Bản chất của phương pháp phân tích lắng là đo tốc độ các hạt lắng xuống (chủ yếu từ môi trường lỏng). Và sử dụng các giá trị của tốc độ lắng, kích thước của các hạt này và diện tích bề mặt cụ thể của chúng được tính toán. Phương pháp này xác định các thông số của các hạt của nhiều loại hệ thống phân tán, chẳng hạn như huyền phù, sol khí, nhũ tương, tức là những hạt phổ biến và quan trọng đối với các ngành công nghiệp khác nhau.
Khái niệm về sự phân tán
Một trong những thông số công nghệ chính đặc trưng cho các chất và nguyên liệu trong các quy trình sản xuất khác nhau là độ mịn của chúng. Nó nhất thiết phải được tính đến trong quá trình lựa chọn thiết bị cho công nghệ hóa học, trong sản xuất các sản phẩm thực phẩm khác nhau, v.v. Điều này không chỉ là do với sự giảm đi của các phần tử của các chất, diện tích bề mặt của các pha tăng lên và tốc độ tương tác của chúng tăng lên, mà còn do một số tính chất của hệ thay đổi trong trường hợp này.. Đặc biệt, độ tan càng tăng thì khả năng phản ứng càng tăngcác chất, nhiệt độ của các chuyển pha giảm dần. Do đó, cần phải tìm ra các đặc tính định lượng của sự phân tán của các hệ thống khác nhau và trong phân tích trầm tích.
Tùy thuộc vào mối quan hệ của các kích thước hạt trong pha phân tán, các hệ thống được chia thành đơn phân tán và đa phân tán. Trước đây chỉ bao gồm các hạt có cùng kích thước. Các hệ thống phân tán như vậy khá hiếm và trên thực tế là rất gần với các hệ thống phân tán đơn lẻ thực sự. Mặt khác, phần lớn các hệ thống phân tán hiện có là polydisperse. Điều này có nghĩa là chúng bao gồm các hạt khác nhau về kích thước và nội dung của chúng không giống nhau. Trong quá trình phân tích trầm tích của các hệ thống phân tán, kích thước của các hạt hình thành chúng sẽ được xác định, sau đó là việc xây dựng các đường cong phân bố kích thước của chúng.
Cơ sở lý thuyết
Lắng là quá trình kết tủa của các phần tử tạo nên pha phân tán ở thể khí hoặc môi trường lỏng dưới tác dụng của trọng lực. Quá trình lắng có thể được đảo ngược nếu các hạt (giọt) trôi nổi trong các nhũ tương khác nhau.
Lực hấp dẫn Fgtác dụng lên các hạt hình cầu có thể được tính bằng công thức hiệu chỉnh thủy tĩnh:
Fg=4/3 π r3(ρ-ρ0) g, trong đó ρ là mật độ của vật chất; r là bán kính hạt; ρ0- mật độ chất lỏng; g - gia tốcrơi tự do.
Lực ma sát Fη, được mô tả bởi định luật Stokes, chống lại sự lắng xuống của các hạt:
Fη=6 π η r ᴠsed, trong đó ᴠsedlà vận tốc của hạt và η là độ nhớt của chất lỏng.
Tại một thời điểm nào đó, các hạt bắt đầu lắng xuống với tốc độ không đổi, điều này được giải thích bằng sự cân bằng của các lực đối nghịch Fg=Fη, có nghĩa là đẳng thức cũng đúng:
4/3 π r3(ρ-ρ0) g=6 π η r · ᴠquyến rũ. Bằng cách biến đổi nó, bạn có thể nhận được công thức phản ánh mối quan hệ giữa bán kính hạt và tốc độ lắng của nó:
r=√ (9η / (2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Nếu chúng ta tính đến tốc độ của các hạt có thể được định nghĩa là tỷ số giữa đường đi H của nó với thời gian chuyển động τ, thì chúng ta có thể viết phương trình Stokes:
ᴠsat=N / t.
