Размер частиц

Размер частиц — это понятие, введенное для сравнения размеров твердых частиц ( пятен ), жидких частиц ( капель ) или газообразных частиц ( пузырьков ). Понятие размера частиц применяется к частицам в коллоидах , в экологии , в гранулированном материале (находящемся в воздухе или нет), а также к частицам, которые образуют гранулированный материал (см. также размер зерна ).

Измерение

Существует несколько методов измерения размера частиц ^[1] и распределения размеров частиц . Некоторые из них основаны на свете , другие на ультразвуке [ ^2] или электрическом поле , или гравитации , или центрифугировании . Использование сит является распространенным методом измерения, однако этот процесс может быть более подвержен человеческим ошибкам и требует много времени. Такие технологии, как динамический анализ изображений (DIA), могут значительно упростить анализ распределения размеров частиц. Этот подход можно увидеть в таких приборах, как CAMSIZER компании Retsch Technology или серии приборов Sympatec QICPIC. Они по-прежнему не имеют возможности встроенных измерений для мониторинга в реальном времени в производственных условиях. Поэтому встроенные устройства визуализации, такие как система SOPAT ^[3], являются наиболее эффективными.

Алгоритмы машинного обучения используются для повышения эффективности измерения размера частиц. ^[4]^[5] Это направление исследований может обеспечить недорогой и оперативный анализ размера частиц .

Во всех методах размер является косвенной мерой, полученной с помощью модели, которая абстрактным образом преобразует реальную форму частицы в простую и стандартизированную форму, например, сферу (наиболее распространенную) или кубоид (при использовании минимальной ограничивающей рамки ), где параметр размера (например, диаметр сферы) имеет смысл. Исключением является подход математической морфологии , где гипотеза формы не нужна.

Определение размера частиц для ансамбля (коллекции) частиц представляет собой еще одну проблему. Реальные системы практически всегда полидисперсны , что означает, что частицы в ансамбле имеют разные размеры. Понятие распределения размеров частиц отражает эту полидисперсность. Часто возникает необходимость в определенном среднем размере частиц для ансамбля частиц.

Выражения для размера сферы

Размер частицы сферического объекта может быть однозначно и количественно определен его диаметром . Однако типичный материальный объект, скорее всего, будет иметь неправильную форму и не будет сферическим. Приведенное выше количественное определение размера частицы не может быть применено к несферическим частицам. Существует несколько способов расширения приведенного выше количественного определения для применения к несферическим частицам. Существующие определения основаны на замене данной частицы воображаемой сферой , которая имеет одно из свойств, идентичных свойствам частицы.

Размер частиц на основе объема: Размер частиц на основе объема равен диаметру сферы, которая имеет тот же объем, что и данная частица. Обычно используется в ситовом анализе , как гипотеза формы ( размер ячеек сита равен диаметру сферы).

D=2{\sqrt[{3}]{\frac {3V}{4\pi }}}

где

D

: диаметр представительной сферы

V

: объем частицы

Размер частиц по площади: Размер частицы на основе площади равен диаметру сферы, которая имеет ту же площадь поверхности, что и данная частица. Обычно используется в методах оптической гранулометрии .

D={\sqrt[{2}]{\frac {4A}{\pi }}}

где

D

: диаметр представительной сферы

А

: площадь поверхности частицы

Косвенные выражения меры

В некоторых измерениях размер ( измерение длины в выражении) не может быть получен, а только рассчитан как функция других измерений и параметров. Ниже приведены основные случаи.

Размер частиц по весу (сфероидальный): Размер частиц на основе веса равен диаметру сферы, которая имеет тот же вес, что и данная частица. Полезно в качестве гипотезы при центрифугировании и декантации , или когда количество частиц может быть оценено (чтобы получить средний вес частицы как вес образца, деленный на количество частиц в образце). Эта формула действительна только в том случае, если все частицы имеют одинаковую плотность.

