CC BY
10
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т.ХУЬ Научна сесия „Техника и технологии, естествени и хуманитарни науки", 30-31 Х 2013 Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XVI.,ISSN 1311-9192, Technics, Technologies, Natural Sciences and Humanities Session, 30-31 October 2013
ТЕГЛОВЕН СЕДИМЕНТОМЕТЪР С ВИСОКА НЕИНВАЗИВНОСТ Димо Христозов1, Кирил Коликов2, Радка Колева2
1. Университет по хранителни технологии 2. Пловдивски университет „ Паисий Хилендарски "
Резюме
В представената работа се изследва чрез тегловен седиментометър ходът на седиментацията в течни дисперсии, в наклонен съд спрямо векторът § на интензитета на хомогенно гравитационно (земно) поле. Чрез измерване на маса се определят големината на хоризонталната компонента на вектора на преместването на центъра (барицентъра) на масите, в наклонени съдове (цилиндрични, призматични). При това могат да се изследват непрозрачни течни дисперсии, а начертаването на седиментационната крива може да се компютъризира. Седиментационната крива служи за определяне в течни дисперсии на седиментационната стабилност - разслояването, и за извършване на седиментационен анализ - определяне размера на частиците от дисперсната фаза. Тегловният седиментометър се характеризира с висока неинвазивност върху изучавания седиментационен процес, с простота и лесна реализация на устройствата за измерване.
Ключови думи: седиментометър, седиментационна стабилност, седиментационен анализ.
1. Въведение
Съществуват течни дисперсии (ТД) във вид на суспенции и емулсии - продукти на различни промишлености. Такива продукти са, например: пиво, сокове, нектари, сосове, пюрета, млечни, винени, лечебни и козметични течности, бои, лакове и т. н. Тези ТД имат дисперсна фаза, състояща се от тежки частици, със средна обемна масова плътност по-голяма от тази на дисперсната среда (най-често вода) и/или леки частици, с плътност по-малка от тази на дисперсната среда [1]. В суспензиите преобладават тежките частици, а в емулсиите - леките. В условието на хомогенно гравитационно (земно) поле с интензитет § ,
с големина § = 9,8 т / §2, тежките частици се преместват надолу към дъното на съда. В този случай казваме, че протича права седиментация, в резултат на което се образува седимент. Същевременно, леките частици се преместват обратно - нагоре. Протича обратна седиментация, образува се изплавък. Ние доказахме теоретично и експериментално, че и при двата вида седиментация - права и обратна, центърът на масите (ЦМ) - барицентърът на изследваната ТД, се премества винаги надолу - към дъното на съда [2].
За ТД, които запазват по-дълго време ! своето хомогенизирано състояние, при постоянна температура и външно налягане, се казва, че имат по-голяма седиментационна стабилност и се оценяват по-високо. Предвид на казаното, количествената оценка на седиментационното разслояване и на седиментационната стабилност в ТД, придобиват важно значение. Физичната величина д1 е била въведена, за първи път по
И
визуалния метод [3] чрез формулата = —, където с И1 е означена височината в момента
И,
време , на просветлената част на ТД в съд - от най-горното ниво на ТД до макроскопичната разделна граница между просветлената и мътна част в стълба ТД, с кда е означена тази височина в момента , = да , когато се установява седиментационно-дифузно равновесие. Седиментационната стабилност се получава по формулата
Ь 1 - ь
Ь, = 1 - а, =-
К
От две суспензии - при еднакви температури и външно налягане, по-голяма седиментационна стабилност има тази, за която се получава по-голяма стойност за . Величината характеризира свойството на ТД да запазват своето хомогенизирано състояние с течение на времето , .
