> Техника, страница 79 > Седиментометрия

Седиментометрия

Седиментометрия, совокупность методов измерения размеров частиц в дисперсных системах (суспензиях, эмульсиях, коллоидных растворах, в дымах и туманах) по стационарной скорости перемещения этих частиц под действием внешней силы (силы тяжести или центробежной силы) или по установившемуся диффузионному равновесию (смотрите Диффузия). С. является отраслью физико-химии дисперсных систем, образуя часть дисперсионного анализа, изучающего все методы измерения размеров частиц в таких системах. Основой С. служит гидродинамический закон Стокса, дающий радиус г сферич. частицы в зависимости от установившейся скорости V движения этой частицы в безграничной вязкой среде (с вязкостью η) под действием постоянной силы /:

Когда движение происходит под действием силы тяжести

= i nr^sg (d₂ — сЦ),

где d₂ — плотность материала частицы, a d₁— окружающей среды, то г=a Yv,

где _

^α= V20(da-di) ·

Наблюдая скорость оседания (при d₂ > сЦ) или скорость подъема сферич. частиц (при d₂ < сЦ) в данной среде, можно определить их радиус. Так решается простейшая задача С., например при определении размеров отдельных капелек в эмульсиях (смотрите) или в туманах, капелек масла в воздухе (Милликен). Когда оседающая частица не имеет строго сферич. формы (в случае твердых частиц суспензий), закон Стокса все же

п озволяет определить т. н.эквивалентный радиус частицы, то есть то /·, котрым обладает сферическая частица, оседающая при тех же условиях с той же скоростью υ. В дисперсных системах с частицами одинаковых размеров (моно-дисперсных системах) г (а следовательно и степень дисперсности) можно определить по оседанию верхней или же нижней границы частиц дисперсной фазы, В полидисперс-ных же систе мах задачей С. является нахождение криво распределения, которая дает распределение всей массы дисперсной фазы по фракциям частиц различных размеров (фигура 1). По оси ординат откладывают при этом функцию распределения F (г)=~, дающую массу Δq данной фракции частиц от г до г + кг в % от всей массы дисперсной фазы, приходящуюся на интервал радиусα= 1 (иапр. 1μ). По оси же абсцисс кривых распределения откладывается радиус или диаметр частиц. Общий характер таких кривых ясен из фигура 1. Кривая II соответствует более высокодисперсной и более по-лидисперсной суспензии, чем кривая I. Площадь кривой между "двумя значениями г_х и г₂ дает

Г2

фракцию частиц г_х < г < г₂ [дт₂—п=f F(r)dr] в

η

СО

%, а вся площадь J" F(r)dr — всю массу дисперс-о ной фазы, принимаемую за 100%. Для получения этих кривых при седиментометрич. анализе надо определить массу дисперсной фазы, оседающую т или остающуюся т₀—т в данном столбе II системы через различные промежутки времени τ_χ, τ₂, τ₃,. Зависимость т от τ можно определить экспериментально либо по изменению гидростатич. давления столба суспензии (то есть средней плотности его) со временем либо непосредственно, определяя вес выпавшей дисперсной фазы т, например при помощи специальных весов (метод Сведберга и Свен Одена). Частицы дым

Фигура 2.

-ΘΤ

камера суспензий обычно не бы-вают первичными, т. e. 0 такими например, как они получаются при дроблении, а представляют собой сгустки первичных частиц, что затрудняет часто седиментометри-ческий анализ. Поэтому при седикентометрии

г,«

J-L	L	X
мм	f1"	с

часто дисперсную систему стабилизуют, вводя стабилизатор — поверхностно-активное вещество, обволакивающее своими адсорбционными пленками первичные частицы дисперсной фазы и тем препятствующее их коагуляции. Для С. дымов и туманов удобно пользоваться последним методом, применяя микровесы типа Нернста со слюдяной пластинкой а, на к-рую оседает дым, на одном конце стеклянной нити коромысла b и зеркальцем с на Другом конце (фигура 2). Весы помещаются в камеру — в то пространство, где находится исследуемый аэрозоль. С помощью зеркала отклонение коромысла весов измеряется вне камеры либо наблюде- _ Фигура з. нием в трубу деления вертикальной шкалы d, отражающегося от зеркала, либо по перемещению светового зайчика по шкале. В системах же с дисперсионной жидкой средой — в суспензиях и эмульсиях — удобнее применять приборы, основанные на изменении гидростатического давления определенного столба Я дисперсной системы, называемые седиментометрами (Вигнер, Вольф, Оствальд, Ган, Ребиндер). В приборе последнего типа (фигура 3) засасыванием воздуха ртом или водоструйным насосом через А одновременно засасываются в прибор: суспензия, предварительно перемешанная, из банки В в широкую трубку b (диаметром ст 12 до 16 миллиметров), а чистая сравнительная жидкость, например чистая дисперсионная среда, из банки С в узкую трубку К, наклоненную под малым углом а в верхней части и разделенную на миллиметров (300 **). Оба столба жидкости находятся в кагкдый момент в гидростатич. равновесии и вначале сравнительная жидкость достигает верхней части шкалы :— ее начала. С течением времени по мере уменьшения средней плотности столба Н₀ суспензии вследствие выпадения дисперсной фазы столб сравнительной жидкости понижается в узкой трубке. Это смещение I мениска в капилляре и дает нам в ф-ии от т седиментометрич. кривую 1= (τ); I во столько раз больше перемещения, к-рое имелось бы при вертикальном положении сравнительной трубки, во сколько sina меньше 1. Если отношение площадей поперечного сечения трубок b и К достаточно велико (обычно оно составляет 20— 40), то столб суспензии Я„ можно считать постоянным, и тогда I пропорционально т. Если все седиментометрич. кривые вычерчивать в диаграмме 100 · J-, то ординаты прямо дадут т

