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懸浮液

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在某些混合物中,分佈在液體材料中的物質並不是被溶解,而僅僅是分散在其中,一旦混合物停止振盪,就會沉澱下來,這種不均勻的、異質的混合物,我們稱之為懸浮液(suspension)。
懸浮液中的溶質,因布朗運動而不能很快下沉,此時固體分散相與液體的混合物稱懸浮液。懸浮液中的固體顆粒的粒徑為10-3~10-4cm,大於膠體
中文名
懸浮液
外文名
suspension
粒子大小
粒徑大於100nm
性    質
調節介質黏度界面膜性質

懸浮液基本信息

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固體顆粒分散於液體中,因布朗運動而不能很快下沉,此時固體分散相與液體的混合物稱懸浮液。
溶質大小:懸浮液中的固體顆粒的粒徑大於100nm,大於膠體。
性質:泥沙是由微小的泥土粒子懸浮在水中而成的懸膠(體)。懸膠(體)與溶膠不同,其中分散相的粒子較大,穩定性較小,容易沉澱分出。製備懸浮液時通常可加入分散劑,使懸浮穩定。分散劑的作用多半為調節介質黏度界面膜性質,阻礙粒子接近粘並。 [1] 

懸浮液特徵

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(1)懸浮液的多分散性:懸浮液中固體顆粒的粒度分佈決定了它既有膠體的鮮明特徵,又不同於真膠體。因此,Williams將這樣的懸浮液稱為膠態—非膠態混合懸浮液。
懸浮液中所有顆粒,無淪粒度大小,都受到液體分子熱運動的無序碰撞而產生擴散位移,又稱布朗位移。顆粒的布朗位移速度隨着顆粒質量的減小而增大。顆粒粒度越小,顆粒的擴散位移越大。另一方面,所有懸浮顆粒都受到重力的作用,而重力沉降位移卻隨粒度減小而減小。因此,擴散位移和沉降位移隨粒度的變化有一個交叉點,位於顆粒粒度1~2μm顆粒粒徑大於這一範圍,顆粒的重力沉降;反之,粒徑小於1~2 μm。布朗運動有着決定性的作用。
(2)懸浮液中固體顆粒之間的相互作用:懸浮液中固體顆粒之間的相互作用不容忽視,甚至起主導作用。對於彌散於液體中的微細顆粒,它們之間的相互作用主要是表面力,表面力以及流體動力的綜合作用導致顆粒相互吸引聚集成團;或者相互排斥,穩定分散。因此,懸浮液中吲體顆粒不能看成是彼此孤立的、隔斷的,也不能看作一個穩定的體系。
(3)懸浮液的流體動力學狀態。
(4)懸浮液的獨特的流變行為:在液相介質與固體顆粒組成的懸浮液中,除存在液體分子間的相互作用外,還存在顆粒之間及顆粒與液相互作用。因此,懸浮液的流變行為比均質液相複雜得多。 [1] 

