研究生颗粒学3颗粒测量.ppt

3 颗粒测量,3 颗粒测量,颗粒测量在表示细粒的特性方面很重要。在选矿、金属粉末生产、催化剂、食品、造纸、油漆、颜料和精细化工等工业中，颗粒测量是过程控制和描述产品特性方面应用最广的技术之一。颗粒特性测量包括对粒度、比表面、孔径和图像特征的测定，其中粒度和比表面积是颗粒测量中最基本的测试参数。,3.1 测量方法分类,(1)理论计算和标准标定 理论计算测量是用理论公式进行颗粒特性测定，如沉降法是按Stokes理论公式计算粒度。标定测量就是用已知粒度的球形颗粒预先进行标定，然后再用于测量，如光学颗粒计数器和库尔特(Coulter)颗粒计数器。,3.1 测量方法分类,(2)在线测量和非在线(离线)测量 目前，大多数的测量仪器为非在线测量，也就是取代表性的样品进行测量。年几年，在线测量发展较快，例如利用超声衰减法对工艺过程中的颗粒进行测量。在线测量的特点是实时、真实和快速，现场监测方便。,3.1 测量方法分类,(3)逐个测量和非逐个测量 逐个测量就是测量通过传感区的每一个颗粒，借助于某种效应(干涉、衍射、散射)测量颗粒的粒度并计数，以获得个数粒度分布，如各种成像法和计数器法等。筛分和沉降是非逐个测量的典型例子。,3.1 测量方法分类,(4)分级测量和非分级测量 分级测量是将样品分成若干个不同粒度级别的过程，已知每个粒度级别物料的重量就能求出样品的重量粒度分布，如筛分、淘析等。离心沉降法、光散射法等属非分级测量。,3.2 测量方法的选择,选择测量方法时应考虑以下几个因素：,(1)分析目的(2)粒度范围(3)精度要求(4)样品数量(5)样品性质(6)分析时间间隔(7)投资费和分析费,选择颗粒测量方法时，要综合考虑各种情况，有针对性地进行比较和选择，以满足颗粒性质测量人员和应用颗粒数据人员的需要。,3.3 采样与处理,采出的样品要有代表性。取样规则：(1)尽量在物料移动时取样；(2)尽量在较短的时间间隔内多次取整个料流的试样，而不要在整个时间内取部分料流的试样。,3.3 采样与处理,试样的制备：分析试样的制备过程就是试样的掺合缩分过程。缩分的目的就是从一堆掺合好的试样中取出能代表总样性质的少量样品。取样缩分方法：抓取取样；锥形四分法；盘式缩分器；叉溜式缩分器；旋转格槽缩分器。,3.3 采样与处理,物料的分散处理：常用方法如下(1)选择分散介质(2)添加分散剂(3)调整悬浮液的浓度(4)其它方法：如手工或机械摇动；机械搅拌；加热或煮沸；抽真空脱气；超声波处理等。,3.4 颗粒粒度的测定,一、粒度测量方法分类：测量粒度的方法很多。基于各种方法适用原理的不同，所得的参数（粒度变量）也不同，有长度、面积、体积、质量等，同是粒度组成（总体数量）与有不同的表示方法，如颗粒个数或百分数、质量百分数等。,3.4 颗粒粒度的测定,二、粒度测定方法：现有的粒度测量方法很多，有直接测量法也有间接测量法。直接测量是根据颗粒的几何尺寸进行的，如筛分法和显微镜法。间接测量是先确定与颗粒尺寸有关的性质参数，然后用理论公式或经验公式计算颗粒大小，如沉积法等。,3.4 颗粒粒度的测定,1、筛分法 筛分是最常用、最古老的一种粒度分析方法，它适用于非常广的、而且是最有工业意义的粒度范围。做法是使已知重量的试样相继通过逐个变细的筛网，并称量每个筛网上收集的试料量，计算出每个粒级的质量百分数即可。筛分可以用湿筛，也可以用干筛，筛子要振动，以便使所有颗粒都能与筛孔接触。,3.4 颗粒粒度的测定,影响筛分的因素：筛分过程中影响透筛的因素是很多的，如待测物料的粒度组成、筛面上物料量的大小、颗粒的表面性质、振动筛子的方法、颗粒的各向尺寸和形状、筛孔的形状及开孔率等。另外实验条件因素如筛分持续时间、筛孔的偏差、筛子的磨损、取样误差等也是影响筛分效果的因素。给料量以及筛子的运动形式也会影响筛分试验的效率。