A essência do método de análise de sedimentação é medir a taxa na qual as partículas se depositam (principalmente de um meio líquido). E usando os valores da taxa de sedimentação, são calculados os tamanhos dessas partículas e sua área de superfície específica. Este método determina os parâmetros de partículas de diversos tipos de sistemas dispersos, como suspensões, aerossóis, emulsões, ou seja, aqueles que são difundidos e importantes para diversas indústrias.
O conceito de dispersão
Um dos principais parâmetros tecnológicos que caracterizam substâncias e materiais em diversos processos de produção é a sua finura. É necessariamente levado em consideração durante a seleção de aparelhos para tecnologia química, na produção de vários produtos alimentícios, etc. Isso se deve não apenas ao fato de que, com a diminuição das partículas de substâncias, a área de superfície das fases aumenta e a taxa de interação aumenta, mas também ao fato de algumas propriedades do sistema mudarem neste caso. Em particular, a solubilidade aumenta, a reatividade aumentasubstâncias, as temperaturas das transições de fase diminuem. Portanto, tornou-se necessário encontrar características quantitativas da dispersão de vários sistemas e na análise de sedimentação.
Dependendo de como os tamanhos das partículas na fase dispersa estão relacionados, os sistemas são divididos em monodispersos e polidispersos. Os primeiros consistem exclusivamente em partículas do mesmo tamanho. Tais sistemas dispersos são bastante raros e na realidade estão muito próximos dos verdadeiros monodispersos. Por outro lado, a grande maioria dos sistemas dispersos existentes são polidispersos. Isso significa que eles consistem em partículas que diferem em tamanho e seu conteúdo não é o mesmo. No decorrer da análise de sedimentação de sistemas dispersos, são determinados os tamanhos das partículas que os formam, seguido da construção de suas curvas de distribuição de tamanho.
Fundamentos teóricos
Sedimentação é o processo de precipitação das partículas que compõem a fase dispersa em meio gasoso ou líquido sob a ação da gravidade. A sedimentação pode ser revertida se as partículas (gotículas) flutuarem em várias emulsões.
Gravidade Fg agindo em partículas esféricas pode ser calculada usando a fórmula de correção hidrostática:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, onde ρ é a densidade da matéria; r é o raio da partícula; ρ0 – densidade do fluido; g - aceleraçãoqueda livre.
A força de atrito Fη, descrita pela lei de Stokes, neutraliza a sedimentação das partículas:
Fη=6 π η r ᴠsed, onde ᴠsed é a velocidade da partícula e η é a viscosidade do fluido.
Em algum momento, as partículas começam a se acomodar com velocidade constante, o que é explicado pela igualdade das forças opostas Fg=Fη, o que significa que a igualdade também é verdadeira:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Ao transformá-lo, você pode obter uma fórmula que reflete a relação entre o raio da partícula e sua taxa de sedimentação:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Se levarmos em conta que a velocidade das partículas pode ser definida como a razão entre sua trajetória H e o tempo de movimento τ, então podemos escrever a equação de Stokes:
ᴠsat=N/t.
Então o raio da partícula pode ser relacionado ao tempo de seu assentamento pela equação:
r=K √N/t.
No entanto, vale a pena notar que tal justificativa teórica da análise de sedimentação será válida sob várias condições:
- O tamanho da partícula sólida deve estar entre 10–5 a 10–2 veja
- As partículas devem ser esféricas.
- As partículas devem se mover a uma velocidade constante e independente das partículas vizinhas.
- A fricção deve ser um fenômeno interno de um meio de dispersão.
Devido ao fato de que as suspensões reais geralmente contêmpartículas que diferem significativamente em forma das esféricas introduzem o conceito de raio equivalente para fins de análise de sedimentação. Para isso, o raio de partículas esféricas hipotéticas feitas do mesmo material que as reais na suspensão estudada e se acomodando na mesma velocidade é substituído nas equações de cálculo.
Na prática, as partículas em sistemas dispersos são heterogêneas em tamanho, e a principal tarefa da análise de sedimentação pode ser chamada de análise da distribuição do tamanho das partículas neles. Em outras palavras, durante o estudo de sistemas polidispersos, o conteúdo relativo de várias frações é encontrado (um conjunto de partículas cujos tamanhos estão em um determinado intervalo).
Características da análise de sedimentação
Existem várias abordagens para realizar a análise de sistemas dispersos por sedimentação:
- monitorando em um campo gravitacional a velocidade com que as partículas se acomodam em um líquido calmo;
- agitação em suspensão para sua posterior separação em frações de partículas de tamanhos dados em um jato de líquido;
- separação de substâncias em pó em frações com determinados tamanhos de partículas, realizada por separação de ar;
- monitoramento em campo centrífugo dos parâmetros de subsidência de sistemas altamente dispersos.
