Радиоактивный след в результате оседания седиментационно-неустойчивых радиоактивных частиц, относящихся к средне- и грубодисперсным системам.

Под агрегативной устойчивостью подразумевают сохранение межфазовой поверхности. Она определяется способностью дис­персных систем противодействовать слипанию частиц (рис. 10.3). Взаимодействие и слипание твердых частиц приводит к образо­ванию агрегатов 2. В результате происходит укрупнение частиц, структура дисперсной фазы претерпевает изменение, а образую­щиеся агрегаты приобретают способность оседать или всплывать. Агрегация и слипание твердых частиц называют коагуляцией.

Вваимодействие жидких частиц дисперсной фазы (см. рис. 10.3, б) приводит к образованию агрегатов 2, но в отличие от твер­дых частиц они состоят из капель. Затем при определенных усло­виях (преодоление действия граничных слоев, препятствующих взаимодействию капель) может происходить слияние капель. Этот процесс называют коалесценцией. В результате образуется укруп­ненная капля 3, масса которой равна сумме масс исходных капель, изменяется структура дисперсной системы, а образовавшиеся ук­рупненные капли могут всплывать или оседать.

Особенности двух видов устойчивости (см. рис. 10.1) имеют прямое отношение к некоторым отраслям промышленности. Частицы цемента запыляют воздух, а значительная часть их оседает вблизи цементных заводов, образуя своеобразный ландшафт. Подобные системы обычно седиментационно-неус­тойчивы, но оседание частиц происходит медленно.

Поэтому принимают меры для принудительного разрушения дисперсных систем путем фильтрации и другими способами. Устойчивость порой определяет качество продукта. Так, помутнение соков и образование в них осадков обусловлены седиментационной неустойчивостью. К числу факторов, определяющих срок годности некоторых продуктов питания (молочных, соков, майонеза и др.), относится время, в течение которого продукт сохраняет свою устойчивость. Седиментационная и агрегативная устойчивость и неустойчивость дисперсных систем проявляется в отдельных циклах технологического процесса практически во всех отраслях промышленного комплекса.

Седиментационная устойчивость

За счет седиментации (оседании) численная концентрация высокодисперсных частиц в вышележащем слое v₄^H (см. рис. 10.2, в) превышает концентрацию в тех слоях, которые расположены ниже v₄^o. Создается разность концентраций Av₄, которая являет­ся движущей силой диффузии частиц, направленной обратно се­диментации. При равенстве диффузионного и седиментацион-ного потоков создается седиментационно-диффузионное равно­весие, которое и обусловливает седиментационную устойчивость высокодисперсных систем (см. рис. 10.2, б).

В условиях равновесия высокодисперсная система характеризуется постоянством суммы химического ц, и гравитационного E_t потенциалов, т.е.

|i,+ £, = const. (ЮЛ)

Эти потенциалы определяются по формулам

(10.2)

где ц.° — стандартный химический потенциал: v, — численная концентрация дисперсной фазы; М— масса дисперсной фазы; Я— высота, характеризующая положение дисперсной системы.

С учетом уравнений (10.2) условие (10.1) для коллоидной системы, характеризующейся численными концентрациями v₄⁰ и у_ч^я (см. рис. 10.2, б), можно представить в следующем виде:

MgH₀ = RT\nv₄^H+ MgH.

Или

„4-

(10.3)

v? RT

где Я_о, Я— соответственно исходная, принятая за начальную, и текущая высота, относительно которых определяется численная концентрация v₄⁰ и vf.

Учитывая, что М = (4/3)^ pN_A, а АЯ = Я - Я_о (где г — радиус частиц дисперсной фазы; р — плотность материала частиц), вместо уравнения (10.3) получим

АЯ =

(Ю.4)

RTIrty\lv^H₄)

Уравнение (10.4) определяет так называемый гипсометричес­кий закон распределения численной концентрации по высоте. С учетом плотности дисперсионной среды р_о вводится поправка:

ду.^^/У^ ■ _(Ш5)

Используя формулы (10.4) и (10.5), можно определить высо­ту, на которой численная концентрация дисперрной фазы сни­зится наполовину, т.е. v,f = 0,5vJ или v°₄/v* = 2, a In 2 = 0,693. С учетом этих условий гипсометрический закон можно предста­вить в следующем виде:

л*, о>693*г „_ЛЛ

По формуле (10.6) можно определить, на какой высоте чис­ленная концентрация дисперсной фазы снизится в два раза.

Седиментационно-диффузионное равновесие — одно из про­явлений молекулярно-кинетических свойств высокодисперсных систем. Поэтому формулы (10.4)—(10.6) применимы только в том случае, когда размеры частиц дисперсной фазы лежат в пределах 1—100 нм.

В отсутствие гравитации, когда Е_{ при соблюдении условий (10.1) и (10.2) равен нулю, седиментационное равновесие опре-

деляется химическим потенциалом, значение которого не зави­сит от высоты Н. Подобная ситуация создается в кабине косми­ческого корабля. В воздушной среде в условиях невесомости все дисперсные системы независимо от размеров частиц становятся седиментационно-устойчивыми.

Седиментационное равновесие нарушается, и частицы начи­нают оседать (седиментировать), когда их размер превышает 100 нм (0,1 мкм). В условиях постоянной скорости оседания уста­навливается равновесие между гравитационной силой Р и силой трения F^ (см. рис. 10.2, а):

P = F (10.7)

или

(Ю.8)

Апг (р - p)g/3 = вщуг,