ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Критические параметры дисперсных систем и структурообразование в статических условиях из "Физико-химические основы технологии дисперсных состем и материалов" Для многих технологических процессов с участием дисперсных систем применение вибрации как метода регулирования структурно-реологических свойств весьма ограничено или полностью исключается. [c.146] К такого рода технологическим процессам относится магистральный трубопроводный гидротранспорт высококонцентрированных водоугольных суспензий, предназначенных для прямого сжигания в котлоагрегатах тепловых электростанций. В данном случае исключается возможность применения непосредственно в процессе транспорта в сочетании с введением ПАВ регулируемых по интенсивности механических и в особенности вибрационных воздействий. Поэтому существенно возрастает роль химических методов регулирования текучести и устойчивости дисперсных систем, прежде всего путем применения смесей добавок полифункциональных ПАВ и электролитов. [c.146] Теоретической предпосылкой для разработки безвибрационных методов регулирования реологических свойств суспензий и их устойчивости является знание критических значений основных параметров дисперсных систем и их зависимостей от условий структурообразования в системах. Как известно, процесс структурообразования определяется дисперсностью, природой поверхности частиц твердой фазы, их формой, концентрацией и распределением по размеру, т. е. гранулометрическим составом. В связи с этим представляется важным анализ критических параметров системы, при которых наступает структурообразование. Такой анализ целесообразно провести на примере высококонцентрированных водоугольных суспензий в процессе их гидротранспорта. [c.147] В поведении водных дисперсий, в частности водоугольных суспензий, большую роль играют лиофобные взаимодействия,, хотя следует иметь в виду, что природа поверхности угольных частиц сильно зависит от их дисперсности. [c.147] Как видно на микрофотографии частицы угля размером л 140 мкм (рис. IV. 14), полученной с помощью растрового-электронного микроскопа, на поверхности этой частицы обнаруживается значительное число малых частиц размером от 0,2 до 5 мкм. Исследование пробы угольного порошка методом электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа с использованием рентгеновского излучения /С (51, А1) (см. рис. IV. 14, г) показывает, что мелкие частицы в большинстве состоят не из чистого углерода, а содержат также алюминий и кремний. По данным рентгеноструктурного анализа, угольньм порошок в заметном количестве (до 5%) содержит А Оз, и возможно наличие -5102 (кварц). [c.147] На основании данных анализа физических свойств угольного порошка можно сделать вывод, что частицы угля размером более 10 мкм имеют в основном углеродную природу, а частицы порядка 0,1ч-2 мкм — в основном алюминатную. [c.148] Преобладание алюминатов в наиболее тонкой фракции угольного порощка можно объяснить следующим образом. В монолите уголь, имеющий конгломератную структуру, содержит включения алюминатов При помоле угля образующиеся трещины, разделяющие частицы угля на более мелкие, проходят по контактной зоне между углеродом и алюминатом как наиболее слабому участку в структуре угля. Поскольку общее содержание алюминатов невелико н его прослойки в монолите незначительны по размерам, то в процессе помола происходит их шелушение с поверхности частиц угля. Поэтому тонкая фракция угля представлена в основном алюминатами. [c.148] Вместе с тем наличие частиц, существенно различающихся по размеру, также приводит к возникновению прочных коагуляционных контактов между ними. Это, в свою очередь, сказывается и на критической концентрации, с превышением которой в системе начинается структурообразование. [c.149] Критический размер частиц. Изучение и анализ различных суспензий и высокодисперсных порошкообразных систем [15] показывают, что если характерный размер частиц Оо меньше критического / о,кр, то в результате того, что силы сцепления частиц друг с другом становятся соизмеримыми с их силой тяжести, в таких системах самопроизвольно образуются I пространственные структуры. Межфазная поверхность, отнесенная к единице объема или массы системы 5 г, становится весьма значительной (обычно от долей до нескольких десятков м /г) при наличии в системе до 5—10% частиц размером 0,1—1 мкм. [c.149] Самопроизвольное сцепление частиц и образование пространственных структур при фиксации частиц через тончайшие прослойки жидкой среды (в рассматриваемом случае — воды) есть результат сочетания притяжения (ван-дер-ваальсова молекулярного взаимодействия) и электростатического отталкивания частиц, а также проявление стремления системы уменьшить поверхностную энергию Гиббса путем снижения поверхности раздела при возникновении контактов между частицами. [c.149] Показательным примером коагуляционного структурообразования, подобного тому, которое имеет место в высокодисперсных угольных суспензиях, может служить микрофотография модельной системы, представленная на рис. IV. 15. Аналогичные структуры возникают и в высокодисперсных водоугольных суспензиях (в потоке, т. е. без разрушения). [c.149] При расчете реальных значений Do,kp.i, / о,кр.2 и Оо,кр.