Основи седиментаційного аналізу

Седимента́ція (sedimentum — осідання)

Седиментація це осадження частинок під дією сили земного тяжіння. Цей процес є протилежним дифузії і приводить до утворення градієнту концентрації, тоді як дифузія веде до вирівнювання концентрації. Між седиментацією та дифузією з часом встановлюється рівновага, при цьому маленькі частинки, котрі краще дифундують, розміщуються переважно у

верхніх шарах розчину, а більш великі частинки переважно в нижніх шарах розчину. Явище седиментації для фракціонування речовин, клітинних органел, визначення молекулярної маси біополімерів методом центрифугування.

1) Осідання або спливання часток дисперсної фази (твердих крупинок, крапельок рідини, бульбашок газу) в рідкому або газоподібному дисперсійному середовищі в гравітаційному полі або полі відцентрових сил. Седиментація відбувається, якщо направлений рух часток під дією сили тяжіння або відцентрової сили переважає над хаотичним тепловим рухом часток. Швидкість седиментації залежить від маси, розміру і форми частинок, в'язкості і густини середовища, а також від прискорення вільного падіння або діючих на частинку відцентрових сил. У гравітаційному полі седиментують досить великі частинки, не схильні до теплового (броунівського) руху; в полі відцентрових сил можлива седиментація колоїдних частинок і макромолекул — молекул природних і синтетичних полімерів. Для дрібних не взаємодіючих між собою сферичних частинок, які осідають в ламінарному режимі, швидкість седиментації обчислюють за формулою Стокса.

2) У мінералогії — процес утворення осадових мінералів і мінеральних комплексів.

3. Сукупність процесів нагромадження відкладів у водному середовищі. С. є одним із важливих факторів самоочищення природних вод, що призводить до прояснення води, зменшення мінералізації, запахів, бактеріального забруднення. Одними з найбільш поширених методів розділення дисперсних систем є їх відстоювання під дією сили тяжіння або приміщення в відцентрове поле. Ці процеси отримали назву седиментація. В їх основі лежить різниця щільності між дисперсними частинками і середовищем, в якій вони знаходяться. Для розрахунку широкого кола апаратів, таких як відстійники і центрифуги, необхідно знати основних закономірності

седиментаційних процесів. Основні закономірності процесів седиментації частинок в гравітаційному полі. Закони осадження часток досить добре вивчені для розбавлених дисперсних систем, концентрація яких невелика. При цьому, за великої відстані зіткнення між частинками відбуваються досить рідко, і їх взаємний вплив незначно. Тому закономірності осадження таких систем можуть бути отримані шляхом вивчення процесу руху одиничної частки

Методи седиментаційного аналізу

Методи седиментаційного аналізу були розроблені для визначення розмірів частинок дисперсної фази. Зрозуміло, ці методи мають ряд обмежень, які обумовлені реальною формою частинок, розходженням їх за розмірами, специфікою дії законів гідродинаміки для випадку дрібнодисперсних систем та деяких інших факторів. Тому при виведенні відповідних формул завжди слід домовлятися про умови моделювання того чи іншого процесу.

Седиментація безлічі частинок. Припустимо, що на процес седиментації конкретної частинки не впливає наявність поряд інших частинок - незалежність осадження кожної частинки. Монодисперсна система. У таких системах частинки мають однаковий розмір, тому швидкість їх седиментації буде постійною й однаковою. Відстоювання відбуватиметься пропорційно тривалості процесу т.

Полідисперсна система. У цьому випадку седиментаційний аналіз зводиться до визначення швидкості нагромадження осаду, оскільки частинки різних розмірів осідають неоднаково, і межа між концентрованим розчином і частиною дисперсійного середовища, яка очистилася, виявляється розмитою.

Седиментація в дисперсних системах. Закономірності седиментації в гравітаційному та доцентровому полях. Осідання часточок під дією сил тяжіння називається седиментацією. На часточку, яка седиментує в гравітаційному полі діє сила:

і_ссл = mg - F_ApN = pvg = vg(p - p₀), (4-9)

де р,р,і - густини часточки та дисперсійного середовища; об'єм

часточки

v = -nr^J. (4-Ю)

З

Сила тертя, яка виникає при русі часточки:

f,_p = BU, (4.11)

де U - швидкість седиментації.

Сумарна сила, яка діє на часточку:

F=f_CCT-i_Tp=vg(p-_Po)-BU. (4.12)

де В - коефіцієнт тертя, який дорівнює бтгпг.

В умовах стаціонарного режиму F=0, тобто

vg(p-Po) = BU. (4.13)

-7tr'g(p-p₀) = 67i_MrU (4-14)

Отже: U = ^ZM. (4.15)

Із (4.15) видно, що осідання часточок відбувається, коли р > р₀.
Величина радіусу часточок:

_r= BE (4.16)

Wp-Po) Здатність до седиментації прийнято виражати через константу седиментації, яка визначається швидкістю седиментації:

_s -El ₌ ^ (4.17)

^ссл " В g '

S _І<Р-Ро),.2 г²(р-р ₀) (4 18)

В 9 ц

Отже, S_ceA залежить від розмірів часточок та _|природи фаз. За одиницю седиментації прийнято (1Сб=10 є).

Ультрамікрогетерогенні системи практично не седиментують в полі тяжіння землі. Тому для них використовують доцентрове поле (ультрацентрифугиз со-ІО'об/хв).