Седиментационная устойчивость

Седиментационная устойчивость – это способность дисперсной систем сохранять неизменным во времени распределение частиц по объему системы, то есть способность системы противодействовать оседанию частиц (силе тяжести).

Противодействие силе тяжести зависит от размеров частиц. Для крупных (средне- и грубодисперсных) частиц – это сила трения, для мелких (высокодисперсных) тепловое (броуновское) движение.

Пусть r – радиус частиц дисперсной фазы (для сферических частиц); ρ - плотность частицы; ρ₀ – плотность дисперсионной среды; m – вязкость дисперсионной среды; V – объем частицы.

На частицу действуют силы:

1) гравитационная сила F_сед

где g – ускорение свободного падения.

Для сферической частицы

где d – диаметр частицы.

2) сила трения при оседании частицы F_тр:

где В – коэффициент трения;

U_сед – скорость оседания частицы.

Сила трения пропорциональна вязкости дисперсионной среды:

F_тр ~ m

3) тепловое (броуновское) движение, следствием которого является диффузия, которая стремится выровнять концентрацию частиц по всему объему:

~ kT.

При седиментации устанавливается стационарный режим, в соответствии с которым F_сед = F_тр и частица оседает с постоянной скоростью, равной

В результате оседания концентрация частиц в нижележащих слоях дисперсной системы увеличивается, а в слоях, расположенных выше – уменьшается. Возникает разность концентраций, которая является движущей силой диффузии, направленной обратно седиментации. При равенстве диффузионного и седиментационного потоков создается седиментационно-диффузионное равновесие, которое обусловливает седиментационную устойчивость дисперсных систем. Подобный процесс характерен лишь для высокодисперсных систем. Средне- и грубодисперные системы седиментационно неустойчивы.

Повысить седиментационную устойчивость дисперсной системы можно за счет следующих факторов:

1) снижение силы тяжести: достигается путем уменьшения размера частиц с помощью устройств для дробления дисперсной фазы – диспергаторов. (уменьшение диаметра частицы в 2 раза приводит к снижению силы тяжести в 8 раз)

2) повышение вязкости среды: достигается при введении различных добавок, повышающих вязкость (сиропы, желатин)

3) обеспечение хранения дисперсной системы при температуре, не ниже установленной нормы, так как при снижении температуры уменьшается броуновское движение, а, следовательно, и седиментационная устойчивость (например, если поставить вино в холодильник, может образоваться осадок).

Для нарушения седиментационной устойчивости необходимо наоборот увеличить силу тяжести, для чего применяется центробежное поле (сепарирование, центрифугирование). Например, при сепарировании молока эмульсия разрушается и выделяется молочный жир, капельки которого являются дисперсной фазой системы.