,3.4 颗粒粒度的测定,2、沉降分析 沉降分析是测定小于 0.074mm 细粒物料粒度组成的常用方法。该技术以颗粒在各种流体中沉降末速不同的现象为基础，即以 Stokes 定律为依据，所得粒径称为 Stokes 直径，可用下式求得,式中 dst Stokes 直径；流体粘度；Ust 颗粒沉降末速；s 颗粒密度；f 流体密度；g 重力加速度。,淘析 法,基本原理,沉降分析法中最简单而又比较准确的一种方法。,利用渐进缩短沉降时间的方法，由细至粗的逐步将各粒级物料自试料中淘析出来。,3.4 颗粒粒度的测定,用这种方法表示粒度特征会受到物料性质和操作条件的限制，通常要求在稀悬浮液中进行，以保证悬浮液中的固体颗粒均能自由下降，互不干扰。为防止颗粒在沉降过程中聚团，对待测物料应采用适当的方法（如搅拌器、超声波、蒸煮、分散剂等）使之分散。Stokes 定律适用于球形颗粒、层流状态、雷诺数 Re0.2的情况。,3.4 颗粒粒度的测定,(1)重力沉积法 采用这种方法，粒群仅仅在重力的作用下，在一组形状相同的容器中沉降。把颗粒在固定的标高或变化的标高上的浓度作为时间的函数，结合 Stokes 定律计算系统的粒度分布。用水作介质进行分析，典型的粒度范围约为 1100m。颗粒浓度变化的测量有两种方法：增量法是测定密度或浓度随时间或高度变化的速率，如安德逊移液管就是这种方法；累积法是测量沉积在悬浮表面下某特定距离上物料颗粒的总量和时间，如沉积天平就是这种方法。增量法分析速度较快，用得较多。累积法的最大优点是需要的粉末量少，约 0.5 克，从而使颗粒之间的相互作用减到最小的程度，当试样量少或有毒不能多取时，常采用此法。,3.4 颗粒粒度的测定,(2)离心沉降法 对于细颗粒，为了加快其定向运动的速度从而避免布朗运动的干扰以及缩短测定时间，常采用大得多的离心力代替重力。此时颗粒在离心力场中沿旋转方向运动，介质为液体，适用的粒度范围约为了0.011m。在层流区，离心力作用下的 Stokes 公式为,式中 单位时间用弧度表示的角速度；r 颗粒所在位置的离心半径（即颗粒到转轴的距离）；Uc 离心沉降速度；2r 离心加速度。,3.4 颗粒粒度的测定,3、激光粒度分析 采用激光作光源的光散射粒度分析方法有许多独特的优点。从分析对象来说，它既可以分析固体颗粒，也可以分析喷雾颗粒；可分析干粉样品，也可分析湿泥样品；实验室、工作现场均可使用；可以不取样、不破坏颗粒原有性状进行无接触测量。从分析速度来说，这种方法与微型电子计算机配合可使分析过程异常迅速，分析一个样品只需几分钟，甚至几秒钟，此外，小功率的 He-Ne 激光器还比较便宜。因此，近年来国内外设计了多种激光粒度分析仪器或装置，并在实验室或厂矿企业得到实际应用。,3.4 颗粒粒度的测定,4、显微镜粒度分析 显微镜法是借助显微镜目镜测微尺测定颗粒尺寸的方法。测定颗粒大小的显微镜有很多，如光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜等，它们可以直接观察和测量单个颗粒的粒度特征，而且在测定颗粒的形状和组成的灵敏度方面比其它方法好得多，常用来标定其它方法，或帮助分析其它几种方法测量结果产生的差异。显微镜分析所需的试样量非常少，因此，显微镜法测量粒度的关键步骤是制备具有代表性的分散良好的样品，以保证仅仅是对单个颗粒而不是对团粒进行观察和计数。,3.4 颗粒粒度的测定,5、自动计数器法 该方法进行粒度测定时是通过测量颗粒对载体电性质或载体光性质的效应来完成的，包括电阻变化法和光学法。,(1)电阻计数器：用于快速测定电解液里颗粒或液滴的粒度。最流行的为库洋特(Coulter)计数器，TA是最新式和应用最广泛的一种，它有 16 个输出通道，操作方便，分析一个样品只需要一分半钟，每秒钟可计出 5000 个颗粒，误差1%2%，适用粒度范围为 0.7 500 m。利用电阻变化法快速测定颗粒大小时，为保证颗粒流经小孔时不出现重叠现象，悬浮液的浓度不能太高。