CC BY
11
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив. Серия В. Техника и технологии, естествен ии хуманитарни науки, том XVI., Съюз на учените сесия "Международна конференция на младите учени" 13-15 юни 2013. Scientific research of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Natural Sciences and Humanities, Vol. XVI, ISSN 1311-9192, Union of Scientists, International Conference of Young Scientists, 13 - 15 June 2013, Plovdiv.
Везново барицентрично устройство за определяне на седиментационната стабилност на течни дисперсии
Димо Христозов1, Кирил Коликов2, Радка Колева2 1. Университет по хранителни технологии 2. Пловдивски университет „Паисий Хилендарски"
Barycentric device for determining the sedimentation stability of liquid
dispersions
Abstract
In this work we describe a barycentric (center-of-mass) device for measuring the shift of the center of mass of studied liquid dispersion, using an electronic scale, in the conditions of constant temperature and pressure, in a steady homogeneous gravitational or centrifugal field. The device is characterized by easy feasibility, price affordability, regardless of colour and requirements for optical translucence. Using obtained by us formula we determine the sedimentary stability of liquid dispersions.
1. Въведение
За течна дисперсия (ТД), която запазва по-дълго време своето хомогенизирано състояние, при постоянна температура и външно налягане, се казва, че има по-голяма седиментационна стабилност S. За емулсиите се използва и названието емулсионна стабилност [1].
Разслояването на ТД с течение на времето t, в земно гравитационно поле, предизвиква съмнения в потребителя относно доброто качество на произвеждания продукт и даже очаквана вредност при консумацията му. Затова количествената оценка на седиментационното разслояване и определяне на седиментационната стабилност на създаваните ТД придобиват важно значение в технологичната практика [2].
От всички известни методи за оценка на седиментационната стабилност на ТД най-достъпен и най-широко разпространен е визуалният метод. По този метод разслояването (нестабилността на ТД), получено в условията на гравитационно (земно) или в центрофугално поле, се извършва чрез измерване височините на разслоените части.
На Фиг. 1 е изобразено вертикално осево сечение на цилиндрична кювета K, изпълнена с ТД. Както се посочва в [3] във всяка ТД има тежки и леки частици. Тежките частици са с обемна масова плътност, която е по-голяма от тази на дисперсната среда - най-често воден разтвор. В условията на гравитационно (земно) поле, тези частици седиментират
по посока на вектора g на земното ускорение (надолу) - протича права седиментация, като се образува седимент. Очевидно, в същата посока се премества и центърът на масите (ЦМ) на ТД в K .
Леките частици - с плътност, по-малка от тази на дисперсната среда, се преместват
обратно на § - протича обратна седиментация, като се образува изплавък. Освободените места при изплаване се заемат от дисперсната среда на ТД, която е с по-голяма плътност от
леките частици. Следователно и в този случай ЦМ на ТД в К се премества също по § . Така имаме еднопосочно преместване на ЦМ предизвикано от двата вида частици.
Нека в началния момент t = 0 ТД, която изпълва К , е в хомогенизирано състояние. Тогава ЦМ на ТД е в геометричния център С0 на К .
Ще разгледаме случая на суспензии. С течение на времето t > 0, в горната част на изследваната ТД се получава просветлена част, а надолу - мътна, с очертаваща се разделна граница между двете части.
Нека И0 = 0 е началната височина на просветлената част при t = 0, а Н, - височината на просветлената част (между най-горното ниво на ТД до разделната граница, отбелязана с пунктир на Фиг. 1), в момента време t > 0. В този случай ЦМ се премества по оста на
симетрия г/ на А" в точка С1, под С0.
