Стабильность (седиментационная и агрегативная устойчивость) раствора

Стабильной дисперсной системой называют дисперсную систему, в которой дисперсная фаза длительное время равномерно распределена по всему объему.

Стабильность раствора определяется в основном его седиментационной и агрегативной устойчивостью (Песков).

Агрегативная устойчивость может быть определена как способность системы к сохранению дисперсности частиц.

Агрегативная устойчивость определяется двумя факторами: потенциалом частиц и наличием адсорбированной гидрофильной пленки на поверхности частиц.

При высоком потенциале поверхности частиц вокруг частиц образуется гидратный слой, предотвращающий сближение частиц, на расстояние межмолекулярного взаимодействия частиц. При введении катионоактивных электролитов отрицательный заряд частиц нейтрализуется, гидратный слой устраняется или становится тоньше, и частицы сближаются на расстояние действия межмолекулярных сил. Если концентрация катионов невелика, частицы нейтрализуются на определенных ее участках, слияние частиц происходит с образованием пространственного каркаса, образуется гель. При высокой концентрации катионов, происходит нейтрализация частиц на всей поверхности.

Происходит слияние частиц в виде крупных агрегатов, выпадающих в осадок.

Нейтрализовать потенциал частиц можно электролитами, неполярными ПАВ и другими неполярными жидкостями.

Седиментационная устойчивость - это устойчивость дисперсных систем к осаждению твердой фазы.

Различают кинетическую и термодинамическую седиментационную устойчивость.

Мерой кинетической седиментационной устойчивости является величина, обратная константе седиментации.

Константу седиментации можно определить следующим образом.

На каждую частицу твердой фазы в дисперсной системе будут действовать две силы – гравитационная

F_g=mg= р Vg

и архимедова сила выталкивания

F_a= р_o Vg

где m - масса частицы твердой фазы; р — плотность частицы; V - объем частицы; р0-плотность раствора.

Если р > р0, наблюдается прямая седиментация (оседание) частиц, которая зависит от площади, взаимодействующей с молекулами воды, ее гидрофильности и скорости движения (по закону Стокса):

F_TP=6πηrv

где η- вязкость раствора; α — коэффициент, определяющий гидрофильность чатиц; V- скорость движения частиц; d -размер частиц; S -площадь поверхности частиц.

И, наконец, при опускании частиц возникает разность концентрации твердых частиц в растворе в верхней и нижней его части, что вызовет диффузные силы.

где q₁ и q₂ - заряды частиц и молекул воды; г - расстояние между ними; ε₀ -электрическая проницаемость раствора; ε - электрическая постоянная.

Диффундирование частиц твердой фазы происходит вследствие притяжения молекулами - диполями воды заряженных дисперсных частиц (гидратации частиц). В результате взаимодействия молекул воды с частицами твердой фазы вокруг каждой частицы образуется слой воды. При таком взаимодействии частицы втягиваются в раствор, что ведет к их равномерному распределению в объеме.

Диффузные силы весьма слабы и при седиментации обычно их не учитывают; учитывают при седиментации только гравитационные силы F_g-F_аи силы гидравлического сопротивления F_гс, состоящие из двух сил: сил трения F_mри сил любовного сопротивления:

Fg-Fa=(р-р₀) Vg

тогда сила действующая на частицу будет:

F = (р- р₀)Vg - 6πηrvα

При малой скорости движения и малых размерах частиц лобовое сопротивление жидкости ничтожно мало (рV2 /2 = 0)тогда с учетом активности частиц α

откуда выражая объем частиц через радиус г получим скорость седиментации

а константа седиментации

т.е. скорость седиментации твердой фазы определяется вязкостью раствора (η) плотностью (р), дисперсностью (г) и активностью (гидрофильностью) ее частиц (α).

Термодинамическая седиментационная устойчивость определяется высотой Ье, на протяжении которой концентрация дисперсной фазы изменяется в «е» раз. где V - скорость движения частиц, Т - температура раствора по Кельвину.

Условно стабильность промывочной жидкости определяют с помощью прибора ЦС-2, представляющего собой металлический цилиндр объемом со сливным отверстием посередине. При замере отверстие перекрывают пробкой, раствор заливают в цилиндр, который закрывают стеклом и оставляют на 24 часа. По истечении срока через отверстие сливают из верхней части цилиндра, а затем из нижней части цилиндра ареометром определяют стабильность раствора.

Стабильность можно условно определить и по суточному отстою в стеклянных мерных сосудах. За показатель отстоя принимают отношение осветленной воды в верхней части ко всему объему раствора.

Наконец, стабильность раствора можно условно определить на водоотдаче раствора на приборе ВМ-6. За показатель водоотдачи принимают количество воды, профильтровавшейся через бумажный фильтр через 30 минут при перепаде давления 1 атм.

Стабилизацию буровых растворов осуществляют путем активации структурообразователя щелочными реагентами (УТР,ТЩР и ЗО), щелочными электролитами и гидрофильными полимерами.

Поиск по сайту: