Размер частицы

Идея сравнения размеров частиц в разных состояниях материи.

Размер частиц — это понятие, введенное для сравнения размеров твердых частиц ( пятен ), жидких частиц ( капель ) или газообразных частиц ( пузырей ) . Понятие размера частиц применимо к частицам в коллоидах , в экологии , в гранулированном материале (независимо от того, находится ли он 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 частиц по размерам . 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 частиц по размерам. Этот подход можно увидеть в таких инструментах, как CAMSIZER от Retsch Technology или в серии инструментов Sympatec QICPIC. Им по-прежнему не хватает возможности оперативных измерений для мониторинга в реальном времени в производственных средах. Поэтому встроенные устройства формирования изображений, такие как система SOPAT ^[3], являются наиболее эффективными.

Алгоритмы машинного обучения используются для повышения эффективности измерения размера частиц. ^{[4] [5]} Это направление исследований может дать недорогой анализ размера частиц в реальном времени .

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 обычная) или кубоид ( когда используется минимальная ограничивающая рамка). ), где параметр размера (например, диаметр сферы) имеет смысл. Исключением является подход математической морфологии , при котором гипотеза формы не требуется.

Еще одной проблемой является определение размера ансамбля (набора) частиц. Реальные системы практически всегда полидисперсны , а это означает, что частицы в ансамбле имеют разные размеры. Понятие распределения частиц по размерам отражает эту полидисперсность. Часто существует необходимость в определенном среднем размере частиц для ансамбля частиц.

Выражения для размера сферы

Размер частицы сферического объекта можно однозначно и количественно определить по его диаметру . Однако типичный материальный объект, скорее всего, будет иметь неправильную форму и несферическую форму. Приведенное выше количественное определение размера частиц не может быть применено к несферическим частицам. Есть несколько способов распространить приведенное выше количественное определение на несферические частицы. Существующие определения основаны на замене данной частицы воображаемой сферой , обладающей одним из свойств, тождественных частице.

Размер частиц по объему

Размер частицы, основанный на объеме, равен диаметру сферы, имеющей тот же объем, что и данная частица. Обычно используется в ситовом анализе в качестве гипотезы формы ( размер ячейки сита как диаметр сферы).

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

где

${\displaystyle D}$: диаметр репрезентативной сферы

${\displaystyle V}$: объем частицы

Размер частиц по площади

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

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

где

${\displaystyle D}$: диаметр репрезентативной сферы

${\displaystyle A}$: площадь поверхности частицы

Выражения косвенной меры

В некоторых мерах размер ( размер длины в выражении) не может быть получен, а только вычисляется как функция других размеров и параметров. Ниже приведены иллюстрации основных случаев.

Размер частиц по весу (сфероидальный)

Размер частицы 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 можно оценить количество частиц (чтобы получить средний вес частиц как вес образца, разделенный на количество частиц в образце). Эта формула действительна только тогда, когда все частицы имеют одинаковую плотность.

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

где

${\displaystyle D}$: диаметр репрезентативной сферы

${\displaystyle W}$: вес частицы

${\displaystyle d}$: плотность частиц

${\displaystyle g}$: гравитационная постоянная

Аэродинамический размер частиц

Гидродинамический или аэродинамический размер частиц равен диаметру сферы, имеющей тот же коэффициент сопротивления , что и данная частица.

Другая сложность определения размера частиц в жидкой среде возникает для частиц размером менее микрометра . Когда частица становится настолько маленькой, толщина интерфейсного слоя становится сравнимой с размером частицы. В результате положение поверхности частицы становится неопределённым. 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 в себя медианный размер , средний геометрический размер , средний размер . При выборе конкретных частиц малого размера обычно используют 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 типичный для коллоидов размер и с четкой фазовой границей. Частицы дисперсной фазы имеют диаметр примерно 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

• Динамическое рассеяние света
• Лазерный дифракционный анализ
• Микромеритика
• Дисперсионная технология
• Средний диаметр Саутера

Рекомендации

1. Маас, С.; Волни, С.; Фойгт, А.; Крауме, М. (01 февраля 2011 г.). «Экспериментальное сравнение методов измерения распределения капель по размерам в дисперсиях жидкость/жидкость». Эксперименты с жидкостями . 50 (2): 259–269. Бибкод : 2011ExFl...50..259M. дои : 10.1007/s00348-010-0918-9. ISSN  1432-1114. S2CID  122702316.
2. Духин А.С. и Гетц П.Дж. Характеристика жидкостей, нано- и микрочастиц и пористых тел с помощью ультразвука , Elsevier, 2017 ISBN 978-0-444-63908-0 
3. «Мезоскопические зонды». СОПАТ | Интеллектуальный онлайн-анализ частиц . 11 апреля 2018 г. Проверено 5 июня 2019 г.
4. Хусейн, Рубайя; Аликан Ноян, Мехмет; Войесса, Гетинет; Ретамал Марин, Родриго Р.; Антонио Мартинес, Педро; Махди, Фаиз М.; Финацци, Виттория; Хэзлхерст, Томас А.; Хантер, Тимоти Н.; Колл, Томеу; Стинц, Майкл (12 февраля 2020 г.). «Сверхкомпактный анализатор размера частиц, использующий КМОП-датчик изображения и машинное обучение». Свет: наука и приложения . 9 (1): 21. Бибкод : 2020LSA.....9...21H. дои : 10.1038/s41377-020-0255-6 . ISSN  2047-7538. ПМК 7016131 . ПМИД  32128161. 
5. Гуардани, Р; Насименто, Калифорния; Онимару, Р.С. (27 июня 2002 г.). «Использование нейронных сетей при анализе распределения частиц по размерам методом лазерной дифракции: испытания с различными системами частиц». Порошковая технология . 126 (1): 42–50. дои : 10.1016/S0032-5910(02)00036-0. ISSN  0032-5910.
6. Ликлема, Дж. «Основы интерфейса и коллоидной науки», том 2, стр. 3.208, 1995 г.
7. Хантер, Р.Дж. «Основы коллоидной науки», Oxford University Press, 1989.
8. Духин, С.С. и Дерягин, Б.В. «Электрокинетические явления», J.Willey and Sons, 1974.
9. Рассел, В.Б., Сэвилл, Д.А. и Шоуолтер, В.Р. «Коллоидные дисперсии», Cambridge University Press, 1989.
10. Круйт, HR «Коллоидная наука», Elsevier: Том 1, Необратимые системы, (1952)
11. Стандарт ISO 9276 «Представление результатов анализа размера частиц». Отзывы с 1998 по 2015 год.
12. Левин, Ира Н. (2001). Физическая химия (5-е изд.). Бостон: МакГроу-Хилл. п. 955. ИСБН 0-07-231808-2.

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