Khi đó bán kính của hạt có thể liên quan đến thời gian lắng của nó theo phương trình:
r=K √N / t.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng lý thuyết phân tích trầm tích như vậy sẽ có giá trị trong một số điều kiện:
- Kích thước hạt rắn phải nằm trong khoảng từ 10–5đến 10–2xem
- Hạt phải có hình cầu.
- Các hạt phải chuyển động với tốc độ không đổi và không phụ thuộc vào các hạt lân cận.
- Ma sát phải là hiện tượng bên trong của môi trường phân tán.
Vì thực tế là đình chỉ thực thường chứacác hạt có hình dạng khác biệt đáng kể so với các hạt hình cầu đưa ra khái niệm bán kính tương đương cho mục đích phân tích trầm tích. Để làm điều này, bán kính của các hạt hình cầu giả định được làm bằng vật liệu giống như hạt thật trong hệ thống huyền phù đã nghiên cứu và lắng ở cùng tốc độ được thay thế vào các phương trình tính toán.
Trong thực tế, các hạt trong hệ phân tán có kích thước không đồng nhất và nhiệm vụ chính của phân tích lắng có thể được gọi là phân tích sự phân bố kích thước hạt trong chúng. Nói cách khác, trong quá trình nghiên cứu các hệ thống polydisperse, người ta tìm thấy hàm lượng tương đối của các phần nhỏ khác nhau (một tập hợp các hạt có kích thước nằm trong một khoảng nhất định).
Tính năng phân tích cặn lắng
Có một số cách tiếp cận để thực hiện phân tích hệ thống phân tán bằng cách lắng cặn:
- giám sát trong trường hấp dẫn tốc độ mà các hạt lắng xuống trong một chất lỏng tĩnh lặng;
- kích động huyền phù để sau đó phân tách thành các phần nhỏ của các hạt có kích thước nhất định trong một tia chất lỏng;
- tách các chất dạng bột thành các phần nhỏ với kích thước hạt nhất định, được thực hiện bằng cách tách không khí;
- giám sát trong trường ly tâm các thông số về độ lún của các hệ thống phân tán cao.
Một trong những cách được sử dụng rộng rãi nhất là phiên bản đầu tiên của phân tích. Để thực hiện, tốc độ lắng được xác định bằng bất kỳ phương pháp nào sau đây:
- xem qua kính hiển vi;
- cân cặn tích tụ;
- xác định nồng độ của pha phân tán trong một khoảng thời gian nhất định của quá trình lắng;
- đo áp suất thủy tĩnh trong quá trình lún;
- xác định mật độ của huyền phù trong thời gian lắng.
Khái niệm đình chỉ
Huyền phù được hiểu là hệ thô được hình thành bởi pha phân tán rắn, kích thước hạt vượt quá 10-5cm và là môi trường phân tán lỏng. Các chất huyền phù thường được đặc trưng như sự huyền phù của các chất bột trong chất lỏng. Trên thực tế, điều này không hoàn toàn đúng, vì bùn là huyền phù loãng. Các hạt của pha rắn độc lập về mặt động học và có thể chuyển động tự do trong chất lỏng.
Trong huyền phù thực (đậm đặc), thường được gọi là bột nhão, các hạt rắn tương tác với nhau. Điều này dẫn đến việc hình thành một cấu trúc không gian nhất định.
Có một loại hệ thống phân tán khác được hình thành bởi các pha phân tán rắn và môi trường phân tán lỏng. Chúng được gọi là lyosols. Tuy nhiên, kích thước hạt nhỏ hơn nhiều (từ 10-7đến 10-5cm). Về vấn đề này, sự lắng đọng trong chúng là không đáng kể, nhưng dung dịch kiềm được đặc trưng bởi các hiện tượng như chuyển động Brown, thẩm thấu và khuếch tán. Việc phân tích độ lắng của huyền phù dựa trên sự không ổn định động học của chúng. Điều này có nghĩa là huyền phù được đặc trưng bởi sự biến thiên theo thời gian của các thông số như độ mịn và sự phân bố cân bằng của các hạt trong môi trường phân tán.
