Седиментационная (кинетическая) устойчивость дисперсных систем. Методы ее регулирования

Введение

Современная технология получения большинства, как органических, так и неорганических продуктов, предусматривает стадию перевода исходного сырьевого материала в жидкое состояние. Это позволяет успешно, с использованием различных методов, влиять на структурно-механические, физико-химические и эксплуатационные характеристики целевого продукта.
В то же время, во многих случаях, такими промежуточными состояниями исходных веществ являются не истинные растворы, а дисперсные системы.
В этом случае на первый план выходит вопрос их устойчивости.
Проблема устойчивости дисперсных систем является одной из важнейших и имеет огромное значение для протекания многих процессов, как   в природе , так и промышленности. Устойчивость дисперсных систем – это постоянство во времени свойств таких систем – характера распределения частиц дисперсной фазы в объёме, а также их дисперсности Необходимо отметить, что важным есть обеспечения устойчивости и снижение устойчивости дисперсных систем.
Так, обеспечение устойчивости необходимо, например, при получении тампонажных (цементных) растворов, промывочных жидкостей, водотопливных эмульсий . В то же время, снижение устойчивости требуется для разрушения водонефтяных эмульсий, при очистке промышленных выбросов, удалении шлама выбуренной породы.
Таким образом, дисперсные системы отличаются от истинных растворов своей термодинамической неустойчивостью, то есть способностью сохранять свое состояние и свойства в течение времени.
В связи с этим, вопрос седиментационной (кинетической) устойчивости дисперсных систем, а также методы ее регулирования представляет определенный научный и практический интерес, есть
актуальной и может быть выбрана в качестве темы реферативной работы
Целью работы является комплексный анализ литературы по вопросам седиментационной (кинетической) устойчивость дисперсных систем, а также методов ее регулирования
В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:
рассмотрение классификации устойчивости дисперсных систем;
установление факторов, определяющих устойчивость дисперсных систем
вскрытие сущности седиметационной ( кинетической) устойчивости;
описание методов регулирования седиметационной ( кинетической) устойчивости



1 . Классификация устойчивости дисперсных систем
Как уже отмечалось, вопрос об устойчивости коллоидных систем - весьма важный вопрос, поскольку касается непосредственно самого их существования. 
Ясность в вопрос об устойчивости коллоидных систем внесли работы Н. П. Пескова [1], где было заявлено о существование двух видов устойчивости: кинетической (седиментационной) и агрегативной.  Именно этому ученому принадлежат понятия агрегативной и кинетической устойчивости. Кинетическая устойчивость - способность дисперсной фазы коллоидной системы находиться во взвешенном состоянии, не седимен-тировать и противодействовать силам тяжести. Таким образом, этот вид устойчивости имеет дополнительное название – седиментационная устойчивость. Седиментационная устойчивость - устойчивость частиц дисперсной системы к оседанию под действием сил тяжести. Высокодисперсные системы - кинетически устойчивы
Под агрегативной устойчивостью нужно понимать способность дисперсной системы сохранять первоначальную степень дисперсности. Это возможно только при наличии стабилизатора. Следствием нарушения агрегативной устойчивости является кинетическая неустойчивость,
ибо образовавшиеся из первоначальных частиц агрегаты под действием сил тяжести выделяются (оседают или всплывают).
Указанные виды устойчивости взаимосвязаны. Чем больше агрегативная устойчивость системы, тем больше ее кинетическая устойчивость. Устойчивость определяется результатом борьбы сил тяжести и броуновского движения. Это пример проявления закона единства и борьбы противоположностей.
2 . Факторы, определяющие устойчивость дисперсных систем

Факторы, определяющие устойчивость систем:
броуновское движение,
дисперсность частиц дисперсной фазы,
вязкость ;
ионный состав дисперсионной среды;
плотность дисперсной фазы и дисперсной среды;
Факторы устойчивости коллоидных растворов:  наличие электрического заряда коллоидных частиц. Частицы несут одноименный заряд, поэтому при встрече частицы отталкиваются; способность к сольватации (гидратации) ионов диффузного слоя. Чем более гидратированы ионы в диффузном слое, тем толще общая гидратная оболочка, тем стабильнее система. Упругие силы сольватных слоев оказывают расклинивающее действие на дисперсные частицы и не дают им сближаться; адсорбционно-структурирующие свойства систем. Третий фактор связан с адсорбционными свойствами дисперсных систем. На развитой поверхности дисперсной фазы легко абсорбируются молекулы поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных соединений (ВМС). Большие размеры молекул, несущих собственные сольватные слои, создают на поверхности частиц адсорбционно-сольватные слои значительной протяженности и плотности. Такие системы по устойчивости близки к лиофильным системам. Все эти слои обладают определенной структурой, создают по П.А. Ребиндеру[2] структурно-механический барьер на пути сближения дисперсных частичек.
Нефть, как известно [3] есть дисперсной системой. Агрегативная неустойчивость есть термодинамической характеристикой дисперсной системы, которую представляет нефть, и она не может ответить на вопрос, как долго система может пребывать в неравновесном состоянии. Поэтому при исследовании процесса формирования нефтяных отложений более существенным является другая характеристика дисперсного состояния нефти - ее кинетическая устойчивость, а именно, способность сохранять во времени равномерное распределение частиц по всему объему

. Это свойство нефти, обусловленное нахождением системы в гравитационном поле Земли, достаточно просто может быть охарактеризовано численно, в частности, путем седиментационного анализа [4].
Седиментационная устойчивость буровых растворов во многом определяется возможностью и условиями возникновения пространственной структуры, обладающей определенной пpочностью. Такая структура возникает при частичном взаимодействии частиц дисперсной фазы между собой [5].