懸浮液穩定性

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重介質選煤而言,懸浮液的穩定性是指懸浮液在分選設備中各點的密度在一定時間內保持不變的能力。懸浮液的穩定性不儀與加重質和加重劑的性質有關,而且與懸浮液所處的狀態(靜止還是流動)有關。因此,必須區分靜態穩定性和動態穩定性兩個概念。
在一定條件下,動態穩定性和靜態穩定性是成正比的。但是同一懸浮液的靜態穩定性和動態穩定性指標可能相差很大。例如,當懸浮液按一定方向和速度流動時,可以使靜態穩定性很差的懸浮液變為動態穩定的懸浮液。懸浮液在分選設備中能否保持動態穩定,是衡量懸浮液能否用於分選的主要指標,因為它直接影響分選效果。靜態穩定性指標只能作為參考,用來比較不同懸浮液的性質。 [1] 
懸浮液穩定性的影響因素
下圖反映了固體容積濃度、加重質的密度、加重質的粒度與懸浮液流變黏度及穩定性的關係。影響懸浮液穩定性的因素很多,當懸浮液的容積濃度增加、懸浮液的密度增加、懸浮液的非磁性物含量增加時,懸浮液的穩定性都要變好,但流變黏度卻要增加。懸浮液中固體的粒度越細,形狀越不規則,穩定性越好,但流變黏度越大。加重質密度增加,容積濃度減小,懸浮液黏度下降,穩定性會變差。易於泥化的黏土礦物加入懸浮液將會增加懸浮液的流變黏度。對於同一種懸浮液,黏度越大則穩定性越好,反之黏度越小穩定性越差。 [1] 
懸浮液黏度及穩定性影響因素 懸浮液黏度及穩定性影響因素
表面活性劑對懸浮液液滴形成的影響
(1)在懸浮液液滴形成過程中,表面活性劑對喉部直徑變化有明顯的影 響。當懸浮液中不添加表面活性劑時,懸浮液表面張力較大,喉部直徑變化速率大於添加表面活性 劑的 實驗組。隨着表面活性劑質量分數的增加,喉部直徑變化速率逐漸減小。
(2)表面活性劑對液滴的形態有着顯著的影響。當懸浮液中添加表面活性劑後,液橋斷裂長度迅速減小。隨着表面活性劑質量分數的增加,斷裂長度逐漸增加。由於平衡重力所需的液滴表面張力降低,形成的液滴直徑逐漸減小。衞星液滴直徑隨着表面活性劑質量分數的升高,出現先減小後增加的趨勢。
(3)液滴生長速率隨着時間的推移逐漸增加。在相同時刻下,不添加表面活性劑的懸浮液液滴生長速率最大。而當懸浮液中添加表面活性劑後,隨着表面活性劑質量分數的升高,懸浮液液滴生長速率逐漸增大,但始終小於不添加表面活性劑的懸浮液液滴生長速率。 [1] 
穩定性的測定
評價懸浮液穩定性的方法很多,常用的測定方法可分為兩類:
(1)根據加重質的沉降速度測定穩定性;
(2)根據懸浮液密度的變化測定穩定性。
第一類方法包括按懸浮液澄清層的形成速度測定法和按沉澱層的形成速度測定法。在實驗室條件下,觀察量筒中澄清水層高度的變化,當澄清水層達到某一穩定值時,計算出澄清速度,從而可測定懸浮液的穩定性。用上述相似的方法,也可以按沉澱物形成的速度來測定懸浮液的穩定性。這時,穩定性的數值以沉澱物在單位時間內的下沉距離來表示。
第二類方法的具體測定方法較多,其主要區別在於測定條件和穩定性指標的不同。例如,楊西等人建議用直徑為37.5mm的量筒,按懸浮液靜止1min後上層(距液麪100mm)的密度變化測定靜態穩定性。懸浮液穩定性係數θ用下式計算:
θ=ρˊ/ρ×100%
式中 θ ——懸浮液穩定性係數;
ρˊ——靜止後上層懸浮液的密度,g/cm3
ρ ——懸浮液的平均密度,g/cm3
如果在靜止1min後懸浮液密度不變,則θ=100%,在靜止1min後加重質在上層完全下沉時,則θ=0。用此方法對小於0.06mm的各種加重質進行了測定。磁鐵礦懸浮液在密度較低時,即使磁鐵礦粉小於0.06mm,穩定性仍然不好。 [2] 
提高穩定性方法
A、提高懸浮液靜態穩定性的方法
這類方法有減小加重質的粒度、選擇密度低的加重質、提高加重質的容積濃度、摻入煤泥黏土、應用化學藥劑。
減小加重質的粒度是提高懸浮液靜態穩定性的有效方法。但是,用過細的加重質配製懸浮液會帶來生產費用的增加和懸浮液黏度的急劇上升。用降低加重質密度和提高加重質的容積濃度也可提高懸浮液的穩定性,但同樣會使懸浮液的黏度增加。
往懸浮液中摻入黏土或煤泥可以有效地提高懸浮液的靜態穩定性。例如,在-0.06mm的磁鐵礦粉中摻人20%的矸石粉,然後配製成密度為1.4 g/cm3的懸浮液,其穩定性係數可由原來的12%增加到70%。在同樣的情況下,只要摻入2%的黏土也可以得到同樣的效果。實際上,工作懸浮液中混入煤泥和黏土的現象是不可避免的。然而,必須根據具體情況控制煤泥和黏土含量,不能使其過高,否則懸浮液的流變性將顯著變壞。
應用化學藥劑來提高懸浮液的穩定性是一種成本昂貴的方法,其作用機理足改變加重質粒子的表面能量和電倚,可使用的藥劑有六聚偏磷酸鈉、水玻璃、焦磷酸鈉、磺化劑及鹼性溶液中的木質等,這種方法在生產上很少使用。
B、提高懸浮液動態穩定性的方法
這類方法有利用機械攪拌、利用水平液流、利用上衝液流、利用水平一垂直複合液流。
利用機械攪拌是增加懸浮液動態穩定性的有效方法。然而,強有力的攪拌只能在調劑和貯存懸浮液的容器中使用。在絕大多數分選機巾,運輸裝置(如提升機、刮板等)的運動都能起到機械攪拌的作用。
水平渦流不妨礙加幣質的下沉。但是,如果懸浮液通過分選機的流速很慢,則懸浮液密度有町能隨分選機的長度方向發生變化。由於水平流速從液麪往下一定距離以外越來越小,所以沿分選槽的高度方向加重質不可避免地要發生沉澱現象。
上衝液流與水平流不同,上衝流速度與加重質的沉降速度正好相反。因此,當上沖流速度等於或大於加重質中最大顆粒的下沉速度時,懸浮液即可達到動穩定狀態。 [2]  [1] 