D=2{\sqrt[{3}]{\frac {3W}{4\pi dg}}}

где

D

: диаметр представительной сферы

W

: вес частицы

д

: плотность частицы

г

: гравитационная постоянная

Аэродинамический размер частиц: Гидродинамический или аэродинамический размер частицы равен диаметру сферы, имеющей тот же коэффициент сопротивления, что и данная частица.; Другая сложность в определении размера частиц в жидкой среде возникает для частиц с размерами менее микрометра . Когда частица становится настолько малой, толщина слоя интерфейса становится сопоставимой с размером частицы. В результате положение поверхности частицы становится неопределенным. Существует соглашение о размещении этой воображаемой поверхности в определенном положении, предложенное Гиббсом и представленное во многих книгах по интерфейсу и коллоидной науке . ^[6]^[7]^[8]^[9]^[10]^[2]

Международные конвенции

Существует международный стандарт представления различных характерных размеров частиц, ISO 9276 (Представление результатов анализа размера частиц). ^[11] Этот набор различных средних размеров включает медианный размер , геометрический средний размер , средний размер . При выборе конкретных частиц малого размера обычно используются ISO 565 и ISO 3310-1 для выбора размера ячеек .

Коллоидная частица

В материаловедении и коллоидной химии термин коллоидная частица относится к небольшому количеству вещества, имеющему размер, типичный для коллоидов , и с четкой границей раздела фаз. Частицы дисперсной фазы имеют диаметр приблизительно от 1 до 1000 нанометров . Коллоиды неоднородны по своей природе, невидимы невооруженным глазом и всегда движутся случайным зигзагообразным движением, известным как броуновское движение . Рассеяние света коллоидными частицами известно как эффект Тиндаля . ^[12]

Смотрите также

Ссылки

^ Maaß, S.; Wollny, S.; Voigt, A.; Kraume, M. (2011-02-01). "Экспериментальное сравнение методов измерения распределений размеров капель в дисперсиях жидкость/жидкость". Experiments in Fluids . 50 (2): 259–269. Bibcode :2011ExFl...50..259M. doi :10.1007/s00348-010-0918-9. ISSN 1432-1114. S2CID 122702316.
^ ab Духин, А.С. и Гетц, П.Дж. Характеристика жидкостей, нано- и микрочастиц и пористых тел с использованием ультразвука , Elsevier, 2017 ISBN 978-0-444-63908-0
^ "Мезоскопические зонды". SOPAT | Интеллектуальный онлайн-анализ частиц . 2018-04-11 . Получено 2019-06-05 .
^ Хуссейн, Рубайя; Аликан Ноян, Мехмет; Войесса, Гетинет; Ретамал Марин, Родриго Р.; Антонио Мартинес, Педро; Махди, Фаиз М.; Финацци, Виттория; Хазлхерст, Томас А.; Хантер, Тимоти Н.; Колл, Томеу; Стинц, Майкл (2020-02-12). "Сверхкомпактный анализатор размера частиц с использованием датчика изображения КМОП и машинного обучения". Light: Science & Applications . 9 (1): 21. Bibcode : 2020LSA.....9...21H. doi : 10.1038/s41377-020-0255-6 . ISSN 2047-7538. PMC 7016131. PMID 32128161 .
^ Guardani, R; Nascimento, CA O; Onimaru, R. S (2002-06-27). «Использование нейронных сетей при анализе распределения размеров частиц с помощью лазерной дифракции: тесты с различными системами частиц». Powder Technology . 126 (1): 42–50. doi :10.1016/S0032-5910(02)00036-0. ISSN 0032-5910.
^ Lyklema, J. «Основы науки о границах раздела и коллоидах», т.2, стр.3.208, 1995
^ Хантер, Р. Дж. «Основы коллоидной науки», Oxford University Press, 1989
^ Духин, С.С. и Дерягин, Б.В. «Электрокинетические явления», J.Willey and Sons, 1974
^ Рассел, У. Б., Сэвилл, Д. А. и Шоуолтер, У. Р. «Коллоидные дисперсии», Издательство Кембриджского университета, 1989 г.
^ Kruyt, HR «Colloid Science», Elsevier: Том 1, Необратимые системы, (1952)
^ Стандарт ISO 9276 «Представление результатов анализа размера частиц». Обзоры с 1998 по 2015 год.
^ Левин, Айра Н. (2001). Физическая химия (5-е изд.). Бостон: McGraw-Hill. стр. 955. ISBN 0-07-231808-2.

8.Стандарт ISO 14644-1 Классификация чистоты частиц в воздухе