研究生-顆粒學-3顆粒測量

3顆粒測量3顆粒測量顆粒測量在表示細粒的特性方面很重要。在選礦、金屬粉末生產(chǎn)、催化劑、食品、造紙、油漆、顏料和精細化工等工業(yè)中，顆粒測量是過程控制和描述產(chǎn)品特性方面應用最廣的技術(shù)之一。顆粒特性測量包括對粒度、比表面、孔徑和圖像特征的測定，其中粒度和比表面積是顆粒測量中最基本的測試參數(shù)。3.1測量方法分類

(1)理論計算和標準標定

理論計算測量是用理論公式進行顆粒特性測定，如沉降法是按Stokes理論公式計算粒度。

標定測量就是用已知粒度的球形顆粒預先進行標定，然后再用于測量，如光學顆粒計數(shù)器和庫爾特(Coulter)顆粒計數(shù)器。3.1測量方法分類

(2)在線測量和非在線(離線)測量目前，大多數(shù)的測量儀器為非在線測量，也就是取代表性的樣品進行測量。年幾年，在線測量發(fā)展較快，例如利用超聲衰減法對工藝過程中的顆粒進行測量。在線測量的特點是實時、真實和快速，現(xiàn)場監(jiān)測方便。3.1測量方法分類

(3)逐個測量和非逐個測量逐個測量就是測量通過傳感區(qū)的每一個顆粒，借助于某種效應(干涉、衍射、散射)測量顆粒的粒度并計數(shù)，以獲得個數(shù)粒度分布，如各種成像法和計數(shù)器法等。

篩分和沉降是非逐個測量的典型例子。3.1測量方法分類

(4)分級測量和非分級測量分級測量是將樣品分成若干個不同粒度級別的過程，已知每個粒度級別物料的重量就能求出樣品的重量粒度分布，如篩分、淘析等。

離心沉降法、光散射法等屬非分級測量。3.2測量方法的選擇

選擇測量方法時應考慮以下幾個因素：(1)分析目的(2)粒度范圍(3)精度要求(4)樣品數(shù)量(5)樣品性質(zhì)(6)分析時間間隔(7)投資費和分析費

選擇顆粒測量方法時，要綜合考慮各種情況，有針對性地進行比較和選擇，以滿足顆粒性質(zhì)測量人員和應用顆粒數(shù)據(jù)人員的需要。3.3采樣與處理采出的樣品要有代表性。取樣規(guī)則：

(1)盡量在物料移動時取樣；

(2)盡量在較短的時間間隔內(nèi)多次取整個料流的試樣，而不要在整個時間內(nèi)取部分料流的試樣。3.3采樣與處理試樣的制備：分析試樣的制備過程就是試樣的摻合縮分過程?？s分的目的就是從一堆摻合好的試樣中取出能代表總樣性質(zhì)的少量樣品。取樣縮分方法：①抓取取樣；②錐形四分法；③盤式縮分器；④叉溜式縮分器；⑤旋轉(zhuǎn)格槽縮分器。3.3采樣與處理物料的分散處理：常用方法如下(1)選擇分散介質(zhì)(2)添加分散劑(3)調(diào)整懸浮液的濃度(4)其它方法：如手工或機械搖動；機械攪拌；加熱或煮沸；抽真空脫氣；超聲波處理等。3.4顆粒粒度的測定一、粒度測量方法分類：測量粒度的方法很多。基于各種方法適用原理的不同，所得的參數(shù)（粒度變量）也不同，有長度、面積、體積、質(zhì)量等，同是粒度組成（總體數(shù)量）與有不同的表示方法，如顆粒個數(shù)或百分數(shù)、質(zhì)量百分數(shù)等。3.4顆粒粒度的測定

二、粒度測定方法：

現(xiàn)有的粒度測量方法很多，有直接測量法也有間接測量法。

直接測量是根據(jù)顆粒的幾何尺寸進行的，如篩分法和顯微鏡法。

間接測量是先確定與顆粒尺寸有關(guān)的性質(zhì)參數(shù)，然后用理論公式或經(jīng)驗公式計算顆粒大小，如沉積法等。3.4顆粒粒度的測定

1、篩分法篩分是最常用、最古老的一種粒度分析方法，它適用于非常廣的、而且是最有工業(yè)意義的粒度范圍。做法是使已知重量的試樣相繼通過逐個變細的篩網(wǎng)，并稱量每個篩網(wǎng)上收集的試料量，計算出每個粒級的質(zhì)量百分數(shù)即可。篩分可以用濕篩，也可以用干篩，篩子要振動，以便使所有顆粒都能與篩孔接觸。3.4顆粒粒度的測定

