Лабораторна робота № 12. Cедиментаційний аналіз

Мета роботи – вивчити розподіл нерозчинних частинок у воді в полі тяжіння Землі; визначити розподіл частинок за розмірами.

Вказівки до виконання лабораторної роботи

Для виконання роботи слід вивчити такий теоретичний матеріал: явища переносу, внутрішнє тертя, рух частинок у в’язкому середовищі. [1, т.1, §§ 5.1, 6.4, 6.5, 7.4, 19.2; 2, §§ 33 – 31, 48; 4, т.1, §§ 42, 43, 79, 80]

При русі частинок у газі або рідині виникають сили тертя між шарами рідини, які “прилипли” до частинки і шарами самої рідини. Цей процес отримав назву внутрішнього тертя у рідинах та газах. Механізм виникнення сили тертя між шарами рідини полягає в тому, що завдяки хаотичному тепловому рухові молекул відбувається обмін молекулами між шарами рідини, в результаті чого кількість руху (імпульс) шару, який рухається швидше, зменшується, а у того, який рухається повільніше – імпульс збільшується, що призводить до гальмування швидкого шару і прискорення повільнішого, або до появи сили внутрішнього тертя. Сила внутрішнього тертя визначається за законом Ньютона:

,

де – динамічна в’язкість рідини або газу; – градієнт швидкості; – площа шару рідини або газу.

Для визначення зернистого складу нерозчинних суспензій скористаємось тим, що тіло у вигляді кульки рухається у в’язкому середовищі під дією сили тяжіння рівномірно. Сила внутрішнього тертя (опору руху частинки) у в’язкому середовищі знаходиться за законом Стокса:

,

де h – коефіцієнт в’язкості рідини; u – швидкість падіння; R – радіус кульки (частинки).

Сила F _С, під дією якої частинка осідає в рідкому середовищі, пропорційна її масі з гідростатичною поправкою:

де F _А – сила Архімеда, – густина тіла, – густина рідини, g – прискорення вільного падіння.

В дослідній практиці седиментаційним аналізом користуються для визначення розмірів частинок (радіусів R) за значенням їх швидкостей:

При рівномірному падінні частинки у рідині сили F і F _С рівні. Отже:

.

Звідси:

. (12.1)

З іншого боку, швидкість u можна визначити прямими вимірюваннями. Знаючи висоту рівномірного падіння h та час падіння t, швидкість u визначають за формулою:

. (12.2)

Підставимо (12.2) в (12.1):

. (12.3)

Так як h, та g є сталими величинами, то у формулу (12.3) введемо константу k:

.

Тоді:

. (12.4)

Таким чином, при застосуванні методу седиментаційного аналізу для знаходження розмірів частинки за формулою (12.4) достатньо експериментально визначити час падіння частинки t у рідині при сталій висоті падіння h.

Седиментатор – прилад для визначення зернового складу нерозчинних суспензій (наприклад глини) у воді, складається із скляної трубки (Т) довжиною 1, 2 м і діаметром 20 мм, яку заповнюють суспензією. В нижній частині трубка звужена до отвору в 4-6 мм (рис. 12.1).

Залиту в трубку суспензію збовтують. Потім відкривають кран К і включають секундомір. Суспензія витікає з трубки Т в кювету N через фільтр C (сито). Через певний проміжок часу змінюють кювети та сита певного розміру, відбираючи таким чином певну фракцію глини. Знаючи час відбору і висоту трубки за формулою (12.4) визначають розмір кожної фракції.

У зв’язку з тим, що крупніші частинки осідають швидше, спочатку використовують сита з розміром 80-60 мкм, потім 60 - 40 мкм, потім 40-20 і менше 20 мкм, а час відповідно 3, 5, 15 і більше 15 хв.

Для визначення відсоткового вмісту цих фракцій кювети з частинками глини просушують у сушильній шафі до сталої маси. Потім зважують та порівнюють з початковим навіском. Відсотковий склад фракцій менше за 20 мкм можна визначити за різницею навісок початкової проби глини і сумарної маси визначених крупніших фракцій.

Хід роботи

1. Просушену глину при температурі 120^оС не менше 2 год розтерти в чашці і просіяти через сито № 008 (ГОСТ 3584-73).

2. Відібрати проби вагою 10 грамів і висипати в трубку з водою.

3. Приготувати кювети з номерами N ₁, N ₂, і N ₃ та відповідно сита С₁ (0063), С₂ (004), та С₃ (002).

4. Поставити кювету N ₁ та сито С₁. Збовтати трубку із суспензією. Одночасно включити секундомір на 3 хв і відкрити кран. Слідкувати, щоб суспензія витікала у вигляді крапель із швидкістю 10 мл за 5 хв.

5. Через 3 хв замінити кювету на N ₂ та сито С₂. Час витікання суспензії у цьому випадку становить 5 хв. Час відрахувати від початку зміни кювети.

6. Через 5 хв змінити кювету та сито на N ₃. Час витікання суспензії 15 хв.

7. Визначити за формулою (12.3) розмір кожної відібраної фракції глини.

8. Помістити кювети в сушильну шафу і висушити до сталої ваги.

9. Визначити вагу кювет N ₁, N ₂, і N ₃. Знайти відсотковий вміст фракцій 80-60 мкм, 60-40 мкм, 40-20 мкм і менше 20 мкм.

Контрольні запитання

1. Що таке в’язкість рідини та її фізичний зміст?

2. Що таке суспензія?

3. Що означає седиментаційний аналіз і для чого він потрібний?

4. Чим відрізняється колоїдний розчин від хімічного?

5. В чому полягає метод Стокса?