Спосіб визначення дисперсності часток у розплавах, що містять тверді суспензії

Корисна модель відноситься до кольорової металургії й може бути використана для проведення седиментаційного аналізу в сольових системах, які містять тверді суспензії, концентрація яких може бути визначена яким-небудь методом аналізу. Відомий спосіб визначення дисперсності часток методом седиментації в ультрацентрифузі [В.А. Волков. Коллоидная химия. МГТУ им. А.Н. Косыгина. 2001г. с.225-232.]. Седиментаційний аналіз для високодисперсних систем з розміром часток менш 10-4см (які у звичайних умовах седиментаційно стійкі) проводять у полі відцентрових сил. Створювані в ультрацентрифузі відцентрові прискорення в десятки й сотні тисяч разів перевищують прискорення земного тяжіння, що забезпечує седиментацію не тільки дрібних колоїдних часток, але й молекул високомолекулярних з’єднань. При седиментаційному аналізі в ультрацентрифузі характеристикою часток дисперсної фази може бути константа седиментації - відношення швидкості седиментації до прискорення поля відцентрових сил. За одиницю виміру константи седиментації прийнятий 1 сведберг = 10-13сек. Швидкість седиментації або встановлення седиментаційної рівноваги в ультрацентрифузі, константи седиментації, маси й розмірів колоїдних часток або макромолекул, а також полідисперсність аналізованої системи обчислюють на основі оптичних вимірів – по зміні показників переломлення або світлопроникнення розчину або колоїдної системи. Цей метод дозволяє визначити масу колоїдних часток незалежно від їхньої форми й сольватації, не вимагає визначення коефіцієнта дифузії й т.д. Недолік методу седиментаційно-дифузійної рівноваги полягає в тому, що стан седиментаційної рівноваги може бути досягнутий через кілька днів або навіть тижнів. Це приводить до певних утруднень технічного характеру й до подорожчання апаратурного оформлення методу. Найбільш близьким по сукупності ознак до способу, що, заявляється є спосіб седиментаційного аналізу суспензії методом безперервного зважування осаду (ваговий метод), що проводять за допомогою торсіонних ваг [В.А. Волков. Коллоидная химия. МГТУ им. А.Н. Косыгина. 2001г с.210-216.]. За даним способом, досліджувану суспензію піддають седиментаційному аналізу, у ході якого фіксують збільшення в часі маси речовини, що осаджується на кварцову чашечку, опущену в розплав на певну глибину (Н). Масу осаду визначають за допомогою відлікового мікроскопа по прогині гнучкого коромисла, до якого кріпиться чашечка. На підставі отриманих даних будують залежності в координатах "час осадження - маса осаду", після чого розраховують еквівалентний радіус (г) часток речовини по формулі: r= 9 h×H×m × , 2 A × t × (r - r 0 ) × g (1) де m - маса осілих часток; А - загальна маса дисперсної фази; h - динамічна в’язкість розплаву; t - час осадження часток; r - густина речовини, що осаджується; r0 - густина розплаву; g - прискорення вільного падіння. Складність проведення подібного експерименту складається в наявності важко контрольованих факторів, які можуть істотно вплинути на результати вимірів. Якщо це розплав, то до таких можна віднести конвекційні потоки повітря над пробіркою із суспензією, а також осадження сублімованих солей на елементах вимірювальної системи лабораторної установки. Також недоліком даного методу є невизначеність первісного моменту осадження. За проміжок часу від кінця перемішування суспензії до початку відліку маси осілих на чашечку часток звичайно встигають осісти самі великі фракції часток, що вносить погрішність і у визначення кінцевої маси осаду. Як правило, кінцева маса осаду виявляється менше маси, розрахованої по концентрації й обсягу суспензії над чашечкою. Почасти така розбіжність пояснюється неповним осадженням найбільш дисперсної