Settling in Aggregating Colloidal Suspensions

Abstract

Résumé -Agrégation et sédimentation dans les suspensions colloïdales -Dans une suspension colloïdale où les particules s'agrègent, il existe une gamme de fractions volumiques pour laquelle la suspension forme un gel si fragile qu'il se tasse sous son propre poids. Nous présentons une étude de la cinétique de sédimentation d'un gel colloïdal formé par une suspension de particules de carbonate de calcium dans l'eau. La fraction volumique des particules a été systématiquement variée et différents régimes de sédimentation ont été observés. Les résultats expérimentaux sont décrits en utilisant un modèle 1D qui prend en compte à la fois la structure microscopique du gel colloïdal, assimilé à un empilement compact d'agrégats fractals, et ses propriétés mécaniques. L'angle d'inclinaison de la cellule par rapport à la verticale a également été varié et nous montrons que l'inclinaison peut induire l'apparition de nouveaux régimes de sédimentation. Les résultats, qui correspondent à une large gamme de conditions expérimentales, sont résumés dans un diagramme représentant les variations de Φ et α. L'influence de l'inclinaison de la cellule a pu être décrite par un modèle 2D utilisant les résultats du modèle 1D introduit précédemment, ainsi que les arguments du modèle PNK (Ponder, Nakamura et Kuroda), classiquement utilisé pour décrire la sédimentation de suspensions de particules macroscopiques dans une géométrie inclinée. La description proposée est non seulement en très bon accord avec les résultats expérimentaux mais permet également de prédire le comportement de ce type de suspensions colloïdales, qui sont utilisées dans de nombreux processus industriels.Mots-clés : gel colloïdal, sédimentation, effet Boycott, agrégats fractals. Abstract -Settling in Aggregating Colloidal

Modelling a hydrodynamic instability in freely settling colloidal gels

“…Therefore, it was assumed that streamers form from natural density fluctuations. It is entirely plausible and fully compatible with the model that paths of preferred fluid back flow are seeded by other restructuring and aggregation processes, for example: bubbles which rise through the network, or foreign objects and debris falling through the gel (Senis et al 2001;Teece et al 2014;Harich et al 2016). As shown in §3.3 with controlled simulations, a seeded initial channel radius R 0 produces the same collapse dynamics, which are universally described by the phenomenological model.…”

“…The experiments observe the nucleation and growth of a large channel that is absent of particles, which provides a path for significant fluid back flow through it, a so-called "streamer". It grows in radius, and eventually also spans the height of the gel column, causing a small "eruption" at the interface between the supernatant and the settling gel (Senis et al 2001), when catastrophic loss of network integrity occurs. It has been hypothesized that compacting gel fragments breaking off from the top interface fall through the dilute network, and are responsible for the creation of the streamers that generate the hydrodynamic back flow and subsequent instability (Harich et al 2016).…”

Electrical conductivity measurements and the nonhomogeneous settling behavior of aqueous suspensions of barite

“…in the literature as a recurrent sedimentation phenomenon in Newtonian fluids, in situations where particles are dispersed in colloidal suspensions 23,24 or tend to form floccules. 19,[41][42][43]…”

“…23,24 Thus, on account of its microscopic structure, the settling dynamics of such a colloidal system strongly differs from the one observed in usual macroscopic suspensions constituted by non-Brownian particles. 24 Based on the discussions above, the sedimentation of aqueous suspensions is still a nonconsolidated theme, with much more to be gained in understanding. Hence, this article focuses on the less wellunderstood sedimentation areas, describing some atypical behaviors observed in the sedimentation of a polydisperse, industrial-grade, water-barite suspension monitored by electrical conductivity measurements.…”

“…As a convergence point, those studies have shown that settling is homogeneous in macroscopic suspensions of non‐Brownian particles. However, the scientific literature has also reported particle agglomeration as a recurrent settling phenomenon in Newtonian fluids where particles are dispersed in colloidal suspensions 23,24 . Thus, on account of its microscopic structure, the settling dynamics of such a colloidal system strongly differs from the one observed in usual macroscopic suspensions constituted by non‐Brownian particles 24 …”