^lOO

в %; при этом Ico — предельное положение мениска при полном выпадении всей дисперсной фазы. Прибор пригоден только для случая d₂ > dι· Для случая же d₂ < d_x (например эмульсии масла в воде) надо применять прибор типа Вигнера в форме Келли (фигура 4) с сообщением между обеими трубками не через газовое про-

Фигура 4.

странство вверху, а внизу через жидкость. По кривой т (τ) легко рассчитать кривую распределения F (г), если для каждого момента времени т„. найти отвечающий ему по закону Стокса минимальный радиус:

Все более крупные частицы г г_{ полностью выпадают за время τ, из столба Н₀ суспензии. Тогда каждая ордината кривой дает в % всю массу выпавших частиц, состоящую из фракции q частиц крупнее т_г· и из части более мелких фракций п, успевших выпасть из нижних частей столба суспензии. При этом

, dm dm

т — q + η; η=x_t ; q=m — -_rf- · т_г;

следовательно графически фракция частиц г > г_{определится в % отрезком, отсекаемым касательной к данной точке кривой на оси ординат

от начала. Точно так же фракция частиц г_к>г> > г i определится отрезком, отсекаемым на оси ординат двумя последовательными касательными,. проведенными через точки i и к кривой. Проводя графически касательные через точки кривой, отвечающие заданным радиусам и г_к, то есть соответствующим временам т, и т_к, мы получим по оси ординат таблицу распределения (фигура 5), из которой легко найдем кривую

Седиментометрич. измерения в некоторых случаях удобно выполнять и определяя содержание дисперсной фазы С на данной глубине Я₀, спустя время т, взятием проб пипеткой (весовой метод падения концентрации Робинзона). При этом

(J _ Q

100 · -° _с ^r=q > г (фракция > г),

Иногда можно измерять т и по увеличению высоты осадка (по его объёму), что часто недостоверно, т. к. рыхлость осадка сама зависит от его высоты, степени набухания и т. д. Для целей С. можно пользоваться и рядом косвенных методов, например оптич. методами, фотометрирова-нием — фотографирование системы через определенные промежутки времени в проходящем или в рассеянном (нефелометрия) свете. Полученные снимки микрофотометрируются. Удобно также пользоваться фотоэлементом. Особенно удобоприменимы эти методы к коллоидным растворам с весьма высокой степенью дисперс-

т. ,9. т. х:г,

ности при пользовании для С. ультрацентрифугой Сведберга, в которой действие силы тяжести заменено во много раз более сильным действием центробежной силы (иногда в 10⁵ раз). Сосуд с оседающей системой, вращающийся в горизонтальной плоскости, фотографируется при этом при прохождении через определенное положение на окружности, и полученная кинематограмма исследуется микрофотометри-ческим способом.

Лит.: Н а у м о в В. А., Химия коллоидов, 3 изд. Л., 1932; СведбергТ., Коллоидная химия, пер. с англ., М.—Л., 1930; Дунайский А. В., Методы определения дисперсности, «Записки Ворон, сел.-хоз. пн-та», Воронеж, 1928; Исследования по физико-химии суспензий, Сборник под ред. И. А. Ребиндера (печ.); Ребиндер П. А., «Журнал физич. химии», М., 1939, т. 1, вып. 4—5, стр. 533; Румянцева Е. И., там же, М., 1931, т. 2, вып. 2, стр. 283; В е н с т р е м Е. К., там же, М., 1931, т. 2, вып. 2, стр. 293; Г е л ь д Н. А., там же, М., 1930, т. 1, вып. 4—5; Hahn F. V., Dispersionsanalyse, Dresden, 1928; Oden Sv., Sedimentation Analysis (в кн. J. Alexander, Colloid Chemistry Theoretical a. Applied, N. Y., 1928); Svedberg, «Journal of the Ainer. Chem. Soc.», Wsh., 1924; Rehbinder P., «Ztschr. f. .phys. Chemie», B., 1930, Abt. A, B. 146, p. 63. П. Ребипдср.