第二章 固液體系的基本性質

1、第二章 懸浮液的基本性質 懸浮液一般是指固體顆粒粒度在10-7m以上的固液分散體系。在這一范圍內的固液分離問題，涉及到化工、環(huán)保、礦業(yè)、水處理等眾多領域，因而具有廣泛而重要的實際意義。懸浮液的各種性質，包括物理的、化學的，都將在不同程度上影響固液分離方法的選擇及分離效率的高低。2.1 液相的基本性質 水的極性 在水分子中，正負電荷的中心是不重合的，因此水分子是極性分子。正是這種分子的極性，使水具有一系列特殊的性質。 現(xiàn)代結構化學的研究表明，水分子中兩個氫-氧鍵的夾角約為105，鍵長為0.098nm，水分子極性較大，偶極距為1.85D。 2.1 液相的基本性質 水的極性 與負電性元素形成“氫鍵”

2、的能力是水分極性的重要體現(xiàn)之一，它影響到液態(tài)水的結構以及水與固態(tài)顆粒的作用方式。 近代化學的研究結果表明，水分子之間由于氫鍵而發(fā)生強烈的締合作用，以至于在液態(tài)水中，除了單個的水分子外，還存在著所謂的“瞬時締合體”，這些締合體隨溫度的升高會逐漸消失。2.1 液相的基本性質 水的粘性 粘性是流體反抗變形的性質，只有在外力作用下，流體發(fā)生變形即流體間發(fā)生相對運動時才能顯現(xiàn)出來。 本構方程： 該式稱為牛頓定律，符合該式的流體稱為牛頓流體，式中的線性比例系數(shù)稱為動力粘度，單位為Pas。在實際工作中用運動粘度，習慣上稱為流體的粘度。2.1 液相的基本性質 水的粘性 水的粘度是溫度的函數(shù)，在20時為0.00

3、1 Pas，溫度每升高一度，粘性大約降低2%。 思考：水分子的粘度隨溫度升高而降低。 溫度對固液分離效果的影響。2.1 液相的基本性質 水的表面張力 表面張力：又稱表面自由能，增加單位表面積時外界所做的功。物質表面分子與內部分子相比，其化學鍵總處于不平衡狀態(tài)，從而表面分子比內部分子具有更高的能量，這部分高出的能量就是表面自由能。 在除了汞以外的所有液體中，水具有最高的表面張力。水的表面張力隨溫度升高而下降。 思考：水的表面張力對固液分離效果的影響。 降低表面張力的措施。2.2 固體顆粒的基本性質密度粒度分布形狀2.2 固體顆粒的基本性質2.2.1 固體顆粒密度 真密度：單個顆粒，單位體積所含有

4、的質量； 堆密度P（堆積密度、體積密度、分體密度）：自然堆積狀態(tài)下單位體積內含有的質量。P = （1-）2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀顆粒粒度 顆粒粒度是顆粒體積的線性特征，依測量方法的不同，同一粒度可能有不同的粒度數(shù)值，只有對標準球體，各種方法測得的粒度數(shù)值才是相同的。顆粒粒度的表示方法名稱符號定義備注篩分粒度xa能夠通過顆粒的最小方孔寬度表面粒度xs與顆粒具有相同表面積的球體直徑1.28xa體積粒度xv與顆粒具有相同體積的球體直徑1.10 xa比表面積粒度xsp與顆粒具有相同比表面積的球體直徑0.81xa投影粒度Xp在垂直于穩(wěn)定平面上，與顆粒具有相同投影面積的球體直徑1

5、.41xa自由沉降粒度xf在同一流體中與顆粒具有相同沉降速度的球體直徑斯托科斯粒度xst雷諾數(shù)Re0.2時的自由沉降粒度2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 粒群的粒度分布 表示粒群粒度的方法大約有三種：一是特征量法，如平均粒度、d50、-200目含量百分數(shù)等；二是表格法，即用列表的方法表示不同粒級的含量；三是公式法，用適當?shù)臄?shù)學公式全面、準確的描述粒群的分布。 實際工作中表格法應用較多，特征量多是從表格中的數(shù)據(jù)獲得，公式法則是從表格數(shù)據(jù)擬合出相應的數(shù)學公式以描述同類物料的粒度分布。2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 顆粒的粒徑 （特征量法） 根據(jù)目的的不同，可以

