายตัวคอลลอยด์ในองค์ประกอบกำหนดกระบวนการดูดซับไอออน ตลอดจนระดับการบวมของหินในน้ำ
การวิเคราะห์ตะกอนขององค์ประกอบแกรนูลของหิน
เนื่องจากการวิเคราะห์ระบบการกระจายตัวตามหลักการของการตกตะกอนมีข้อจำกัดหลายประการ การใช้มันในรูปแบบบริสุทธิ์สำหรับการศึกษาองค์ประกอบหินแกรนูลเมตริกซ์ไม่ได้ให้ความน่าเชื่อถือและความถูกต้องแม่นยำ วันนี้ดำเนินการโดยใช้อุปกรณ์ที่ทันสมัยโดยใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์
อนุญาตให้ศึกษาอนุภาคหินจากชั้นเริ่มต้น ให้คุณบันทึกการสะสมอย่างต่อเนื่องตะกอน ไม่รวมการประมาณด้วยสมการ วัดอัตราการตกตะกอนโดยตรง และที่สำคัญไม่น้อยไปกว่านั้นคือช่วยให้สามารถศึกษาการตกตะกอนของอนุภาคที่มีรูปร่างผิดปกติได้ เปอร์เซ็นต์ของเศษส่วนของขนาดอย่างใดอย่างหนึ่งจะถูกกำหนดโดยคอมพิวเตอร์ โดยอิงจากมวลรวมของกลุ่มตัวอย่าง ซึ่งหมายความว่าไม่ต้องชั่งน้ำหนักก่อนการวิเคราะห์