懸浮液過濾步驟

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過濾是以某種多孔物質為介質來處理懸浮液的操作,在外力的作用下,懸浮液中的液體通過介質的孔道而固體顆粒被截留下來,從而實現固、液分離。
過濾方式
(1)深層過濾——又稱澄清過濾 當懸浮液中所含顆粒很小,而且含量很少(液體中顆粒的體積<0.1%)時,可用較厚的粒狀牀層做成的過濾介質(例如,自來水淨化用的砂層)進行過濾。由於懸浮液中的顆粒尺寸比過濾介質孔道直徑小,當顆粒隨液體進入牀層內細長而彎曲的孔道時,靠靜電及分子力的作用而附着在孔道壁上。過濾介質牀層上面沒有濾餅形成。,因此,這種過濾稱為深層過濾。由於它用於從稀懸浮液中得到澄清液體,又稱為澄清過濾,例如自來水的淨化及污水處理等。 [3] 
條件:懸浮液含顆粒小,而含量少時(液體中顆粒的體積<0.1%),可用牀層較厚的過濾介質進行過濾。
圖3-21 濾餅過濾 圖3-21 濾餅過濾
(2)濾餅過濾懸浮液過濾時,液體通過過濾介質而顆粒沉積在過濾介質的表面形成濾餅。當顆粒尺寸比過濾介質的孔徑大時,會形成濾餅。不過,當顆粒尺寸比過濾介質孔徑小時,過濾開始會有部分顆粒進入過濾介質孔道里,迅速發生“架橋現象”,如右圖3-21所示。但也會有少量顆粒穿過過濾介質而與濾液一起流走。隨着濾渣的逐漸堆積,過濾介質上面會形成濾餅層。,此後,濾餅層就成為有效的過濾介質而得到澄清的濾液。這種過濾稱為濾餅過濾,它適用於顆粒含量較多(液體中顆粒的體積>1%)的懸浮液。
條件:以dp>介質孔隙直徑,牀層上形成濾餅;dp<介質孔隙直徑,但牀層內有“架橋現象”。
在濾餅層沒有完全形成之前,部分顆粒會隨濾液一起流走。在濾餅層形成成為有效的過濾介質後,得到澄清液。
適用於顆粒含量較多(液體中顆粒的體積>1%)時。
分類
常壓過濾——靠位差;
加壓過濾——利用泵或壓縮空氣;
真空過濾——介質一側抽真空;
離心過濾——利用離心力作推動力。
步驟
過濾—→洗滌—→去濕—→卸料。
過濾介質
作用——使液體通過而截留固體顆粒。
選擇——根據液體的性質(酸、鹼性),顆粒含量及粒度,操作p,T,介質機械強度等。
(1)織布介質——棉、麻、絲、毛制的濾布,金屬絲網濾布,可截留5~65 μm的顆粒。
(2)堆積的粒狀介質——砂、木炭等,用於深層過濾。
(3)多孔性介質——陶瓷、塑料、金屬等粉末燒結成型的多孔性板狀、管狀介質,可截留1~3μm的微細顆粒。
助濾劑
前提——顆粒細,容易堵死過濾介質的孔隙;所形成的濾餅在壓差的作用下,孔隙變小,阻力增大,使過濾困難。
作用——將某種質地堅硬的另一種固體混入懸浮液或預塗於過濾介質上,以形成疏鬆餅層,使濾液暢流。這種同體稱助濾劑。
常用助濾劑——硅藻土,珍珠岩,石棉,炭粉等;添加量為顆粒量的0. 5%以下。
助濾劑有兩種使用方法。其一是先把助濾劑單獨配成懸浮液,使其過濾,在過濾介質表面上先形成一層助濾劑層,然後進行正式過濾。其二是在懸浮液中加入助濾劑,一起過濾,這樣得到的濾餅較為疏鬆,可壓縮性減小,濾液容易通過。由於濾渣與助濾劑不容易分開,若過濾的目的是回收濾渣,就不能把助濾劑與懸浮液混合在一起。助濾劑的添加量一般在同體顆粒質量的0.5%以下。 [3] 
參考資料
  • 1.    表面活性劑對懸浮液液滴形成的影響 章文斌; 趙輝; 許建良; 李偉鋒; 劉海峯 華東理工大學學報(自然科學版) 2017-06-30
  • 2.    楊小平.物理選礦.北京:冶金工業出版社 , 2014.05 :130~132
  • 3.    朱憲,張彰.化工原理.北京:中國石化出版社 ,2013.07 :74~76