浅谈颗粒沉降的成因及其应对方法

发布时间 | 2024-11-13 11:05 分类 | 粉体加工技术点击量 | 663

碳化硅氧化铝

导读：颗粒沉降是一个综合性问题，不能单一的仅使用一种方法，而需要考虑多方面的因素来得到最佳的解决方案。

颗粒沉降作为一种广泛存在于自然界、工业生产以及日常生活的物理现象，在不同的应用场景中，起到或正面或反面的作用，如在饮用水处理方面，可以利用颗粒的沉降去除悬浮物，从而达到净化水源的效果；在大气污染控制方面，可以利用颗粒沉降技术收集或去除排放气体中的固体颗粒，以实现空气的净化；在陶瓷浆料中出现颗粒沉降现象，将会导致陶瓷制品出现表面不均匀、功能性降低的情况；在抛光液中出现颗粒沉降，将会影响衬底的抛光效果。可以说掌握颗粒沉降的相关机理，对于科学研究、工程应用以及日常生活等诸多方面都有非常重要的意义。接下来，小编将为大家介绍颗粒沉降以及应对方法。

（图源：东莞澳达环保新材料有限公司）

什么是颗粒沉降？

颗粒沉降是指固体颗粒在液体体系或气体体系中由于受到重力、离心力或其他外力的作用下，而相对液体体系或气体体系产生向下或向特定方向移动的现象。在这个过程中，颗粒的密度、形状、大小以及液体体系的浓度、pH值、温度等环境因素都会对颗粒的沉降速度产生影响。颗粒在液体体系中的沉降可以分为自由沉降和干涉沉降两种类型。其中，自由沉降是颗粒在无外力干扰的情况下，仅受重力作用而产生沉降现象的过程；而干涉沉降是指颗粒在液体中除了受重力的作用外，还会受到周围其他颗粒、容器壁面或其他外力的影响，从而产生的沉降的过程。通常情况下，颗粒沉降是可逆的，可以通过搅拌、增加流速等方式使颗粒重新悬浮。

陶瓷颗粒分散在水介质中的结构（图源：文献4）

对于液体体系的影响

（1）液体中颗粒浓度不均匀：在初始状态，颗粒会均匀的分散在液体中，呈现出平衡且均匀的状态。然而，随着时间的流逝，颗粒会在重力的持续作用下开始沉降，此时液体体系会出现上清液和沉淀的分层,液体上部区域的颗粒数量逐渐减少，浓度也随之降低；底部区域的液体则会因为颗粒的不断聚集，浓度持续升高。液体虽然会因为分散剂的作用，形成空间位阻效应，存在一段颗粒分散体系相对稳定且沉降可逆的阶段。但当分散介质不足以分散颗粒时，粉体就会在范德华力的作用下相互絮凝，从而形成不可逆的死沉淀。由此可见，颗粒沉降会影响到液体中颗粒浓度的均匀性。

（2）影响液体的热传递：颗粒沉降会打破原有的均匀分散液体体系，使上部液体的密度、粘度缩小，底部液体的密度、粘度增大。在化学反应器中，不均匀的粘度和密度分布会严重干扰热传递的效率。底部高密度、高粘度的液体区域热传递相对比较困难，容易出现过热情况；而上部区域则会因为热传递不充分存在过冷现象。这种不均匀的温度分布对于化学反应的进程存在一定的负面影响，导致最终产品的性能和稳定性有所降低。

除了以上两种列举的影响外，颗粒沉降还会影响到液体体系的光学、电学、生物学等诸多方面的性能，找寻到合适的、高效的、精准的应对方法是提升液体体系可靠性以及性能的重要途径。

应对方法

1、超声分散

超声分散是一种强度很高的分散手段，它主要是使用适当频率和功率的超声波来处理颗粒悬浮液，从而使团聚体打开，以达到颗粒分散的目的。超声波在液体中传播时，会产生压力波动，从而使液体中的气泡经历形成、生长和崩溃三个阶段。气泡崩溃时会产生较大的压力和极高的温度，可以有效破坏颗粒间的相互作用力，使颗粒分散。研究表明，超声频率会影响颗粒在介质中的分散性，而颗粒粒径将会决定最佳的超声频率。

徐春兰等人研究了超声对于纳米TiO₂在水相体系中分散性的影响。他们用悬浊液的紫外吸光度表征了TiO₂水相分散性。研究表明，在一定超声功率下，随着超声时间的延长，悬浊液吸光度呈现先增加后减小的变化趋势。这是因为超声波产生的空化作用削弱了纳米颗粒的表面能，提高了颗粒分散性；但随着超声时间的延长，超声产生的能量使体系温度升高，颗粒能量增加，颗粒间的碰撞几率大大增加，从而致使纳米颗粒的再次团聚。

2、表面改性或使用分散剂

采用化学方法分散颗粒的方式主要有两种：一种是对颗粒进行表面改性，将与液相溶剂具有较好相容性的有机分子通过化学反应嫁接在颗粒表面，以改变颗粒表面性质，达到稳定分散的效果。第二种是向悬浮液中添加分散剂，使分散剂在颗粒表面吸附，改善颗粒与介质的相容性，从而改变颗粒和介质、颗粒和颗粒之间的相互作用，增加颗粒之间的排斥力，阻碍颗粒之间的团聚。

吕子彬等人研究四种不同分散剂对CaO-B₂O₃-La₂O₃玻璃/氧化铝LTCC流延浆料分散稳定性的影响，发现流延浆料的表观黏度随分散剂含量的加入呈现先下降后升高的趋势，分散剂种类不同，变化趋势不同;当TEGO-700用量为粉体质量的2%时，浆料具有最低表观黏度。