Понятие седиментации

Седиментация (от лат. sedimentum — оседание), оседание или всплывание частиц дисперсной фазы (твёрдых крупинок, капелек жидкости, пузырьков газа) в жидкой или газообразной дисперсионной среде в гравитационном поле или поле центробежных сил. Седиментация происходит, если направленное движение частиц под действием силы тяжести или центробежной силы преобладает над хаотическим тепловым движением частиц. Скорость седиментации зависит от массы, размера и формы частиц, вязкости и плотности среды, а также ускорения, возникающего при действии на частицы сил поля. Для мелких не взаимодействующих между собой сферических частиц скорость седиментации определяется по формуле Стокса. Седиментация в дисперсных системах (особенно с газовой дисперсионной средой) часто сопровождается укрупнением седиментирующих частиц вследствие коагуляции или коалесценции.

Коагуляция (от лат. сoagulatio — свёртывание, сгущение), слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты — более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных). Первичные частицы в таких скоплениях соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц (увеличением размера и массы агрегатов) и уменьшением их числа в объёме дисперсионной среды — жидкости или газа.

Различают быструю и медленную коагуляцию. При быстрой коагуляции почти каждое соударение частиц эффективно, т. е. приводит к их соединению; при медленной коагуляции соединяется часть сталкивающихся частиц. В жидкой среде, например при коагуляции золей, укрупнение частиц до известного предела (приблизительно до размера 10^-4 см) не сопровождается их оседанием или всплыванием. Это скрытая коагуляция, при которой система сохраняет седиментационную устойчивость. Дальнейший рост частиц приводит к образованию сгустков или хлопьев (флокул), выпадающих в осадок (коагулят, коагель) или скапливающихся в виде сливок у поверхности; это явная коагуляция. В некоторых случаях при коагуляции во всём объёме дисперсионной среды возникает рыхлая пространственная сетка (коагуляционная структура) и расслоения системы не происходит. Если коллоидные частицы — капельки жидкости или пузырьки газа, то коагуляция может завершиться их слиянием, коалесценцией -(от лат. coalesce — срастаюсь, соединяюсь) — самопроизвольным процессом, который, в соответствии с законами термодинамики, является следствием стремления системы перейти в состояние с более низкой свободной энергией.

Седиментация в природе приводит к образованию осадочных горных пород, осветлению воды в водоёмах, освобождению атмосферы от находящихся в ней капельножидких и твёрдых частиц.

В производственной практике седиментация используют для разделения порошков на фракции, выделения в виде осадка различных продуктов химической технологии.

Закон Стокса определяет силу сопротивления F, испытываемую твёрдым шаром при его медленном поступательном движении в неограниченной вязкой жидкости:

где — коэффициент вязкости жидкости, r — радиус шара и v — его скорость. Эта формула выведена Дж. Г. Стоксом в 1851. Закон Стокса справедлив лишь для малых чисел Рейнольдса, т.е. дляодного из критериев подобия для течений вязких жидкостей и газов, характеризующий соотношение между инерционными силами и силами вязкости:

где l — характерный линейный размер.

Оседание частиц в жидкости происходит под действием силы тяжести - веса частицы, который для частиц шарообразной формы с учетом гидростатической поправки равен:

По закону Стокса можно определить скорость осаждения мелких капель тумана, коллоидных частиц, частиц ила и других мелких частиц. Предельную скорость v_пр падения шарика малых размеров в вязкой жидкости находят по формуле:

где — плотность вещества шарика, — жидкости, g — ускорение свободного падения.