3. Сущность седиметационной ( кинетической) устойчивости

Рассмотрим подробнее седиметационную ( кинетическую) устойчивость.
В свободнодисперсных разбавленных системах частицы дисперсной фазы могут свободно перемещаться по всему объёму дисперсионной среды.
Для них характерна склонность к оседанию или всплыванию. Оседание называется седиментацией, а всплывание частиц – обратной седиментацией[6].
На каждую частицу в системе действует сила тяжести (гравитационная сила):

и подъёмная сила Архимеда:

где m и V – масса и объем частицы;
g – ускорение свободного падения;
фаз, ср   – плотность дисперсной фазы и плотность дисперсионной среды соответственно.
Эти силы постоянны и направлены в разные стороны. Равнодействующая сила, вызывающая седиментацию, равна

где mотн – относительная масса частицы с учетом плотности среды
Если фаз >  ср то Fсед > 0 и частица оседает,
если фаз < фаз , то Fсед < 0 и частица всплывает, это происходит обратная седиментация, характерная прежде всего для газовых эмульсий.
Так как седиментация протекает в определенной среде, то при ламинарном движении частицы возникает сопротивление – сила трения, пропорциональная скорости движения частицы:

где В – коэффициент трения; U – скорость движения частицы.
В первый момент скорость движения частицы очень мала, и она движется ускоренно. С увеличением скорости при достаточно большом коэффициенте трения наступает момент, когда сила трения достигает силы, вызывающей седиментацию, и таким образом, сумма приложенных к частице сил оказывается практически равной нулю. После этого момента скорость движения частицы становится постоянной, её можно определить из уравнений при условии Fсед = Fтр:

Выражение для силы трения возникающей при движении сферических частиц, можно представить в виде закона Стокса:
B = 6rи 6rU
где  – динамическая вязкость среды; r – радиус частицы.
Подставляя уравнение и выражая объём частицы через её радиус
(r3 , получим:

Данное соотношение показывает, что постоянная скорость седиментации частицы пропорциональна квадрату её радиуса, разности плотностей частицы и среды, и обратно пропорциональна вязкости среды. По такому закону происходит осаждение частиц в суспензиях, аэрозолях, эмульсиях.
Относительно радиуса частицы уравнение принимает вид

Определив экспериментально скорость седиментации, и зная величины и Δ Δ   , по уравнению легко рассчитать радиус частицы. Из уравнения следует также, что скоростью движения можно управлять, меняя плотность и вязкость среды.
Если частицы в суспензиях очень малы и их размер приближается к размерам золей, то седиментация под действием гравитационных сил протекает очень медленно [7]. Несколько по-другому происходит седиментация в концентрированных системах, представителем которых есть нефть.[8].
Так, при осаждении в концентрированных системах происходят столкновения частиц, в результате которых малые частицы тормозят движение более крупных, а крупные ускоряют движение мелких частиц. В итоге происходит более медленное коллективное осаждение.
Как уже отмечалось, седиментационная устойчивость суспензии связана со способностью сохранять ею не изменным во времени распределение частиц по объему системы, что, в первую очередь, связано со способностью системы противостоять действию силы тяжести.
Поскольку, большинство суспензий оказываются полидисперсными системами, содержащими и относительно крупные частицы, которые не могут участвовать в броуновском движении, суспензии являются седиментационно (кинетически) неустойчивыми системами. Если плотность частиц меньше плотности дисперсионной среды, то они всплывают, а если больше — оседают[9].
Изучение седиментации суспензий связано, в первую очередь, с получением кривых накопления осадка (кривых седиментации) m = f(t). Кривые накопления могут быть двух видов: с перегибом или без перегиба. Установлено, что вид кривых седиментации зависит от того, является ли седиментирующая суспензия агрегативно устойчивой или нет[10].
1) Если седиментация сопровождается укрупнением частиц, а следовательно, увеличением скорости их оседания, то на кривых седиментации появляется точка перегиба.
2) Если же суспензия агрегативно устойчива (нет коагуляции), то на кривой седиментации перегиб отсутствует. Характер осадков, полученных в том и другом случаях, также различен.
Коагуляция в разбавленных системах также приводит к потере седиментационной устойчивости и в конечном итоге к расслоению (разделению) фаз.
Процесс слияния частиц получил название коалесценции.
В концентрированных системах коагуляция может проявляться в образовании объёмной структуры, в которой равномерно распределена дисперсионная среда. В соответствии с двумя разными результатами коагуляции различаются и методы наблюдения этого процесса. Укрупнение частиц ведёт, например, к увеличению мутности раствора, уменьшению осмотического давления