影響篩分的因素：篩分過程中影響透篩的因素是很多的，如待測物料的粒度組成、篩面上物料量的大小、顆粒的表面性質(zhì)、振動篩子的方法、顆粒的各向尺寸和形狀、篩孔的形狀及開孔率等。另外實驗條件因素如篩分持續(xù)時間、篩孔的偏差、篩子的磨損、取樣誤差等也是影響篩分效果的因素。給料量以及篩子的運動形式也會影響篩分試驗的效率。3.4顆粒粒度的測定

2、沉降分析沉降分析是測定小于0.074mm細粒物料粒度組成的常用方法。該技術(shù)以顆粒在各種流體中沉降末速不同的現(xiàn)象為基礎，即以Stokes定律為依據(jù)，所得粒徑稱為Stokes直徑，可用下式求得式中dst—Stokes直徑；μ—流體粘度；

Ust—顆粒沉降末速；ρs—顆粒密度；

ρf—流體密度；g—重力加速度。淘析法基本原理沉降分析法中最簡單而又比較準確的一種方法。利用漸進縮短沉降時間的方法，由細至粗的逐步將各粒級物料自試料中淘析出來。7445382010t5t4t3t2t13.4顆粒粒度的測定用這種方法表示粒度特征會受到物料性質(zhì)和操作條件的限制，通常要求在稀懸浮液中進行，以保證懸浮液中的固體顆粒均能自由下降，互不干擾。為防止顆粒在沉降過程中聚團，對待測物料應采用適當?shù)姆椒ǎㄈ鐢嚢杵?、超聲波、蒸煮、分散劑等）使之分散?/p>

Stokes定律適用于球形顆粒、層流狀態(tài)、雷諾數(shù)Re<0.2的情況。3.4顆粒粒度的測定

(1)重力沉積法

采用這種方法，粒群僅僅在重力的作用下，在一組形狀相同的容器中沉降。把顆粒在固定的標高或變化的標高上的濃度作為時間的函數(shù)，結(jié)合Stokes定律計算系統(tǒng)的粒度分布。用水作介質(zhì)進行分析，典型的粒度范圍約為1～100μm。

顆粒濃度變化的測量有兩種方法：增量法是測定密度或濃度隨時間或高度變化的速率，如安德遜移液管就是這種方法；累積法是測量沉積在懸浮表面下某特定距離上物料顆粒的總量和時間，如沉積天平就是這種方法。增量法分析速度較快，用得較多。累積法的最大優(yōu)點是需要的粉末量少，約0.5克，從而使顆粒之間的相互作用減到最小的程度，當試樣量少或有毒不能多取時，常采用此法。3.4顆粒粒度的測定

(2)離心沉降法

對于細顆粒，為了加快其定向運動的速度從而避免布朗運動的干擾以及縮短測定時間，常采用大得多的離心力代替重力。此時顆粒在離心力場中沿旋轉(zhuǎn)方向運動，介質(zhì)為液體，適用的粒度范圍約為了0.01～1μm。在層流區(qū)，離心力作用下的Stokes公式為式中ω—單位時間用弧度表示的角速度；

r—顆粒所在位置的離心半徑（即顆粒到轉(zhuǎn)軸的距離）；

Uc—離心沉降速度；ω2r—離心加速度。3.4顆粒粒度的測定

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許多獨特的優(yōu)點。從分析對象來說，它既可以分析固體顆粒，也可以分析噴霧顆粒；可分析干粉樣品，也可分析濕泥樣品；實驗室、工作現(xiàn)場均可使用；可以不取樣、不破壞顆粒原有性狀進行無接觸測量。從分析速度來說，這種方法與微型電子計算機配合可使分析過程異常迅速，分析一個樣品只需幾分鐘，甚至幾秒鐘，此外，小功率的He-Ne激光器還比較便宜。因此，近年來國內(nèi)外設計了多種激光粒度分析儀器或裝置，并在實驗室或廠礦企業(yè)得到實際應用。3.4顆粒粒度的測定

4、顯微鏡粒度分析

顯微鏡法是借助顯微鏡目鏡測微尺測定顆粒尺寸的方法。測定顆粒大小的顯微鏡有很多，如光學顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等，它們可以直接觀察和測量單個顆粒的粒度特征，而且在測定顆粒的形狀和組成的靈敏度方面比其它方法好得多，常用來標定其它方法，或幫助分析其它幾種方法測量結(jié)果產(chǎn)生的差異。顯微鏡分析所需的試樣量非常少，因此，顯微鏡法測量粒度的關(guān)鍵步驟是制備具有代表性的分散良好的樣品，以保證僅僅是對單個顆粒而不是對團粒進行觀察和計數(shù)。3.4顆粒粒度的測定

