La esencia del método de análisis por sedimentación es medir la velocidad a la que se asientan las partículas (principalmente de un medio líquido). Y utilizando los valores de la tasa de sedimentación, se calculan los tamaños de estas partículas y su área de superficie específica. Este método determina los parámetros de partículas de muchos tipos de sistemas dispersos, como suspensiones, aerosoles, emulsiones, es decir, aquellos que están muy extendidos e importantes para diversas industrias.
El concepto de dispersión
Uno de los principales parámetros tecnológicos que caracterizan las sustancias y los materiales en varios procesos de producción es su finura. Se tiene necesariamente en cuenta durante la selección de aparatos para tecnología química, en la producción de diversos productos alimenticios, etc. Esto se debe no solo al hecho de que con una disminución en las partículas de sustancias, aumenta el área superficial de las fases y aumenta la velocidad de su interacción, sino también al hecho de que algunas propiedades del sistema cambian en este caso.. En particular, aumenta la solubilidad, aumenta la reactividadsustancias, las temperaturas de las transiciones de fase disminuyen. Por lo tanto, se hizo necesario encontrar características cuantitativas de la dispersión de varios sistemas y en el análisis de sedimentación.
Dependiendo de cómo se relacionan los tamaños de partículas en la fase dispersa, los sistemas se dividen en monodispersos y polidispersos. Los primeros consisten exclusivamente en partículas del mismo tamaño. Tales sistemas dispersos son bastante raros y en realidad están muy cerca de los verdaderos monodispersos. Por otro lado, la gran mayoría de los sistemas dispersos existentes son polidispersos. Esto significa que consisten en partículas que difieren en tamaño y su contenido no es el mismo. En el curso del análisis de sedimentación de sistemas dispersos, se determinan los tamaños de las partículas que los forman, seguido de la construcción de sus curvas de distribución de tamaño.
Fundamentos teóricos
La sedimentación es el proceso de precipitación de las partículas que componen la fase dispersa en medios gaseosos o líquidos bajo la acción de la gravedad. La sedimentación se puede revertir si las partículas (gotas) flotan en varias emulsiones.
La gravedad Fg que actúa sobre las partículas esféricas se puede calcular utilizando la fórmula de corrección hidrostática:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, donde ρ es la densidad de la materia; r es el radio de la partícula; ρ0 – densidad del fluido; g - aceleracióncaída libre.
La fuerza de fricción Fη, descrita por la ley de Stokes, contrarresta el asentamiento de las partículas:
Fη=6 π η r ᴠsed, donde ᴠsed es la velocidad de la partícula y η es la viscosidad del fluido.
En algún momento, las partículas comienzan a asentarse a una velocidad constante, lo que se explica por la igualdad de las fuerzas opuestas Fg=Fη, lo que significa que la igualdad también es cierta:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Al transformarlo, puede obtener una fórmula que refleja la relación entre el radio de la partícula y su tasa de sedimentación:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Si tenemos en cuenta que la velocidad de las partículas se puede definir como la relación entre su trayectoria H y el tiempo de movimiento τ, entonces podemos escribir la ecuación de Stokes:
ᴠsáb=N/t.
Entonces el radio de la partícula se puede relacionar con el tiempo de su sedimentación mediante la ecuación:
r=K √N/t.
Sin embargo, vale la pena señalar que tal justificación teórica del análisis de sedimentación será válida bajo una serie de condiciones:
- El tamaño de las partículas sólidas debe estar entre 10–5 a 10–2 ver
- Las partículas deben ser esféricas.
- Las partículas deben moverse a una velocidad constante e independiente de las partículas vecinas.
- La fricción debe ser un fenómeno interno de un medio de dispersión.
Debido al hecho de que las suspensiones reales a menudo contienenlas partículas que difieren significativamente en forma de las esféricas introducen el concepto de radio equivalente a los efectos del análisis de sedimentación. Para ello, se sustituye en las ecuaciones de cálculo el radio de hipotéticas partículas esféricas del mismo material que las reales en la suspensión estudiada y que se asientan a la misma velocidad.
En la práctica, las partículas en sistemas dispersos son de tamaño heterogéneo, y la tarea principal del análisis de sedimentación puede denominarse análisis de la distribución del tamaño de partículas en ellos. En otras palabras, durante el estudio de sistemas polidispersos, se encuentra el contenido relativo de varias fracciones (un conjunto de partículas cuyos tamaños se encuentran en un cierto intervalo).
Características del análisis de sedimentación
Existen varios enfoques para realizar análisis de sistemas dispersos por sedimentación:
- supervisar en un campo gravitatorio la velocidad a la que las partículas se asientan en un líquido en calma;
- agitación en suspensión para su posterior separación en fracciones de partículas de determinados tamaños en un chorro de líquido;
- separación de sustancias en polvo en fracciones con determinados tamaños de partículas, realizada mediante separación por aire;
- seguimiento en un campo centrífugo de los parámetros de hundimiento de sistemas altamente dispersos.