6、對粉體的平均粒徑采取不同的方式進行描述。粒群：（1）算數(shù)平均粒徑：基于顆粒數(shù)分布的平均直徑（2）體積或質量分布的顆粒平均直徑（3）中位數(shù)粒徑：累積分布占50%時顆粒粒徑（4）峰值直徑：顆粒在最高頻率處所對應的直徑單個顆粒：（1）篩分直徑：顆粒可通過的最小篩孔寬度（2）Feret直徑：與顆粒投影外形相切的一對平行線之間的距離（3）Martin直徑：沿一定方向把顆粒投影面積二等分線的長度2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 顆粒粒徑的測量方法 類別儀器、手段粒度/m尺寸指標分布參數(shù)測定內容場掃描技術光學顯微鏡電子顯微鏡1-1000.001-5投影面積長度顆粒數(shù)各顆粒的尺寸流體掃描技術

7、庫爾特儀Hiac儀激光粒度分析儀0.5-1000.5-1000體積投影面積顆粒數(shù)各顆粒的尺寸篩分網(wǎng)篩微孔篩40以上5-40篩孔徑重量累計分布沉降性能滴管光電沉降儀沉降天平離心沉降法1-601-601-600.05-5Stocks直徑顆粒數(shù)顆粒數(shù)顆粒數(shù)表面積連續(xù)分布2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 顆粒粒徑的測量方法 篩分 用標準篩篩分樣品，有濕法和干法兩種。因為干法常有聚集體存在，所以濕法更準確，也可以加入分散劑濕篩。進行篩分時應注意： A、過篩的時間最好通過試驗確定，以能篩出95%所需時間為宜。 B、加料量要適當，過量會使部分顆粒不能接觸篩網(wǎng)。 C、振蕩要適當，以免顆粒堵篩

8、孔。2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 顆粒粒徑的測量方法 重力沉降法 球形顆粒在靜止液體中的自由沉降速度u符合Stocks定律，即2(-)/18 - - - - -sfsfud gdg式中固體顆粒的真密度；液體的密度；顆粒的直徑；液體的黏度；重力加速度。2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 顆粒粒徑的測量方法 重力沉降法 用量筒等器皿在恒溫下測定顆粒降落一定的距離所需時間，即得u，然后根據(jù)公式求出顆粒的當量直徑。要想取得可靠的結果應注意： A、Stocks定律只適用于顆粒雷諾數(shù)Re小于0.2。 B、過小的顆粒會受布朗運動的干擾，故所測顆粒應大于1m。 C、顆粒在

9、流體中的體積濃度應小于0.05%，以免顆粒間的互相干涉。 D、溫度保持恒定，最好在恒溫水浴中進行。 E、為保持顆粒的懸浮狀態(tài)，可添加甘油等增稠劑，提高溶液粘度，并可用超聲先行攪拌。2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 顆粒的粒徑 在實際生產(chǎn)中，當用篩分法或重力沉降法測定粉體的粒度分布時，其結果往往以累積分布的形式給出。當按粒度從小到大累計時負累積，此時以該篩網(wǎng)以下的累計量，其頻率分布以D(di)表示。如果按粒度從大到小進行累計，稱為正累計，此時指的是該篩網(wǎng)以上的累計量，以R(di)表示。2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 顆粒的粒徑 顯然 式中，di為介于dmin

10、-dmax之間的某一粒徑。minmaxminmax()()100%()0,()100%()100%, ()0iiD dR dD dD dR dR d2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 粒群的粒度分布 粒群粒度分布密度函數(shù)滿足歸一化條件：而累積粒度分布函數(shù)F(x)定義為：0( )1f x dx0( )( )xF xf x dx2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 粒群的粒度分布 設用光學顯微鏡觀察顆?？倲?shù)的一組粉體樣品，其中顆粒由大到小分為若干組，組數(shù)一般可取10-25組。若最小顆粒為1.5m，最大顆粒為12.2m，取間距為1m，可分為h組，每組的中點即為組中值，落入每組的顆粒數(shù)即為頻數(shù)Fi，F(xiàn)i/N即為每組的頻率，即有111hiihiFNf2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 粒群的粒度分布 2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 粒群的粒度分布 將表中的數(shù)據(jù)繪成頻率或頻數(shù)分布圖如下。2.2 固體顆粒的基本性質2.2.2 固體顆粒形狀 粒群的粒度分布 若把直方圖頂點的中點連成一條曲線，便形成頻數(shù)或頻率曲線。分布曲線圍城的面積有如下