,3.4 颗粒粒度的测定,(2)光学计数器：是应用光学测量原理对颗粒进行自动计数和粒度大小测定的。光学计数器共有三种类型：近前散射系数(near-forward scattering system)，直角散射系统(right angle scattering system)和光蚀系统(light obscuration system)。选择哪种系统将取决于被分析的物料性质。例如，对结构和折光率都均匀的颗粒，采用直角散射系统将得到最佳的分辨率；对于结构变化的颗粒一般用近前散射系统；对分散在液体中的不透明颗粒，通常用光蚀法。,3.4 颗粒粒度的测定,6、其它测量方法 图像分析仪可在短时间内提供完整的粒度分布和形状资料，可能得到的信息特征包括颗粒的轮廓、形状、面积、取向、最长尺寸和最短尺寸之比以及单个颗粒中各个晶粒的分布等等。分析物料的粒度下限小于 0.01 m，全部分析时间大约 5 分钟。全息照相法是测量气溶胶中的颗粒技术，测量粒度范围可由亚微米至几毫米。全息照相能把来自物体的光波的振幅信息及其位相都在感光干板上记录下来，能真实地获得颗粒的大小、形状、浓度、空间分布及至运动轨迹和速度等信息。,3.4 颗粒粒度的测定,其它粒度测量方法见下表：,3.5 比表面积测定,比表面积(单位质量或体积的表面积)是颗粒大小的一个有用的量度，比表面积也可认为是平均尺寸。对直径为 d 的均匀颗粒，其体积比表面积为,质量比表面积 Sm 与 SV 的关系为,其中 是固体的真密度，KS、KV、KSV 分别为面积形状系数、体积形状系数和比表面积形状系数。,3.5 比表面积测定,比表面积的测量方法有渗透法、吸附法和压汞法，其中气体吸附法也称BET法是经典测定方法，它是根据BET方程式，在一定条件下测定被固体颗粒吸附的气体质量，然后通过吸附的气体质量和气体分子的截面积即可计算颗粒的比表面积。,一、气体吸附法 气体吸附法是利用分散度高的细粒物料，其表面自由能高，能自动吸附气体的特性来测定细粒物料比表面的。,3.5 比表面积测定,1、气体的物理吸附与化学吸附 固体颗粒表面的分子或原子存在剩余的表面引力场，当气体分子运动并接近表面时，会由于相互作用而被吸附。吸附可大致分为两种类型。(1)化学吸附 化学吸附指吸附分子与吸附剂表面之间产生了电子的转移或共有，也可以看作发生表面化学反应，化学吸附只限于单分子层。(2)物理吸附 物理吸附是气体在固体表面的富集，其作用力是固体表面与气体分子间、以及已被吸附分子与气体间的范德华引力。,3.5 比表面积测定,固体表面吸附了一个分子后，由于表面引力场的影响以及被吸附分子与气体分子间也有引力，其上面仍可再吸附一个吸附质分子，称为多分子层吸附，简称多层吸附。物理吸附常是可逆的，这是指吸附平衡后若气体压力降低，则会迅速发生脱附。,3.5 比表面积测定,2、吸附方程式 用气体吸附法测定比表面积时绝大多数都是通过实验，测定在一定温度下，一定相对压力范围的吸附等温线。根据与实验等温线符合的某个吸附等温式，算出样品表面若以单分子层铺满所需的吸附量，这个单层饱和吸附时又称单层容量，用 Vm 表示，然后求样品的表面积：,式中 am 单分子层中每个分子所占的面积；L 阿佛加德罗常数；Vm 以毫升表示的单层容量。,3.5 比表面积测定,多层 BET 方程 假定固体表面吸附的分子层数为n，则BET(Brunauer,Emmett&Teller)吸附等温方程为,式中 V 被吸附气体的总体积；X 相对压力；C 常数（与第一层吸附热及凝聚热有关）；Vm 被吸附气体的单层吸附量，mL（常数）；n 吸附层数。,3.5 比表面积测定,BET 吸附等温方程中除了 Vm、C 两个常数以外，还有常数 n，因此也被称为 BET 三常数方程式。