Фиг. 1. Вертикално осево сечение на цилиндрична кювета К Степента на разслояване на ТД по визуалния метод се оценява по безразмерното
н — н н
отношение —-- = —-. От последното равенство е ясно, че разслояване има, когато е
Н Н
възникнала разликата Н, — Н0 = Н, . От две суспензии, при едни и същи условия, по-голяма
Н
седиментационна стабилност има тази суспензия, за която числото — (разслояването) е по-малко. Н
Визуалният метод е лесно реализуем и много достъпен, но измерванията могат да се извършат само при прозрачност на изследваните ТД. Освен това този метод може да се прилага само, когато може да се наблюдава ясна разделна граница между бистрата и мътната част в ТД. Такава граница, обаче, не винаги се установява, което води до ниска точност и ограничена приложимост на визуалния метод.
От инструменталните методи за изследване на седиментационна стабилност на ТД най-широко приложение имат абсорбционните оптични методи - чрез измерване интензитета на преминалата светлина през ТД [1]. Тези методи се отличават с висока чувствителност и
с големи възможности за автоматично регистриране. Но оптичните методи също изискват да има прозрачност, т.е. пропускане на използваното оптично лъчение през изследваната проба от ТД. Резултатите зависят още и от цвета (дължината 1 ) на това лъчение и от цвета на ТД. Освен това оптичните методи имат висока цена на апаратурната екипировка.
При създадения от нас барицентричен (центромасов) метод, няма изисквания за прозрачност на кюветата и на изследваната ТД, не се пропуска лъчение с цел измерване.
2. Барицентричен (центромасов) метод за определяне на седиментационната стабилност
Преместването xt = C0Ct на ЦМ на ТД в K характеризира седиментационното поведение на всички частици в изследваната дисперсия. То е основният параметър, чрез
който ще получим формулата за определяне на седиментационната стабилност St, за дадено t > 0, спрямо началото t = 0, когато ТД в K е била в хомогенизирано състояние. Чрез предложения от нас барицентричен (центромасов) метод първо се определя
— xt
средната скорост vt = —, с която се премества ЦМ на изследваната ТД в K. Тъй като седиментационната стабилност St във всеки момент време t > 0 е пропорционална на
-1, то можем да запишем St = к -1, където к е коефициент на пропорционалност. Като
v v
t t
положим к = 1, за седиментационната стабилност St получаваме формулата:
S, = I=^.
(1) vt xt с размерност [s/m] (секунди разделени на метър).
Ако в изследваната ТД с маса m е известна и масата mf на дисперсната фаза, тогава
mf
фазовата част в ТД е n = —. В този случай, приемаме k=n и St за единица фазова част добива вида: m
mf t
S, =L.
(2) m X
Формула (2) много по-точно от формула (1) характеризира St.
3. Барицентрично (центромасово) устройство за определяне на преместването на ЦМ
На Фиг. 2 е изобразена принципна схема на създадено от нас центромасово устройство.
Фиг. 2. Вертикално осево сечение на центромасовото устройство
В точки А и В на К са закрепени палци Т1 и Т2, с които кюветата К опира,
съответно върху плочата Я1 на статива Q и върху плоча Я2 на електронната везна (ЕВ).
На статива Q е поставен механизъм N, чрез който плочата Я1 се нивелира с плочата Я2. ^ е хоризонтален фундамент.
В момента t = 0 кюветата К , изпълнена с хомогенизирана ТД, се поставя за няколко
секунди в хоризонтално положение върху Я1 и Я2 (Фиг. 2) и се отчета т0 - показанието на ЕВ . След това ТД в К се оставя да седментира в условията на гравитационно (земно) поле
с интензитет § (Фиг. 1) или в центрофугално поле с интензитет §1 > § . След време t > 0 кюветата К отново се поставя в хоризонтално положение, както е показано на Фиг. 2 и се
отчита т1. Показанията т0 и т1 на ЕВ са маси на К и ТД.
Нека АВ = I. Тогава, съгласно моделирането направено в [2], е в сила формулата за преместването на ЦМ:
^ = т—т*. I,
(3) т
където т е масата на ТД в К .
За дадено барицентрично (центромасово) устройство разстоянието I е постоянна
величина. Масата т на ТД в К е също постоянна величина, но само за експеримент с
т
дадена ТД в К . Отношението — е безразмерна величина.
