Седиментация представляет собой процесс опускания коллоидных частиц или дисперсных фаз под действием силы тяжести или центробежной силы в гетерогенных системах. Скорость оседания определяется балансом между гравитационными силами, вязкостью среды и сопротивлением среды движению частиц.
Для сферических частиц в условиях ламинарного течения оседание описывается законом Стокса:
$$ v = \frac{2}{9} \frac{r^2 (\rho_p - \rho_m) g}{\eta} $$
где v — скорость седиментации, r — радиус частицы, ρp и ρm — плотности частицы и среды соответственно, g — ускорение силы тяжести, η — вязкость среды.
Ключевым моментом является зависимость скорости оседания от квадрата радиуса частицы, что объясняет выраженную селективность седиментации по размеру частиц.
Электростатические заряды частиц. Частицы с одинаковым знаком заряда создают электростатическое отталкивание, замедляющее оседание и способствующее стабилизации коллоида.
Стерическое препятствие. Полимерные адсорбционные слои на поверхности частиц увеличивают гидродинамический радиус, снижая скорость седиментации.
Полидисперсность. Наличие частиц разного размера приводит к иерархии оседания: крупные частицы оседают быстрее, создавая градиент концентрации в системе.
Седиментационное равновесие достигается, когда процесс оседания уравновешен диффузией Брауна. В тонких слоях коллоида при малых концентрациях распределение частиц по высоте h описывается законом Больцмана:
$$ c(h) = c_0 \exp\left(-\frac{m g h}{k_B T}\right) $$
где c(h) — концентрация на высоте h, c0 — концентрация у основания, m — эффективная масса частицы с учётом гидродинамического объёма, kB — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура.
Это выражение демонстрирует экспоненциальное убывание концентрации с высотой и подчеркивает роль теплового движения в стабилизации дисперсных систем против полной осадки.
Использование центрифуг позволяет значительно ускорить процесс оседания, создавая эффективное ускорение gэфф = ω2r, где ω — угловая скорость, r — радиальное расстояние от оси вращения.
В аналитической центрифугировании измерение профиля концентрации в режиме седиментационного равновесия даёт возможность определять молекулярную массу макромолекул и их фракционный состав.
Седиментация используется для разделения частиц по размеру и массе, определения молекулярной массы макромолекул, оценки стабильности коллоидных систем, а также в технологических процессах очистки, концентрирования и фракционирования дисперсных систем.
Фундаментальная теория седиментации сочетает механические силы, гидродинамику и тепловое движение частиц, обеспечивая точное понимание динамики коллоидных систем и их равновесного состояния.