Визуалният метод, обаче, е неточен, защото не винаги в ТД, в условията на гравитационно (земно) поле, се установява рязка разделна граница между избистрената (просветлената) част и мътната част. Затова са възникнали инструментални методи за изучаване на седиментационното разслояване. В монографията [4] са разгледани по-широко използваните методи: тегловен (чашков) метод на Оден, хидростатичен метод на Вигнер, слоест метод, пипетъчен метод, електросъпротивителен метод, оптични методи. Разпространен недостатък в тези методи е наличието на инвазивност върху седиментационния процес: в съда с изследваната ТД, се вкарват измерителни елементи -пипети, чашки, електроди. Освен това при изследване чрез пропускане на лъчение, се прилага и разреждане, което променя свойствата на ТД.
В [5] патентовахме барицентрично (центромасово) устройство за изследване на седиментацията в ТД, чрез измерване на преместването на ЦМ, с течение на времето ,. Това преместване на ЦМ отчита седиментационното поведение на всички частици в ТД, като са отстранени или намалени посочените по-горе недостатъци. Известна инвазивност на барицентричния метод, обаче, остава: осевосиметричен съд К (цилиндричен, призматичен), изпълнен с хомогенизирана ТД, стои във вертикално положение (по £). С цел измерване - само за няколко секунди, К се окачва в точка от образувателната на цилиндричната повърхнина, която точка е над геометричния център на К . След това К отново се поставя във вертикално положение. Следователно, седиментацията -преместването на ЦМ на изследваната ТД в К , се отчита прекъснато - през определени интервали от време. С цел отстраняване на тази прекъснатост в измерванията и свързаната с нея инвазивност, по-долу ще опишем везново устройство - седиментометър с неподвижен наклонен съд.
2. Тегловен седиментометър с наклонен съд
На Фиг. 1 схематично е изобразено осево сечение на наклонен съд (цилиндричен или призматичен) К с ос на симетрия / . Съдът К може да не е изпълнен изцяло с ТД, т.е.
може да има въздушна камера К1. С К2 е означена частта от К с ТД, с К3 - частта от К с
образувалата се утайка. В плот Р е вградена електронна везна ЕВ.
Точката СК е положението на ЦМ на празния съд К , С0 - ЦМ на хомогенизираната ТД в К , в начален момент време , = 0; С1 - ЦМ на ТД в момент време , > 0; Сда - ЦМ на ТД в момент време , = да, когато е достигнато седиментационно-дифузно равновесие. Разглежданията са във вертикална равнина, в която лежи вектор £ - интензитетът на хомогенното гравитационно поле. К е наклонен под някакъв ъгъл а спрямо £ . Избрана е координатна система Оху , в която се измерват по хоризонталната ос Ох абцисите I, а, х1, хда , съответно, на точките СК , С0, С,, Сда . Тези абсциси са рамена на сили върху съда К с
тд.
Фиг. 1. Схематично изображение на тегловен седиментометър.
В точка О - чрез подходящ палец, К опира плота Р , а чрез точка А - с друг палец, К опира чувствителната плочка на ЕВ. През точката О и А минават вертикалите, съответно у и п , като I е разстоянието между тях.
