седиментационный анализ. Седиментационный анализ

• Название: Седиментационный анализ
• Дата: 12.12.2021
• Размер: 22.05 Kb.
• Имя файла: седиментационный анализ.docx
• Тип: Документы; #301092

Седиментационный анализ

СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ (а. sedimentation analysis; н. Sedimentati- onsanalyse; ф. analyse granulometrique par sedimentation, sedimentometrie; и. analisis sedimentario) — совокупность методов дисперсионного (гранулометрического) анализа, в основе которых лежит зависимость между размером (массой) и скоростью движения тела в вязкой среде (газе или жидкости) под действием гравитационных или центробежных сил. Седиментационный анализ включает наиболее распространённые косвенные методы определения величины частиц, или дисперсности, порошкообразных материалов, аэрозолей, различных грубодисперсных и коллоидных систем. Позволяет определять как усреднённые характеристики дисперсности, так и дисперсный (гранулометрический, зерновой, фракционный) состав анализируемой системы, т.е. долевое распределение массы, объёма, площади поверхности, линейных размеров или числа частиц дисперсной фазы по классам крупности. 

Основные методы седиментационного анализа

• 
  методы установившейся скорости седиментации и седиментационно-диффузионного, или седиментационного равновесия;
  
• 
  применяют также методы приближения к седиментационному равновесию. 
  

Седиментационный анализ в гравитационном поле применяют для грубодисперсных систем (суспензий, эмульсий, пылей) с размером частиц 10^-2-10^-4 см. Обычно используют метод установившейся скорости седиментации, причём искомые величины находят по изменению скорости накопления осадка (сливок), плотности столба суспензии (эмульсии), концентрации частиц на определённом уровне и т.д.

Приборы для осуществления этого метода, работающие на принципах взвешивания (например, осадка) или измерения гидростатического давления, называется седиментометрами. К седиментационному анализу иногда относят гидроаэродинамические методы дисперсионного анализа измельченного материала, полезных ископаемых, пылей, например, с использованием аппаратов (классификаторов), в которых оседание крупных частиц идёт против восходящего потока газа или жидкости в последовательно соединённых вертикальных цилиндрах с различной площадью сечения, а мелкие частицы выносятся потоком. 

Обычно седиментация в гравитационном поле применяется для грубодисперсных систем (суспензий, эмульсий), размер частиц которых превышает 1 мкм. Один из традиционных приборов для этой цели - торсионные весы.

Седиментометры (седиграфы)

Известны седиментометры, включающие сосуд с подвешенной внутри чашкой.
Однако эти седиментометры не обеспечивают достаточной точности вследствие наблюдаемого явления «всплытия чашки» (из-за образования под чашкой чистой жидкости одной дисперсионной среды).

В результате погрешность анализа составляет ≈ 30%.

Этот седиментометр отличается от известных тем, что над чашкой укреплен опрокинутый вверх дном дополнительный сосуд.

Кроме того, сосуд с подвешенной внутри чашкой наполнен дисперсионной средой, а дополнительный сосуд - суспензией.

• 
  Седиментационный анализ для высокодисперсных систем с размером частиц менее 10^-4 см (которые в обычных условиях седиментационно устойчивы) проводят в поле центробежных сил.
  
• 
  Использование центрифуги для седиментирования таких систем было предложено советским учёным А. В. Думанским в 1912. Детальная разработка методов седиментационного анализа в поле центробежных сил проведена изобретателем ультрацентрифуги шведским учёным Т. Сведбергом. Создаваемые в ультрацентрифуге центробежные ускорения в десятки и сотни тысяч раз превосходят ускорение земного тяготения, что обеспечивает седиментацию не только мельчайших коллоидных частиц, но и молекул высокомолекулярных соединений.
  

При седиментационном анализе в ультрацентрифуге характеристикой частиц дисперсной фазы или молекул растворённого полимера может служить константа седиментации — отношение скорости седиментации к ускорению поля центробежных сил. Эта константа зависит от массы и формы частиц (макромолекул). 

Принцип метода

• 
  Разделение веществ с помощью центрифугирования основано на разном поведении частиц в центробежном поле. Суспензию частиц, помещенную в пробирку, загружают в ротор, установленный на валу привода центрифуги.
  
• 
  В центробежном поле частицы, имеющие разную плотность, форму или размеры, осаждаются с разной скоростью.
  