5、自動計數(shù)器法

該方法進行粒度測定時是通過測量顆粒對載體電性質(zhì)或載體光性質(zhì)的效應來完成的，包括電阻變化法和光學法。

(1)電阻計數(shù)器：用于快速測定電解液里顆?；蛞旱蔚牧６取Ｗ盍餍械臑閹煅筇?Coulter)計數(shù)器，TAⅡ是最新式和應用最廣泛的一種，它有16個輸出通道，操作方便，分析一個樣品只需要一分半鐘，每秒鐘可計出5000個顆粒，誤差≤1%～2%，適用粒度范圍為0.7～500μm。利用電阻變化法快速測定顆粒大小時，為保證顆粒流經(jīng)小孔時不出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，懸浮液的濃度不能太高。3.4顆粒粒度的測定

(2)光學計數(shù)器：是應用光學測量原理對顆粒進行自動計數(shù)和粒度大小測定的。光學計數(shù)器共有三種類型：近—前散射系數(shù)(near-forwardscatteringsystem)，直角散射系統(tǒng)(rightanglescatteringsystem)和光蝕系統(tǒng)(lightobscurationsystem)。選擇哪種系統(tǒng)將取決于被分析的物料性質(zhì)。

例如，對結(jié)構(gòu)和折光率都均勻的顆粒，采用直角散射系統(tǒng)將得到最佳的分辨率；對于結(jié)構(gòu)變化的顆粒一般用近—前散射系統(tǒng)；對分散在液體中的不透明顆粒，通常用光蝕法。3.4顆粒粒度的測定

6、其它測量方法

圖像分析儀可在短時間內(nèi)提供完整的粒度分布和形狀資料，可能得到的信息特征包括顆粒的輪廓、形狀、面積、取向、最長尺寸和最短尺寸之比以及單個顆粒中各個晶粒的分布等等。分析物料的粒度下限小于0.01μm，全部分析時間大約5分鐘。

全息照相法是測量氣溶膠中的顆粒技術(shù)，測量粒度范圍可由亞微米至幾毫米。全息照相能把來自物體的光波的振幅信息及其位相都在感光干板上記錄下來，能真實地獲得顆粒的大小、形狀、濃度、空間分布及至運動軌跡和速度等信息。3.4顆粒粒度的測定

其它粒度測量方法見下表：方法及設備分析時間樣品量粒度范圍(μm)Β射線衰減20100L10～500氣流分級102000g10～500超聲波衰減10100L10～500脈沖氣流10100g2～500X射線增寬301g0.001～0.53.5比表面積測定

比表面積(單位質(zhì)量或體積的表面積)是顆粒大小的一個有用的量度，比表面積也可認為是平均尺寸。對直徑為d

的均勻顆粒，其體積比表面積為質(zhì)量比表面積Sm與SV的關(guān)系為其中ρ是固體的真密度，KS、KV、KSV

分別為面積形狀系數(shù)、體積形狀系數(shù)和比表面積形狀系數(shù)。3.5比表面積測定

比表面積的測量方法有滲透法、吸附法和壓汞法，其中氣體吸附法也稱BET法是經(jīng)典測定方法，它是根據(jù)BET方程式，在一定條件下測定被固體顆粒吸附的氣體質(zhì)量，然后通過吸附的氣體質(zhì)量和氣體分子的截面積即可計算顆粒的比表面積。

一、氣體吸附法

氣體吸附法是利用分散度高的細粒物料，其表面自由能高，能自動吸附氣體的特性來測定細粒物料比表面的。3.5比表面積測定

1、氣體的物理吸附與化學吸附

固體顆粒表面的分子或原子存在剩余的表面引力場，當氣體分子運動并接近表面時，會由于相互作用而被吸附。吸附可大致分為兩種類型。

(1)化學吸附化學吸附指吸附分子與吸附劑表面之間產(chǎn)生了電子的轉(zhuǎn)移或共有，也可以看作發(fā)生表面化學反應，化學吸附只限于單分子層。

(2)物理吸附物理吸附是氣體在固體表面的富集，其作用力是固體表面與氣體分子間、以及已被吸附分子與氣體間的范德華引力。3.5比表面積測定固體表面吸附了一個分子后，由于表面引力場的影響以及被吸附分子與氣體分子間也有引力，其上面仍可再吸附一個吸附質(zhì)分子，稱為多分子層吸附，簡稱多層吸附。物理吸附常是可逆的，這是指吸附平衡后若氣體壓力降低，則會迅速發(fā)生脫附。3.5比表面積測定

