Даниловская Л. П. / Лекция 4. Седиментация в дисперсных системах
.docxЛекция 4 КХ21
Тема лекции 4: «Седиментация в дисперсных системах».
Седиментация - это еще одно из явлений, связанных с молекулярно-кинетическими свойствами дисперсных систем. Седиментацией называют свободное оседание частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде под действием силы тяжести (или силы земного тяготения). Седиментация заметно происходит лишь в дисперсных системах, где размер частиц превышает 1 микрон (1000 нм).
Из-за оседания частиц дисперсная система с течением времени расслаивается: на дне емкости образуется высококонцентрированный слой – осадок, а сверху - слой чистой дисперсионной среды. Так происходит в суспензиях, где плотность частиц дисперсной фазы больше плотности дисперсионной среды.
Для эмульсий седиментация заключается в том, что капли эмульгированной жидкости (масла) всплывают под действием силы тяжести, образуя слой «сливок» (если плотность капель меньше плотности дисперсионной среды).
Способность дисперсной системы сохранять равномерное распределение частиц по всему объему называют седиментационной (кинетической) устойчивостью. Грубодисперсные системы (пыль в воздухе, песок в воде) неустойчивы и седиментируют, т. к. частицы в них тяжелы и практически не могут осуществлять теплового броуновского движения. И наоборот, высокодисперсные системы (газовые смеси, истинные растворы) обладают кинетической устойчивостью и не седиментируют, т. к. им свойственны тепловое движение и диффузия. Коллоидные системы занимают промежуточное положение между ними.
Чтобы выяснить, будет ли дисперсная система седиментационно устойчивой, необходимо сравнить диффузионный поток с как бы противодействующим ему седиментационным потоком. (Напоминаю, что седиментационный поток направлен, как правило, сверху вниз, а диффузионный поток – в сторону выравнивания концентрации частиц дисперсной фазы). Когда эти потоки сопоставимы по величине, в системе устанавливается седиментационно-диффузионное равновесие: т.е. определенное равновесное распределение количества частиц дисперсной фазы по высоте.
Процессы седиментации весьма важны в практике очистки сточных вод от различных механических примесей. Скорость оседания примесей сточных вод определяет время нахождения этих вод в отстойниках. Поэтому рассмотрим, как влияет размер частиц ДФ на скорость их оседания в дисперсных системах.
Приводятся данные опытов, в которых были исследованы водные суспензии сферических частиц кварцевого песка SiO2 различных размеров, см. табл. ниже.
Из данных опытов следует, что коллоидные частицы кварца при радиусе 100 нм (10-5см) осаждаются в емкости сверху вниз на высоту 1см за 86,2 часа. А заметно седиментируют лишь более крупные частицы: при радиусе 1000 нм (10-4см) – за 51,7 минуты, а при радиусе 104 нм (10-3см) - всего лишь за 31 секунду.
Дисперсные системы, в которых частицы не оседают заметно под действием сил тяжести, называют седиментационно устойчивыми. Такими обычно являются коллоидные системы (золи), где размер частиц дисперсной фазы может быть в интервале 1-100 нм. Однако если коллоидный раствор поместить в другое силовое поле, обладающее большим напряжением, чем поле земного тяготения, то можно и коллоидные частицы заставить оседать достаточно быстро. Для этого используют поле центробежной силы, где ускорение силы тяжести в сотни и в тысячи раз больше (чем поле земного тяготения).
Этот принцип действует в ультрацентрифугах, используемых на судах для очистки сточных вод от загрязняющих примесей. В специальных ультрацентрифугах, сепараторах - эмульсия, (например, молоко) может быть почти мгновенно разделена на жировую и белковую фракции.
Контрольные вопросы к Лекции 4 на тему: «Седиментация в ДС»
Какое явление называют седиментацией?
Как происходит седиментация в эмульсиях и в суспензиях. Приведите примеры.
Назовите дисперсные системы, которые обладают седиментационной устойчивостью. Почему? Как влияет размер частиц дисперсной фазы на устойчивость системы?
Какие потоки конкурируют в условиях установившегося седиментационно-диффузионного равновесия?
При каких условиях коллоидные системы становятся седиментационно неустойчивыми и быстро разделяются на дисперсную фазу и дисперсионную среду.