• 
  Скорость седиментации зависит от центробежного ускорения (G), прямо пропорционального угловой скорости ротора (ω, в рад*с^-1) и расстоянию между частицей и осью вращения (r, в см):G = ω²r
  
• 
  Поскольку один оборот ротора составляет 2π радиан, угловую скорость ротора в оборотах в минуту можно записать так:ω = 2 π (об*мин^-1) / 60
  
• 
  Центробежное ускорение тогда будет равно:ω = 4 π² (об*мин^-1)² r / 3600
  

• 
  Центробежное ускорение обычно выражается в единицах g и называется относительное центробежное ускорение.
  

ОЦУ = 4 π² (об*мин^-1)² r / 3600 * 980

• 
  Скорость седиментации сферических частиц зависит не только от центробежного ускорения, но и от плотности и радиуса самих частиц и от вязкости среды суспендирования. Время, необходимое для осаждения сферической частицы в жидкой среде от мениска жид­кости до дна центрифужной пробирки, обратно пропорционально скорости седиментации и определяется следующим уравнением:
  

t = 9/2 η / 2 ω² r² (p_x – p) ln r_д/r_m

Виды центрифугирования

Ультрацентрифуга

• 
  _{Этим термином принято называть центрифуги, позволяющие достигать скорости вращения своих роторов вплоть до 80 тысяч оборотов в минуту. На радиусе ротора в 6 см это создает в радиаль­ном направлении ускорение в 700 тысяч раз превышающее уско­рение земного притяжения («700 000 g»).}
  
• 
  _{Вращение с такой скоростью невозможно осуществить в нормальной атмосфере из-за катастрофического разогрева ротора. Поэтому главным элементом конструкции ультрацентрифуги является вакуумная камера, в которой вращается ротор. Используя последовательное подключение к камере диффузионного масляного и обычного форвакуумного насосов, в ней удается достигнуть разрежения в 10 в -3 мм ртутного столба.}
  
• 
  Виды центрифуг
  

Скорость седиментации или установление седиментационного равновесия в ультрацентрифуге, константы седиментации, массы и размеры коллоидных частиц или макромолекул, а также полидисперсность анализируемой системы вычисляют на основе оптических измерений — по изменению показателей преломления или светопропускания раствора или коллоидной системы. 

Седиментационный анализ в поле центробежных сил используют для определения молекулярной массы и однородности синтетических и природных полимеров, а также при анализе илистых отложений и коллоидно-дисперсных глинистых минералов. 

• 
  Современные приборы и устройства для седиментационного анализа полностью автоматизированы и компьютеризированы. Результаты анализа, выполненного по заданной программе, после завершения измерений выдаются в виде таблиц, гистограмм, дифференциальных и (или) интегральных кривых распределения, а также усреднённых показателей дисперсности: медианного диаметра, удельной поверхности и др.
  
• 
  Результаты седиментационного анализа представляют в виде зависимостей, отражающих распределение частиц по размерам.
  
• 
  Кривая интегральной функции распределения (рис. а) изображает содержание (в вес.%) частиц с радиусами, большими данного r. Интегральная кривая обычно имеет S-образную форму с характерной точкой перегиба, соответствующей размеру частиц, весовая доля которых в данной дисперсной системе максимальна. С помощью интегральной кривой распределения частиц по размерам легко определить процентное содержание частиц с размерами, находящимися в заданном интервале от r_a до r_b: оно равно разности соответствующих ординат Q_a - Q_b.
  

Кривая интегральной функции распределения

• 
  Для построения интегральной кривой распределения на оси абсцисс откладывают значения радиусов в интервале r_min-r_max , а на оси ординат относительное содержание по весу частиц с радиусом от r_max до данного радиуса r_i, то есть частиц с радиусами, большими r_i.
  
• 
  Для этого на кривой накопления выбирают 7-8 точек (B, C, D и т.д.), соответствующих наибольшей кривизне, опускают из них перпендикуляры на ось абсцисс и определяют соответствующие этим точкам значения t_i. Рассчитывают значения r_max ..., r_i ..., r_min по формуле r= (K H/t)^1/2
  

Седиментация в медицине

• 
  Ультразвуковая измерительная техника может быть использована в медицине при исследовании скорости оседания эритроцитов в плазме крови (СОЭ) или в физической химии при седиментационном анализе дисперсных фаз.  
  

При использовании ультрацентрифуге оседают не только мельчайшие частицыгидрофобных коллоидов, но и молекулы белков и высокомолекулярных веществ