当 n=1 时，方程简化为 Langmuir 单分子层吸附方程式,当 n 时，方程简化为 两常数 BET 方程式,X=p/p0带入,3.5 比表面积测定,二、气体渗透法 流体透过多孔介质或粉末堆积成的床层的流动具有一定的规律，据此可以求多孔介质或粉末的体积比表面积 Sv。对多孔介质，所求的比表面积是指流体能透过的连通孔隙的壁面积。气体在管中的流动状态有不同的类型，又称为流动区，雷诺数Re=dU/和克努森数 Kn=/d 可作为不同流动状态判断依据：,上式中 d 为管的内径；U 为管中按截面平均的流动速度；为气体密度；为气体的分子平均自由程，在一定温度下，与气体压力成反比，常温下空气的约为 0.1m；为气体粘度。,3.5 比表面积测定,Re 2000 湍流 2000 Re 1200湍 粘滞流 Kn 1分子流,比表面积的公式为：,式中 U 按截面积平均的流动速度；床层的空隙率；P 压力差，P=P1P2；气体的粘度；k Kozeny 常数；H 床层高度。,3.5 比表面积测定,三、压汞法 压汞法测定表面积的原理是迫使水银进入孔隙要耗功。用压汞法可得到被水银浸没的所有孔壁的表面积 S 为：,利用气体透过法测量颗粒比表面积的仪器有 Lea-Narse 透过仪，Fisher 透过仪，Blaine 透过仪以及我国生产的 WLP 型平均粒度测定仪、新 T-3 型透气式比表面积仪等。,式中 Lg 液气界面的自由能或表面张力；三相接触角，一般取=130。,3.6 孔径大小的测定,1、孔尺寸分类 不同固体中的孔的大小和形状有很大差别。表征孔特征的尺寸一般为孔的宽度。按孔的宽度可分为微细孔、中微孔、大微孔等。,测定微孔大小的方法有显微镜法、压汞法及气体吸附法。,3.6 孔径大小的测定,2、显微照相法 显微镜测定微孔的大小通常是比较精确的，它包含直接的观察，可以作为尺度校准其它测量技术的准确性，但每个步骤的操作都要非常细心。测定大微孔用光学显微镜，中微孔用电子显微镜。总的说来，显微镜测定微孔大小不适于日常测试，因为它需要广泛的样品准备，要求在各种不同的角度和位置分析样品以取得总的结构图像，很费时间，但可以有来检查其它方法的有效性。,3.6 孔径大小的测定,3、压汞法 压汞法被广泛用于测定多孔材料的孔径分布和各种片剂及压制品的空隙尺寸分布，测定微孔的直径范围是 1105 毫微米。如果用最新的自动仪器，一次测试只要半个小时到一个小时，一次测试就能解决问题。此方法是根据毛细管上升现象，要使非润湿液体爬上一狭窄的毛细管需要施加一额外压力。界面之间压力差可用 YoungLaplace 方程求出：,3.6 孔径大小的测定,式中 液体和毛细管之间的接触角；r1、r2 相互垂直的曲率半径；L 液气的表面张力；P 迫使汞进入毛细管的压力。,实际上压汞法是测量施加不同静压力时进入脱气固体中的汞量，这一汞量是所施加压力的函数。,YoungLaplace 方程,3.6 孔径大小的测定,4、气体吸附法 气体吸附是在液氮温度下进行的，可以用来测量直径大约在 4 55 毫微米(40550)之间的微孔。这种方法被广泛用来分析催化剂和吸附剂。蒸气在多孔固体上的吸附服从 Kelvin 方程，即,3.6 孔径大小的测定,Kelvin 方程,式中 rk Kelvin 半径；Lg 液气界面表面张力；VL 克分子体积；R 气体常数；T 绝对温度；三相接触角；P/P0 气体的相对压力。,对于半径为 r1 和 r2 互相垂直的非圆柱体形孔，Kelvin 方程变为,3.7 颗粒在线分析,粒度在线分析就是连续检测分散状态下物料的粒度组成及特性。(1)用于稀薄系统、测定液体或流体污染程度的“流线扫描仪”，即测定颗粒通过光束时取代光的量，或者通过收集和测量散射光来对个别颗粒进行观察、计数和大小测定。典型代表为HIAC颗粒计数器和在线Coulter颗粒计数器。(2)用于稠密系统的“场扫描仪”，即检测大量物料的特性，从颗粒和测量仪器之间的相互关系推导物料的粒度分布。其代表为PSM型超声波粒度分析仪。,