фракції. Крім того, можливе відхилення траєкторій осадження від лінійних, особливо, якщо на поверхні часток виникає електричний заряд. Частки, що осіли на чашечку, можуть створювати електричне поле й відхиляти від лінійної траєкторію осадження інших часток. В основу корисної моделі поставлене завдання розробки способу проведення седиментаційного аналізу розплавів, що містять тверді суспензії, у якому за рахунок спрощення процесу відбору проб, а також визначення концентрації речовини, що осаджується, забезпечується підвищення швидкості аналізу і його спрощення. Для вирішення поставленого завдання в спосіб визначення дисперсності часток у розплавах, що містять тверді суспензії, який включає визначення кількості речовини, що осаджується на певній глибині розплаву і розрахунок дисперсії згідно з корисною моделлю в процесі осадження часток відбирають проби, після їхнього охолодження визначають концентрацію часток, що осаджуються, і розраховують дисперсність по рівнянню: 9 × h× r= H æ C0 - Cp ö ÷ ×ç Dt ç Ct - Cp ÷ ø è 2 × ( r - r0 ) × g де H - глибина відбору проб; С0 - початкова концентрація речовини, що осаджується; Сt - концентрація речовини, що осаджується, у момент часу t; Ср - величина розчинності речовини, що осаджується, у розплаві; h - динамічна в’язкість розплаву; Dt - час відбору проб; r - густина речовини, що осаджується; r0 – густина розплаву; g - прискорення вільного падіння. Як відомо, основне рівняння седиментації, отримане на основі закону Стокса, має вигляд: dx 2 × r 2 × ( r - r 0 ) × g = , dt 9 ×h (2) dx сферичної твердої частки при осадженні у в’язкому dt середовищу з її розміром. На Фіг.1 показано схему осадження часток. В об’ємі рідини, що перебуває в посудині, обмеженій висотою стовпа Н, перебувають частки зваженої речовини масою m. Через відрізок часу t під дією гравітації частки опускаються на відстань Dх, причому у вищезазначеному об’ємі маса часток, зменшується на величину Dm, а об’єм, у якому перебуває вихідна маса часток, збільшується на величину, пропорційну пройденому частками шляху Dx×S; (S - площа поверхні рідини). Виконавши ряд математичних перетворень і зіставивши їх з рівнянням (2) одержали, що радіус часток, що осаджуються, обчислюють по формулі: Воно показує взаємозв’язок швидкості руху ö H æ C0 ÷ ×ç ç C - 1÷ Dt è t ø , 2 × (r - r 0 ) × g 9 ×h× r= (3) Якщо речовина часток має помітну розчинність у рідині, то аналітично визначені значення концентрацій перед підстановкою в рівняння (3) повинні бути зменшені на величину розчинності. У результаті одержимо рівняння (4). 9 ×h× r= ö H æ C0 - Cp - 1÷ ×ç ÷ ç Ct - Cp Dt è ø , 2 × (r - r0 ) × g (4) Спосіб здійснюється таким чином. Роблять відбір проб розплаву через фіксовані проміжки часу. Початковому змісту С0 відповідає концентрація речовини, що осаджується, у квазигомогенній оксидносольовій суміші. Для первісного усереднення складу по зважених частках речовини, що осаджується, розплав перемішують мішалкою або продувкою інертним газом. Основною складністю проведення седиментаційного аналізу по способу, що заявляється, є коректний відбір проби розплаву. Вона повинна являти собою усереднену пробу стовпа розплаву по висоті Н. При цьому необхідно забезпечити занурення пробовідбірника на строго певну глибину при кожному відборі проби, а також незмінність рівня розплаву після узяття проби. Остання умова здійсненна при виборі посудини для розплаву досить великого діаметра. Відбір проб проводять шляхом плавного вертикального занурення в розплав на строго фіксовану глибину тонкостінної кварцової трубки й наступного її витягу з розплаву після перекривання верхнього холодного кінця. Порція, що перебуває в трубці, розплаву зливається у виливницю й аналізується на зміст оксиду магнію методом алкаліметричного титрування. Простота