Ще отбележим, че Фиг. 1 отразява реалното положение в практиката, където всеки съд с ТД - бутилки, буркани, консерви кутии, е с неголям обем въздушна част в тях. При протичане на седиментация в наклонени съдове К с ос на симетрия, ЦМ на ТД в К не се премества по осевата линия /л или по вертикалата п . При това е удобно да се работи само
с хоризонталните компоненти на точките СК, С0, С1, , защото през цялото време на седиментация, от / = 0 до / = да , тези компоненти, са рамена на сили върху К с ТД. В такъв случай, не е нужно да знаем точното място на С0, С1 и , а положението на началната вертикала у , спрямо която се определят хоризонталните компоненти I, а, х1 и
3. Определяне преместването на центъра на масите и на седиментационната стабилност
Нека т е масата на изследваната ТД в К и g = . Силата тегло О = mg на съда К с ТД в началния момент време t = 0 , има рамо а спрямо избраната отправна точка О (Фиг. 1). Тогава моментът на силата О е mga. Втората сила на К с ТД е силата натиск ^ в точка А върху ЕВ. Тъй като рамото на силата ^ е I спрямо О , то нейният момент е т0gl. ^ = т0g, където т0 е редуцирана маса, измерена с ЕВ (по-малка от т). Поради подпирането на К по оста п , минаваща през С0 - ЦМ на празния съд К , то масата на съда не се взима предвид. Понеже К е в равновесие ( К е неподвижна спрямо плота Р ), при t = 0 тези два момента на сили върху К са равни, т.е. mga = т0gl, или
та = т01. (1)
В момента времето t > 0 вече има преместване на седиментираща маса, което означава, че има изместване на ЦМ на ТД до т. С1 в К с проекция х1 по абцисата Ох. Тогава за равенството на силите можем да запишем т (а + х1) g = т^1, или
т( а + х1 ) = т11, (2)
където т( е показанието на ЕВ в този момент време /. Като заместим та от (1) в (2), получаваме формулата за големината на преместването х1 по Ох
(т, - т0) I
т
(3)
х
Съгласно формула (3) във всеки конкретен експеримент — = к е константа. Оттук, като
m
въведем означението Amt = mt - m0 получаваме
xt = кAmt. (4)
Резултатът (4) показва, че xt и Amt са линейно зависими (право пропорционални).
За t = да, когато е установено седиементационно-дифузно равновесие, можем да въведем означението Amm = mrrj - m0 и да запишем = кАшт .
По визуалния метод, както казахме по-горе, са били въведени за първи път величината седиментационно разслояване qt и седиментационна стабилност St. Аналогично ще запишем чрез барицентричните измервания xt и :
qt = Ü. и St = 1 - -S-
х„ х„
По тези формули qt характеризира количествено свойството на ТД да се разслояват в гравитационно поле, с течение на времето t, а St - да запазват своето хомогенизирано състояние. Чрез стойностите, отчетени на EB, може да се изписват на компютър графиките на xt, qt и St, в зависимост от времето t.
От експериментално получената седиментационна крива за xt или Amt в зависимост от времето t , може да се изчислят не само qt и St , а и да се извърши седиментационен анализ - определяне размера на частиците от дисперсната фаза на ТД.
4. Заключение
При предложения от нас тегловен седиментометър е достигната висока степен на неинвазивност върху седиментационния процес в ТД. Защото в наклонения съд с ос на симетрия не се вкарват измерителни елементи; през цялото време на измерване наклоненият съд K е неподвижен и измерванията са непрекъснати. През изследваната ТД в съда K не се пропуска лъчение и със седиментометъра могат да се изследват и непрозрачни течни дисперсии. Това устройство се характеризира с достъпност, простота и ниска цена.
Друго преимущество на везновия седиментометър е, че електронната везна може да се свърже с компютър и с подходящ софтуер да се изписват графиките на xt , qt и St .
Признателност
Резултатите от настоящите изследвания се публикуват с финансовата подкрепа на Фонд „Научни изследвания" към МОН по договор № ТО 1/2.
Литература
1. Christozov Dimo, Kolikov Kiril, Gargov Bogdan, 2013, Modeling of stratification in liquid disperse systems at right and opposite sedimentation, Journal of the Technical University - Sofia, Plovdiv branch, Bulgaria.
2. Kolikov Kiril, Christozov Dimo, Krustev George, Koleva Radka, 2010, Unidirectional displacement of center of masses at sedimentation in dispersions and application of this effect, Scientific researches of the union of scientists in Bulgaria - Plovdiv, series B, vol. XIII, ISSN 1311-9192, 11-12.XI.2010.
3. Krustev G. A., Christozov D. D., 1994, Method and Apparatus for Determination of Sedimentation Stability and Sedimentation Anisotropy Angle, Colloid Journal, v. 56, 5 : 586-592.
4. Hodakov G. S., Udkin U. P., 1981, Sedimentasionii analys visokodispersnih system, Izd. Himia, Moskva, p. 96
5. Христозов Д. Д., Кръстев Г. А., 1979, Патент № 26040, Устройство за седиментометричен анализ, Република България
