Неоднородные смеси. Общие понятия и определения

• Суспензию – жидкость, содержащую взвешенные твердые частицы;
• Эмульсию – жидкость, содержащую распределенные в ней капли другой жидкости, которые не растворяются в первой жидкости;
• Пену – жидкость, содержащую распределенные в ней пузырьки газа;
• Пыль - газ, содержащий распределенные в нем твердые частицы, размер которых не превышает 5 мкм;
• Дым - газ, образующийся при горении и содержащий распределенные в нем твердые частицы, размер которых не превышает 5 мкм;
• Туман – газ, содержащий распределенные в нем капли жидкости, размером менее 5 мкм.

Пыль, дым и туман относятся к аэрозолям. В эмульсиях и пенах, дисперсная фаза может перейти в сплошную фазу (инверсия).

Полидисперсные системы состоят из частиц, различных по размеру. В монодисперсных системах, частицы близки по размеру. Большинство дисперсных систем имеет тенденцию к укрупнению капель и пузырей посредством их соединения, данный процесс называется коалесценцией. Увеличение крупных частиц путем их слипания, называется коагуляцией.

Для разделения неоднородных смесей на компоненты в химической промышленности используются методы, основанные на разности плотностей компонентов или на задержании одного из компонентов при помощи пористой перегородки, пропускающей только одну фазу, например, жидкость или газ.

Метод, основанный на разности плотностей, называется осаждением или отстаиванием, а метод, который основывает на задержании одной из фаз – фильтрованием. Для разделения взвесей также используется электрическое поле, где основным фактором разделения является взаимодействие мелких капель с электродом.

Свойства дисперсий зависят от концентрации и свойств составляющих ее фаз. Концентрация может выражаться в массовых (а_м), объемных (а_о) долях, а также в процентах. Если известна плотность дисперсной фазы (р_т) и сплошной (р_ж) фазы, то можно вычислить плотность смеси р_с:

ρ_с = a₀ · ρ_т+(1-a₀) · ρ_ж = 1 / (a_м/ρ_т + (1-a_м)/ρ_ж) = (ρ_т · ρ_ж) / (ρ_т-a_м · (ρ_т-ρ_ж))

Из данного равенства можно найти соотношение между объемной концентрацией и массовой:

a₀ = (a_м · ρ_ж) / (ρ_т-a_м · (ρ_т-ρ_ж))

Вязкость суспензии μ_с, в свою очередь, зависит от вязкости сплошной фазы μ_ж, а также объемной концентрации, размера частиц дисперсной фазы и их формы. Значение μ_с, которое будет эффективно в конкретном случае, вычисляется опытным путем.

Для выражения содержания жидкости в осадке используется его массовая (ω_м) или объемная (ω_об) влажность, равная массе или объему жидкости, который приходится на единицу массы или объема осадка.

Величины ω_м и ω_об связаны между собой зависимостью:

w_об = w_м · (ρ_т · (1-ε)) / (ρ_ж · (1-w_м))

Насыщенность осадка – это относительный объем пор, который занят жидкостью. Его определяют по формуле:

S = w_об/ε = (w_м · ρ_т · (1-ε)) / ((1-w_м) · ρ_ж · ε) = (w_м · ρ_т · (1-ε)) / (ρ_ж · ε)

В процессе разделения суспензий хотя бы малая часть жидкости удерживается в порах осадка при помощи капиллярных сил, и соответствует насыщенности осадка S_св. Следовательно, эффективность насыщения выражается, как

S_эф = (S-S)_св/(1-S_св)

Когда от суспензии отделяется жидкая фаза, он всегда содержит небольшое количество твердых частиц, что показывает, насколько процесс фильтрации эффективен. Максимальный диаметр данных частиц – самая важная характеристика процесса разделения.