апаратурного оформлення, а також покладений в основу принцип аналізу концентраційних залежностей, дозволяє застосовувати цей спосіб при дослідженнях на промислових апаратах, що працюють по принципу очищення від суспензій відстоюванням. Спосіб був випробуваний у лабораторних умовах. Проводився експеримент по дослідженню осадження оксиду магнію залежно від вологості, що продуває через розплав хлориду магнію повітря. Після досягнення температури в печі 780°С в неї поміщали кварцову реторту, приводили у дію апарат Кіппа, барботер із затиском опускали крізь отвір у кварцовій кришці на дно реторти. 580г здрібненого хлористого магнію завантажували до рівня 20-23см від дна. Після розплавляння наважки завантажували наступну порцію. Таким чином, плавлення хлориду магнію вироблялося в атмосфері хлористого водню. Щоб уникнути утворення кірки на дзеркалі розплаву останні порції завантажували поступово, у міру їхнього розплавлювання. Після закінчення продувки хлористим воднем продували розплав аргоном на протязі 30 хвилин. Потім починали продувати розплав повітрям. При продуванні розплаву зволоженим повітрям, підключали установку зволоження й підігріву повітря. При продуванні розплаву осушеним повітрям, замість установки зволоження й підігріву повітря, використали систему із трьох склянок Дрекселя із сірчаною кислотою, закріплених на штативі. При продуванні розплаву атмосферним повітрям експеримент проводили, без включення установки зволоження й підігріву повітря. Опускання барботера із затиском, через який надходило повітря, проводили повільно, прогріваючи його над розплавом, і стежили за поплавцем ротаметра. Витрата стисненого повітря регулювали голчастим краном. По закінченні години після початку продувки розплаву повітрям ретельно перемішували розплав і починали відбір проб. Першу пробу відбирали, опускаючи пробовідбірник на глибину 70мм. Потім, додаючи по 4-5мм глибини на пробовідбірнику через кожні п’ять хвилин на протязі 30 хвилин проводили відбір проб. Температура розплаву в процесі відбору проб у всіх досвідах рівнялася 780±2°С. Проби зливали в кокілі й поміщали їх у герметичний єксікатор. По закінченні відбору проб вимикали піч й зливали розплав, що залишився в реторті, у кварцову виливницю. Поміщені в єксікатор проби окремо доставляли в сухий бокс, де їх доводили до середнього змісту в агатовій ступці й поміщали в герметично закриті пробірки. Визначення концентрації оксиду магнію в пробах, проводили алкаліметричним аналізом, за результатами, якого будували графічну залежність зміни в часі концентрації оксиду магнію в розплаві хлориду магнію залежно від вологості повітря, що продувається через розплав. При вологості повітря 58,5г/м3 концентрація часток оксиду магнію впродовж 30 хвилин знижувалася з 0,75% до 0,47%, особливо різко в перші 5 хвилин осадження – з 0,75% до 0,62%. При вологості повітря 15,79г/м3 і 0г/м3 характер зменшення концентрації MgO менш різкий. Концентрація оксиду магнію при таких режимах проведення досліду змінювалася при вологості повітря 15,79г/м3 від 0,5% до 0,32% при вологості повітря 0г/м3 від 0,33% до 0,27%. Згідно з отриманими даними розраховували по формулі (4) середні радіуси часток оксиду магнію. Середні радіуси часток MgO у розплаві MgCl2 при різній абсолютній вологості повітря що продувається через розплав приведені у таблиці. Таблиця Вологість повітря, що продувається через розплав, г/м3 0 15,79 58,5 Середній радіус часток MgO, мкм 6,11 7,52 8,22 Описаний спосіб може бути застосований до сольових систем, у яких перебувають тверді суспензії, концентрація яких може бути визначена яким-небудь методом аналізу. Спосіб, що заявляється, дозволяє підвищити швидкість седиментаційного аналізу, а також спрощує апаратурне оформлення при його проведенні.