Una de las más utilizadas es la primera versión del análisis. Para su realización se determina la tasa de sedimentación por alguno de los siguientes métodos:
- observando a través de un microscopio;
- pesando el sedimento acumulado;
- determinar la concentración de la fase dispersa en un determinado período del proceso de sedimentación;
- medición de la presión hidrostática durante el hundimiento;
- determinación de la densidad de la suspensión durante el período de sedimentación.
Concepto de suspensión
Se entiende por suspensiones los sistemas gruesos formados por una fase sólida dispersa, cuyo tamaño de partícula es superior a 10-5 cm, y un medio de dispersión líquido. Las suspensiones se caracterizan a menudo como suspensiones de sustancias en polvo en líquidos. De hecho, esto no es del todo cierto, ya que los slurries son suspensiones diluidas. Las partículas de la fase sólida son cinéticamente independientes y pueden moverse libremente en el líquido.
En las suspensiones reales (concentradas), a menudo llamadas pastas, las partículas sólidas interactúan entre sí. Esto lleva a la formación de una cierta estructura espacial.
Existe otro tipo de sistemas dispersos formados por fases dispersas sólidas y medios de dispersión líquidos. Se llaman liosoles. Sin embargo, el tamaño de las partículas es mucho menor (de 10-7 a 10-5 cm). En este sentido, la sedimentación en ellos es insignificante, pero los liosoles se caracterizan por fenómenos como el movimiento browniano, la ósmosis y la difusión. El análisis de sedimentación de las suspensiones se basa en su inestabilidad cinética. Esto significa que las suspensiones se caracterizan por la variabilidad en el tiempo de parámetros como la finura y la distribución en equilibrio de las partículas en un medio de dispersión.
Metodología
El análisis de sedimentación se realiza utilizando una balanza de torsión con un vaso de aluminio(diámetro 1-2 cm) y un vaso alto. Antes de iniciar el análisis, se pesa el vaso en un medio de dispersión, sumergiéndolo en un vaso de precipitados lleno y equilibrando la balanza. Junto con esto, se mide la profundidad de su inmersión. Después de eso, la copa se retira y se coloca rápidamente en un vaso con la suspensión de prueba, mientras que debe colgarse en el gancho de la barra de equilibrio. Al mismo tiempo, el cronómetro se iniciará. La tabla contiene datos sobre la masa de precipitación precipitada en puntos arbitrarios en el tiempo.
| Tiempo desde el inicio del estudio, s | Masa de la copa con sedimento, g | Masa de sedimento, g | 1/t, do-1 | Límite de sedimentación, g |
Utilizando los datos de la tabla, dibuje una curva de sedimentación en papel cuadriculado. La masa de partículas sedimentadas se representa en el eje de ordenadas y el tiempo en el eje de abscisas. En este caso, se selecciona una escala adecuada para que sea conveniente realizar más cálculos gráficos.
Análisis de curvas
En un medio monodisperso, la velocidad de sedimentación de las partículas será la misma, lo que significa que la sedimentación se caracterizará por la uniformidad. La curva de sedimentación en este caso será lineal.
Durante la sedimentación de una suspensión polidispersa (lo que sucede en la práctica), las partículas de diferentes tamaños también difieren en la velocidad de sedimentación. Esto se expresa en el gráfico en el desenfoque del límite de la capa de sedimentación.
La curva de hundimiento se procesa dividiéndola en varios segmentos y dibujando tangentes. Cada tangente caracterizará el hundimiento de unparte monodispersa de la suspensión.
Idea general de la distribución del tamaño de las partículas
El contenido cuantitativo de partículas de un determinado tamaño en la roca suele denominarse composición granulométrica. Algunas propiedades de los medios porosos dependen de ello, por ejemplo, la permeabilidad, el área superficial específica, la porosidad, etc. Con base en estas propiedades, a su vez, se pueden sacar conclusiones sobre las condiciones geológicas para la formación de depósitos de rocas. Es por ello que una de las primeras etapas en el estudio de las rocas sedimentarias es el análisis granulométrico.
Así, de acuerdo a los resultados del análisis de la composición granulométrica de las arenas en contacto con el petróleo, eligen equipos y procedimientos de trabajo en la práctica petrolera. Ayuda a seleccionar filtros para evitar que la arena entre en el pozo. La cantidad de arcilla y minerales coloidales dispersos en la composición determina los procesos de absorción de iones, así como el grado de hinchamiento de las rocas en el agua.
Análisis sedimentario de la composición granulométrica de las rocas
Debido a que el análisis de sistemas dispersos basado en los principios de la sedimentación tiene una serie de limitaciones, su uso en su forma pura para el estudio granulométrico de la composición de la roca no proporciona la debida fiabilidad y precisión. Hoy en día se realiza utilizando equipos modernos mediante programas informáticos.
Permiten el estudio de las partículas de roca desde la capa inicial, permiten registrar continuamente la acumulaciónsedimento, excluyendo la aproximación por ecuaciones, mida la tasa de sedimentación directamente. Y, no menos importante, permiten el estudio de la sedimentación de partículas de forma irregular. El porcentaje de fracción de un tamaño u otro lo determina el ordenador en función de la masa total de la muestra, por lo que no es necesario pesarla antes del análisis.