Когато ТД е достатьчйо вискозна, нейното кратковременно престояване в хоризонтално положение с цел измерване (Фиг. 2), не води до разливане и смесване. Когато
ТД е ниско вискозна, се прави единствен експеримент за отчитане на тt - при пределен (максимален) седимент и/или изплавьк.
4. Експеримент
Приготвихме суспензия с концентрация от 20 § царевично нишесте и 100 т1 вода.
Използвахме пластмасова кювета с външен радиус г = 8 тт и дебелина на стената 0,5 тт . Височината Н на кухината, която се изпьлва с тази суспензия в хомогенизирано сьстояние
беше 90 тт, а разстоянието между Т1 и Т2 на кюветата - I = 102 тт . Масата т на ТД в
К беше т = 14,65 § .
В таблицата по-долу са дадени получените резултати за разслояването на изследваната суспензия по визуалния метод и центромасовия метод, при g = 9,8 m / s2.
Таблица 1
Визуален метод Центромасов метод
t S,
h h mf m0 m m m xt
s mm H g g g g m- mm s
mm
0 0 0 - 11,30 - - - - -
3600 50 0,56 2,85 - 11,60 0,30 0,02 2,09 335,08
Пределният (максималният) седимент в изследваната суспензия се достигна след време t = 3600s , с постоянна стойност h = 50mm по визуалния метод. Стойността h = 50mm съответства на преместването xt = 2,09mm за същото време t = 3600 s . Получената стойност по формула (2) на седиментационната стабилност St за този момент
време t е 335,08 s / mm. Това означава, че разслояване от 1mm за изследваната суспензия се достига при седиментация в земно гравитационно поле в продължение на 335,08 s.
За преместването xt от формула (3) и за седиментационната стабилност St от формула (2) може да определим максималната абсолютна и относителна неточност [4, 5].
Такива данни за хода на седиментацията в ТД не могат да се получат само по визуалния метод или с друг нецентромасов метод.
В създаденото от нас везново центромасово устройство за определяне на седиментационната стабилност на ТД не се вкарват измерителни елементи - чашки, пипети, не се поставят електроди и не се пропуска лъчение. Използват се удобствата на измерванията с EB . Описаното устройство може да се прилага при суспензии и емулсии с висок вискозитет. Седиментационната стабилност се определя както за прозрачни, така и за непрозрачни ТД. Цялата процедура по измерването се реализира достъпно и лесно.
Благодарности
Резултатите от настоящите изследвания се публикуват с финансовата подкрепа на Фонд „Научни изследвания" към МОМН по договор № ТО 1/2.
Литература
1. Кинтана 2002: Quintana, J. M., Califano, A., Zaritzky, N. Microstructure and Stability of Non-Protein Stabilized Oil-in-Water Food Emulsions Measured by Optical Methods, Food Engineering and Physical Properties, 67 (3) (2002): 1130-1135.
2. Христозов 2013: Chistozov, D., Kolikov, K., Gargov, B. Modeling of stratification in liquid disperse systems at right and reverse sedimentation, Journal of Technical University - Sofia, Plovdiv branch, Bulgaria, Vol. 19 (2013): 119.
3. Коликов 2011: Коликов, К., Христозов, Д., Кръстев1, Г., Колева, Р. Еднопосочно преместване на центъра на масите при седиментация и приложение на този ефект. Научни трудове на СУБ - Пловдив, С. Б, Естествени и хуманитарни науки, Т. XIII, (2011): 246-255.
4. Kootkob 2010: Kolikov, K., Krastevt, G., Epitropov, Y., Hristozov, D. Analytically determining of the absolute inaccuracy (error) of indirectly measurable variable and dimensionless scale characterising the quality of the experiment. Chemometr Intell Lab (2010): 15-19.
5. Ko^hkob 2012: Kolikov, K., Krastev, G., Epitropov, Y., Corlat, A. Analytically determining of the relative inaccuracy (error) of indirectly measurable variable and dimensionless scale characterising the quality of the experiment, CSJM, vol. 20, no. 1 (2012): 314-331.