Phương pháp
Phân tích cặn được thực hiện bằng cách sử dụng cân xoắn với cốc giấy bạc(đường kính 1-2 cm) và một ly cao. Trước khi bắt đầu phân tích, cốc được cân trong môi trường phân tán, nhúng cốc vào cốc chứa đầy và cân bằng cân. Cùng với điều này, độ sâu ngâm của nó được đo. Sau đó, cốc được lấy ra và đặt nhanh vào cốc có huyền phù thử nghiệm, đồng thời phải treo cốc này vào móc của chùm cân bằng. Đồng thời, đồng hồ bấm giờ sẽ bắt đầu. Bảng chứa dữ liệu về khối lượng kết tủa tại các thời điểm tùy ý trong thời gian.
| Thời gian từ khi bắt đầu học, s | Khối lượng cốc có cặn, g | Khối lượng trầm tích, g | 1 / t, c-1 | Hạn chế lắng cặn, g |
Sử dụng dữ liệu bảng, vẽ đường cong trầm tích trên giấy kẻ ô vuông. Khối lượng của các hạt đã lắng được vẽ dọc theo trục tọa độ, và thời gian được vẽ dọc theo trục abscissa. Trong trường hợp này, một tỷ lệ thích hợp được chọn để thuận tiện khi thực hiện các phép tính đồ họa tiếp theo.
Phân tích đường cong
Trong môi trường đơn phân tán, tốc độ lắng của các hạt sẽ giống nhau, có nghĩa là tốc độ lắng sẽ được đặc trưng bởi tính đồng nhất. Đường cong lắng trong trường hợp này sẽ là tuyến tính.
Trong quá trình lắng của huyền phù polydisperse (xảy ra trong thực tế), các hạt có kích thước khác nhau cũng khác nhau về tốc độ lắng. Điều này được thể hiện trên biểu đồ bằng cách làm mờ ranh giới của lớp lắng.
Đường cong lún được xử lý bằng cách chia nó thành nhiều đoạn và vẽ các tiếp tuyến. Mỗi tiếp tuyến sẽ đặc trưng cho độ lún của mộtđơn phân tán một phần của hệ thống treo.
Ý tưởng chung về sự phân bố kích thước hạt
Hàm lượng định lượng của các hạt có kích thước nhất định trong đá thường được gọi là thành phần đo hạt. Một số đặc tính của phương tiện xốp phụ thuộc vào nó, ví dụ, tính thấm, diện tích bề mặt cụ thể, độ xốp, v.v. Dựa vào những tính chất này, có thể rút ra kết luận về điều kiện địa chất hình thành trầm tích đá. Đó là lý do tại sao một trong những giai đoạn đầu tiên trong quá trình nghiên cứu đá trầm tích là phân tích đo hạt.
Như vậy, theo kết quả phân tích thành phần hạt của cát tiếp xúc với dầu, họ lựa chọn thiết bị và quy trình làm việc trong thực tế mỏ dầu. Nó giúp chọn các bộ lọc để ngăn cát xâm nhập vào giếng. Lượng đất sét và khoáng chất phân tán dạng keo trong thành phần quyết định quá trình hấp thụ các ion, cũng như mức độ trương nở của đá trong nước.
Phân tích trầm tích thành phần hạt của đá
Do thực tế là việc phân tích các hệ thống phân tán dựa trên các nguyên tắc của quá trình lắng có một số hạn chế, việc sử dụng nó ở dạng tinh khiết để nghiên cứu hạt của thành phần đá không mang lại độ tin cậy và độ chính xác cao. Ngày nay nó được thực hiện bằng thiết bị hiện đại sử dụng các chương trình máy tính.
Chúng cho phép nghiên cứu các hạt đá từ lớp bắt đầu, cho phép bạn liên tục ghi lại sự tích tụtrầm tích, không bao gồm tính gần đúng bằng phương trình, đo tốc độ lắng trực tiếp. Và, không kém phần quan trọng, chúng cho phép nghiên cứu sự lắng đọng của các hạt có hình dạng bất thường. Tỷ lệ phần trăm của kích thước này hay kích thước khác được xác định bởi máy tính, dựa trên tổng khối lượng của mẫu, có nghĩa là không cần cân trước khi phân tích.