2、吸附方程式

用氣體吸附法測定比表面積時絕大多數(shù)都是通過實驗，測定在一定溫度下，一定相對壓力范圍的吸附等溫線。根據(jù)與實驗等溫線符合的某個吸附等溫式，算出樣品表面若以單分子層鋪滿所需的吸附量，這個單層飽和吸附時又稱單層容量，用Vm

表示，然后求樣品的表面積：式中am—單分子層中每個分子所占的面積；

L—阿佛加德羅常數(shù)；

Vm—以毫升表示的單層容量。3.5比表面積測定

多層BET方程

假定固體表面吸附的分子層數(shù)為n，則BET(Brunauer,Emmett&Teller)吸附等溫方程為式中V—被吸附氣體的總體積；

X—相對壓力；

C—常數(shù)（與第一層吸附熱及凝聚熱有關(guān)）；

Vm—被吸附氣體的單層吸附量，mL（常數(shù)）；

n—吸附層數(shù)。3.5比表面積測定

BET吸附等溫方程中除了

Vm、C

兩個常數(shù)以外，還有常數(shù)n，因此也被稱為BET三常數(shù)方程式。

當n=1時，方程簡化為Langmuir單分子層吸附方程式

當n→∞時，方程簡化為兩常數(shù)BET方程式X=p/p0帶入3.5比表面積測定

二、氣體滲透法

流體透過多孔介質(zhì)或粉末堆積成的床層的流動具有一定的規(guī)律，據(jù)此可以求多孔介質(zhì)或粉末的體積比表面積Sv。

對多孔介質(zhì)，所求的比表面積是指流體能透過的連通孔隙的壁面積。氣體在管中的流動狀態(tài)有不同的類型，又稱為流動區(qū)，雷諾數(shù)Re=dUρ/μ和克努森數(shù)Kn=λ/d

可作為不同流動狀態(tài)判斷依據(jù)：上式中d為管的內(nèi)徑；U為管中按截面平均的流動速度；ρ為氣體密度；λ為氣體的分子平均自由程，在一定溫度下，λ與氣體壓力成反比，常溫下空氣的λ約為0.1μm；μ為氣體粘度。3.5比表面積測定

Re>2000 湍流2000>Re>1200 湍—粘滯流Kn<<1 粘滯流Re<1200Kn接近1 粘滯—分子流

Kn>>1 分子流

比表面積的公式為：式中U—按截面積平均的流動速度；ε—床層的空隙率；

ΔP—壓力差，ΔP=P1－P2；μ—氣體的粘度；

k—Kozeny常數(shù)；H—床層高度。3.5比表面積測定

三、壓汞法

壓汞法測定表面積的原理是迫使水銀進入孔隙要耗功。用壓汞法可得到被水銀浸沒的所有孔壁的表面積S

為：

利用氣體透過法測量顆粒比表面積的儀器有Lea-Narse透過儀，F(xiàn)isher透過儀，Blaine透過儀以及我國生產(chǎn)的WLP型平均粒度測定儀、新T-3型透氣式比表面積儀等。式中σLg—液氣界面的自由能或表面張力；

θ—三相接觸角，一般取

θ=130°。3.6孔徑大小的測定

1、孔尺寸分類

不同固體中的孔的大小和形狀有很大差別。表征孔特征的尺寸一般為孔的寬度。按孔的寬度可分為微細孔、中微孔、大微孔等。

測定微孔大小的方法有顯微鏡法、壓汞法及氣體吸附法。類別孔寬微細孔小于2nm(20?)中微孔～2nm至50nm(20～500?)大微孔大于50nm(500?)3.6孔徑大小的測定

2、顯微照相法

顯微鏡測定微孔的大小通常是比較精確的，它包含直接的觀察，可以作為尺度校準其它測量技術(shù)的準確性，但每個步驟的操作都要非常細心。測定大微孔用光學顯微鏡，中微孔用電子顯微鏡。總的說來，顯微鏡測定微孔大小不適于日常測試，因為它需要廣泛的樣品準備，要求在各種不同的角度和位置分析樣品以取得總的結(jié)構(gòu)圖像，很費時間，但可以有來檢查其它方法的有效性。3.6孔徑大小的測定

3、壓汞法

壓汞法被廣泛用于測定多孔材料的孔徑分布和各種片劑及壓制品的空隙尺寸分布，測定微孔的直徑范圍是1～105毫微米。如果用最新的自動儀器，一次測試只要半個小時到一個小時，一次測試就能解決問題。此方法是根據(jù)毛細管上升現(xiàn)象，要使非潤濕液體爬上一狹窄的毛細管需要施加一額外壓力。界面之間壓力差可用Young—Lap