Tamaño de partícula

Noción para comparar dimensiones de partículas en diferentes estados de la materia.

El tamaño de partícula es un concepto introducido para comparar las dimensiones de partículas sólidas ( motas ), partículas líquidas ( gotas ) o partículas gaseosas ( burbujas ). El concepto de tamaño de partícula se aplica a partículas en coloides , en ecología , en material granular (ya sea en suspensión en el aire o no) y a partículas que forman un material granular (véase también tamaño de grano ).

Medición

Existen varios métodos para medir el tamaño de las partículas ^[1] y su distribución . Algunos de ellos se basan en la luz , otros en el ultrasonido ^[2] , en el campo eléctrico , en la gravedad o en la centrifugación . El uso de tamices es una técnica de medición común, sin embargo, este proceso puede ser más susceptible al error humano y requiere mucho tiempo. La tecnología como el análisis dinámico de imágenes (DIA) puede facilitar mucho los análisis de la distribución del tamaño de las partículas. Este enfoque se puede ver en instrumentos como el CAMSIZER de Retsch Technology o la serie de instrumentos QICPIC de Sympatec. Todavía carecen de la capacidad de realizar mediciones en línea para el monitoreo en tiempo real en entornos de producción. Por lo tanto, los dispositivos de imágenes en línea como el sistema SOPAT ^[3] son ​​los más eficientes.

Los algoritmos de aprendizaje automático se utilizan para aumentar el rendimiento de la medición del tamaño de partículas. ^{[4] [5] Esta línea de investigación puede producir} análisis del tamaño de partículas en tiempo real y a bajo costo .

En todos los métodos el tamaño es una medida indirecta, obtenida por un modelo que transforma, de manera abstracta, la forma real de la partícula en una forma simple y estandarizada, como una esfera (la más usual) o un cuboide (cuando se utiliza el mínimo cuadro delimitador ), donde el parámetro de tamaño (p. ej. diámetro de la esfera) tiene sentido. La excepción es el enfoque de la morfología matemática , donde no es necesaria ninguna hipótesis de forma.

La definición del tamaño de partícula para un conjunto (colección) de partículas presenta otro problema. Los sistemas reales son prácticamente siempre polidispersos , lo que significa que las partículas de un conjunto tienen diferentes tamaños. La noción de distribución del tamaño de partícula refleja esta polidispersidad. A menudo existe la necesidad de un cierto tamaño de partícula promedio para el conjunto de partículas.

Expresiones para el tamaño de la esfera

El tamaño de partícula de un objeto esférico se puede definir de forma inequívoca y cuantitativa por su diámetro . Sin embargo, es probable que un objeto material típico tenga una forma irregular y no sea esférico. La definición cuantitativa anterior de tamaño de partícula no se puede aplicar a partículas no esféricas. Hay varias formas de ampliar la definición cuantitativa anterior para aplicarla a partículas no esféricas. Las definiciones existentes se basan en reemplazar una partícula dada por una esfera imaginaria que tiene una de las propiedades idénticas a la partícula.

Tamaño de partícula basado en el volumen

El tamaño de partícula basado en el volumen es igual al diámetro de la esfera que tiene el mismo volumen que una partícula dada. Generalmente se utiliza en el análisis de tamices como hipótesis de forma ( el tamaño de la malla del tamiz es igual al diámetro de la esfera).

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

dónde

${\displaystyle D}$: diámetro de la esfera representativa

${\displaystyle V}$:volumen de partícula

Tamaño de partícula basado en área

El tamaño de partícula basado en el área es igual al diámetro de la esfera que tiene la misma área de superficie que una partícula dada. Se utiliza normalmente en técnicas de granulometría óptica .

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

dónde

${\displaystyle D}$: diámetro de la esfera representativa

${\displaystyle A}$:área superficial de la partícula

Expresiones de medida indirecta

En algunas medidas no se puede obtener el tamaño (una dimensión de longitud en la expresión), solo se calcula como función de otras dimensiones y parámetros. A continuación se ilustran los casos principales.

Tamaño de partícula basado en el peso (esferoidal)

El tamaño de partícula basado en el peso es igual al diámetro de la esfera que tiene el mismo peso que una partícula dada. Útil como hipótesis en centrifugación y decantación , o cuando se puede estimar el número de partículas (para obtener el peso promedio de las partículas como el peso de la muestra dividido por el número de partículas en la muestra). Esta fórmula solo es válida cuando todas las partículas tienen la misma densidad.

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

dónde

${\displaystyle D}$: diámetro de la esfera representativa

${\displaystyle W}$: peso de la partícula

${\displaystyle d}$:densidad de partícula

${\displaystyle g}$: constante gravitacional

Tamaño de partícula aerodinámica

El tamaño de partícula hidrodinámica o aerodinámica es igual al diámetro de la esfera que tiene el mismo coeficiente de arrastre que una partícula dada.