Uma das mais utilizadas é a primeira versão da análise. Para sua implementação, a taxa de sedimentação é determinada por qualquer um dos seguintes métodos:
- observando através de um microscópio;
- pesando o sedimento acumulado;
- determinação da concentração da fase dispersa em um determinado período do processo de decantação;
- medição da pressão hidrostática durante a subsidência;
- determinando a densidade da suspensão durante o período de sedimentação.
Conceito de suspensão
Suspensões são entendidas como sistemas grosseiros formados por uma fase sólida dispersa, cujo tamanho de partícula excede 10-5 cm, e um meio de dispersão líquido. As suspensões são frequentemente caracterizadas como suspensões de substâncias em pó em líquidos. Na verdade, isso não é inteiramente verdade, uma vez que as pastas são suspensões diluídas. As partículas da fase sólida são cineticamente independentes e podem se mover livremente no líquido.
Em suspensões reais (concentradas), muitas vezes chamadas de pastas, as partículas sólidas interagem umas com as outras. Isso leva à formação de uma certa estrutura espacial.
Existe outro tipo de sistema disperso formado por fases dispersas sólidas e meios de dispersão líquidos. Eles são chamados de liossóis. No entanto, o tamanho da partícula é muito menor (de 10-7 a 10-5 cm). A este respeito, a sedimentação neles é insignificante, mas os liossolos são caracterizados por fenômenos como movimento browniano, osmose e difusão. A análise de sedimentação de suspensões é baseada em sua instabilidade cinética. Isso significa que as suspensões são caracterizadas pela variabilidade no tempo de parâmetros como finura e distribuição de equilíbrio das partículas em um meio de dispersão.
Metodologia
A análise de sedimentação é realizada usando uma balança de torção com um copo de alumínio(diâmetro 1-2 cm) e um copo alto. Antes de iniciar a análise, o copo é pesado em meio de dispersão, mergulhando-o em um béquer cheio e equilibrando a balança. Junto com isso, a profundidade de sua imersão é medida. Depois disso, o copo é retirado e colocado rapidamente em um copo com a suspensão do teste, enquanto deve ser pendurado no gancho da trave de equilíbrio. Ao mesmo tempo, o cronômetro será iniciado. A tabela contém dados sobre a massa de precipitação precipitada em pontos arbitrários no tempo.
| Tempo desde o início do estudo, s | Massa da taça com sedimento, g | Massa de sedimento, g | 1/t, c-1 | Limite de sedimentação, g |
Usando os dados da tabela, desenhe uma curva de sedimentação em papel milimetrado. A massa de partículas sedimentadas é plotada ao longo do eixo das ordenadas e o tempo é plotado ao longo do eixo das abcissas. Neste caso, uma escala adequada é selecionada para que seja conveniente realizar mais cálculos gráficos.
Análise de curva
Em um meio monodisperso, a taxa de sedimentação das partículas será a mesma, o que significa que a sedimentação será caracterizada pela uniformidade. A curva de sedimentação neste caso será linear.
Durante a sedimentação de uma suspensão polidispersa (o que acontece na prática), partículas de diferentes tamanhos também diferem na velocidade de sedimentação. Isso é expresso no gráfico no desfoque do limite da camada de sedimentação.
A curva de subsidência é processada dividindo-a em vários segmentos e desenhando tangentes. Cada tangente caracterizará a subsidência de umaparte monodispersa da suspensão.
Ideia geral da distribuição do tamanho das partículas
O teor quantitativo de partículas de um determinado tamanho na rocha é geralmente chamado de composição granulométrica. Algumas propriedades dos meios porosos dependem disso, por exemplo, permeabilidade, área superficial específica, porosidade, etc. Com base nessas propriedades, por sua vez, pode-se tirar conclusões sobre as condições geológicas para a formação dos depósitos rochosos. Por isso, uma das primeiras etapas no estudo das rochas sedimentares é a análise granulométrica.
Assim, de acordo com os resultados da análise da composição granulométrica das areias em contato com o petróleo, eles escolhem equipamentos e procedimentos de trabalho na prática do campo petrolífero. Ajuda a selecionar filtros para evitar que a areia entre no poço. A quantidade de argila e minerais coloidais dispersos na composição determina os processos de absorção de íons, bem como o grau de inchamento das rochas na água.
Análise sedimentar da composição granulométrica de rochas
Devido ao fato de que a análise de sistemas dispersos com base nos princípios da sedimentação possui uma série de limitações, sua utilização em sua forma pura para o estudo granulométrico da composição de rochas não proporciona a devida confiabilidade e precisão. Hoje é realizado com equipamentos modernos por meio de programas de computador.
Eles permitem o estudo de partículas de rocha desde a camada inicial, permitem registrar continuamente o acúmulosedimento, excluindo a aproximação por equações, mede diretamente a taxa de sedimentação. E, não menos importante, permitem o estudo da sedimentação de partículas de formato irregular. A porcentagem de fração de um tamanho ou outro é determinada pelo computador, com base na massa total da amostra, o que significa que não precisa ser pesada antes da análise.