з [15] получаем средний характерный размер порядка 10—100 мкм. При этом наибольшее значение имеет o.Kp.i для порошков, наименьшее Do,Kp.3 — для стабилизованных суспензий. [c.150] Важное следствие из приведенной оценки критического размера частиц состоит в том, что основная доля частиц угля с Do 200—250 мкм (по крайней мере, с размером Do lO— 100 мкм, а меньшим — тем более) проявляет склонность к самопроизвольному агрегированию, т. е. к образованию пространственной структурной сетки, внутри которой может удерживаться значительное количество воды. Этот процесс резко интенсифицируется по мере уменьшения размера частиц. И лишь при переходе в область размеров частиц коллоидной дисперсности по мере возрастания степени их участия в тепловом движении процессу структурирования для лиофильных коллоидов начинает сопутствовать альтернативный процесс — самопроизвольное диспергирование (дезагрегирование) [1]. [c.150] Критическая концентрация твердой фазы. Структурообразование, усиливающееся по мере уменьшения размера частиц Z o -Do,kp и роста концентрации ф, приводит к появлению предельного напряжения сдвига Ро, т. е. сдвиговой прочности суспензии и росту ее вязкости г]эфф. В общем виде предельное напряжение сдвига суспензии выражается следующей приближенной зависимостью [1, 15, 109]. [c.150] Из соотношения (IV.4) следует, что предельное напряжение сдвига (так же, как и вязкость системы) резко возрастает с уменьшением среднего характерного размера. Величина f (( )lDo = nv характеризует число контактов между частицами в единице объема это число обратно пропорционально квадр а-ту радиуса частиц. Сила же сцепления между частицами Fea растет пропорционально радиусу частиц. Поэтол в целом Ро растет обратно пропорционально радиусу частиц DqI2. Реологическое поведение суспензии характеризуется двумя критическими концентрациями — начальной (минимальной) фо, соответствующей началу структурообразования, и фкр, при которой начинается резкий рост Ро. [c.151] Известно, что для водных суспензий некоторых видов высокодисперсных глин уже при концентрации 5—15% обнаруживается переход в область ф фкр, т. е. резкий рост Ро. Поэтому наличие в составе угольных суспензий высокодисперсных фракций примесей SIO2 и AI2O3 даже в незначительных количествах при отсутствии стабилизации поверхности частиц с помощью ПАВ может служить причиной существенного роста вязкости суспензий и потери ими текучести. [c.151] Как известно, гранулометрический состав системы существенно влияет на величину фмакс, и необходимость выбора оптимального гранулометрического состава для достижения высоких значений объемной концентрации дисперсной фазы не вызывает сомнений. Следует обратить внимание на то, что, когда речь идет о высокодисперсных системах, содержащих частицы размером Оо Оо,кр, т. е. размером менее нескольких десятков микрометров, традиционный подход к определению оптимального гранулометрического состава, исходя только из геометрической оценки достижения максимально плотной упаковки принципиально ошибочен. В высокодисперсных системах плотной упаковке препятствует структурообразование, склонность к которому, как отмечалось выше, резко возрастает по мере уменьшения размера частиц в области Оо Оо,кр. [c.152] Если в грубодисперсных системах ( )о -Ьо, кр) полидисперсность повышает плотность упаковки, то в системах, содержащих наряду с относительно крупными частицами ( )о 100—250 мкм) частицы весьма малых размеров Оо Ю—20 мкм), присутствие этой фракции Во Во,кр) может препятствовать достижению-высоких значений ф. Причина такого явления состоит в следующем. Поверхность крупной частицы можно в первом приближении принять за плоскую, тогда при наличии частиц с -Оо С-Оо,кр реализуется взаимодействие не двух сфер, а, например, плоскости и сферы [5, 10]. [c.152] Следует учитывать и еще одно обстоятельство, связанное с технологией трубопроводного транспорта суспензий в условиях высокого гидростатического давления (до 10 МПа) при весьма малой сжимаемости системы вода — высокодисперсный уголь. [c.153] Вернуться к основной статье