Otra complejidad a la hora de definir el tamaño de las partículas en un medio fluido aparece en el caso de partículas con tamaños inferiores a un micrómetro . Cuando una partícula se vuelve tan pequeña, el espesor de la capa de interfaz se vuelve comparable con el tamaño de la partícula. Como resultado, la posición de la superficie de la partícula se vuelve incierta. Existe una convención para colocar esta superficie imaginaria en una posición determinada sugerida por Gibbs y presentada en muchos libros sobre la ciencia de las interfaces y los coloides . ^{[6] [7] [8] [9] [10] [2]}

Convenciones internacionales

Existe una norma internacional sobre la presentación de varios tamaños característicos de partículas, la ISO 9276 (Representación de resultados del análisis del tamaño de partículas). ^[11] Este conjunto de varios tamaños promedio incluye el tamaño mediano , el tamaño medio geométrico y el tamaño promedio . En la selección de partículas específicas de tamaño pequeño es común el uso de la ISO 565 y la ISO 3310-1 para la elección del tamaño de malla .

Partícula coloidal

En la ciencia de los materiales y la química coloidal , el término partícula coloidal se refiere a una pequeña cantidad de materia que tiene un tamaño típico de los coloides y con un límite de fase claro. Las partículas de la fase dispersa tienen un diámetro de entre aproximadamente 1 y 1000 nanómetros . Los coloides son heterogéneos por naturaleza, invisibles a simple vista y siempre se mueven en un movimiento aleatorio similar a un zigzag conocido como movimiento browniano . La dispersión de la luz por partículas coloidales se conoce como efecto Tyndall . ^[12]

Véase también

• Dispersión dinámica de la luz
• Tamaño del grano
• Análisis de difracción láser
• Micromeritica
• Tecnología de dispersión
• Diámetro medio de Sauter

Referencias

1. Maaß, S.; Wollny, S.; Voigt, A.; Kraume, M. (1 de febrero de 2011). "Comparación experimental de técnicas de medición para distribuciones de tamaño de gota en dispersiones líquido/líquido". Experimentos en fluidos . 50 (2): 259–269. Bibcode :2011ExFl...50..259M. doi :10.1007/s00348-010-0918-9. ISSN  1432-1114. S2CID  122702316.
2. Dukhin, AS y Goetz, PJ Caracterización de líquidos, nano y micropartículas y cuerpos porosos mediante ultrasonido , Elsevier, 2017 ISBN 978-0-444-63908-0 
3. "Sondas mesoscópicas". SOPAT | Análisis inteligente de partículas en línea . 2018-04-11 . Consultado el 2019-06-05 .
4. Hussain, Rubaiya; Alican Noyan, Mehmet; Woyessa, Getinet; Retamal Marín, Rodrigo R.; Antonio Martinez, Pedro; Mahdi, Faiz M.; Finazzi, Vittoria; Hazlehurst, Thomas A.; Hunter, Timothy N.; Coll, Tomeu; Stintz, Michael (12 de febrero de 2020). "Un analizador de tamaño de partículas ultracompacto que utiliza un sensor de imagen CMOS y aprendizaje automático". Light: Science & Applications . 9 (1): 21. Bibcode :2020LSA.....9...21H. doi : 10.1038/s41377-020-0255-6 . ISSN  2047-7538. PMC 7016131 . PMID  32128161. 
5. Guardani, R; Nascimento, CA O; Onimaru, R. S (2002-06-27). "Uso de redes neuronales en el análisis de la distribución del tamaño de partículas por difracción láser: pruebas con diferentes sistemas de partículas". Tecnología de polvos . 126 (1): 42–50. doi :10.1016/S0032-5910(02)00036-0. ISSN  0032-5910.
6. Lyklema, J. “Fundamentos de la ciencia de las interfaces y los coloides”, vol. 2, página 3.208, 1995
7. Hunter, RJ "Fundamentos de la ciencia coloidal", Oxford University Press, 1989
8. Dukhin, SS y Derjaguin, BV "Fenómenos electrocinéticos", J. Willey and Sons, 1974
9. Russel, WB, Saville, DA y Schowalter, WR “Dispersiones coloidales”, Cambridge University Press, 1989
10. Kruyt, HR “Colloid Science”, Elsevier: Volumen 1, Sistemas irreversibles, (1952)
11. Norma ISO 9276 "Representación de resultados de análisis de tamaño de partículas". Reseñas de 1998 a 2015.
12. Levine, Ira N. (2001). Química física (5.ª ed.). Boston: McGraw-Hill. pág. 955. ISBN 0-07-231808-2.

8. Clasificación de partículas en suspensión según la norma ISO 14644-1 Limpieza