Прочность такой сетчатой структуры зависит от прочности адгезионных и когезионных контаков. Адгезионный контакт возникает на границе твердое-жидкость, то есть это образование гидратной пленки на поверхности угольного зерна. Толщина гидратной пленки зависит от свойств поверхности частицы (гидрофильная или гидрофобная) и присутствия реагента-пластификатора. Кроме того, следует отметить особую роль зольной (минеральной) составляющей угля, которая активно участвует в создании структурной сетки путем, во-первых, модификации поверхности угольных зерен размокшими ультратонкими частичками глины, монтмореллонита (что гидрофилизирует угольную поверхность), во-вторых, занимая «узлы» тиксотропной сетчастой структуры.
При дальнейшем взаимодействии частиц друг с другом возникает и когезионный контакт – по гидратным пленкам.
Силу адгезионного контакта можно определить следующими составляющими:

где F_м.м. – межмолекулярные силы взаимодействия поверхностей твердое-жидкость (ван-дер-ваальсовые);
F_Н – водородные силы взаимодействия;
F_хим – силы химической связи.

При когезионном контакте:

где F_м.м.* - межмолекулярные силы взаимодействия поверхностей жидкость-жидкость;
F_Н* - водородные силы взаимодействия;
F_хим* - силы химической связи.

При сравнении значений сил сцепления частиц при адгезионном и когезионном контактах можно сделать вывод о прочности создавшейся пространственной структуры, а также потребности в пластификаторе или другом воздействии со стороны. ВВУС являются полидисперсными системами, которые содержат в себе частицы размером от коллоидных и до грубодисперсных. Если стабильность колоидных систем в основном обеспечивается за счет броуновского движения, то полидиспесных – за счет фиксации частичек в сплошной пространственной структурной сетке, которая образуется в результате возникновения коагуляционных или молекулярных контактов между ними (рис. 2).
Если в такой структурной сетке зафиксированы частицы коллоидных размеров, то их участие в броуновском движении ограничивается колебанием около положения равновесия, так как энергия теплового движения (3/2kT) ниже суммарной энергии связи частицы с соседними частицами.

Рис. 2 – Локальный коагуляционный контакт между частицами твердой фазы ВВУС

При наличии пространственной структуры, образованной сцеплением частиц дисперсных фаз между собой можно полагать, что критический размер частиц определяется из условия соизмеримости сил сцепления между ними в структурной сетке и их весом. Критический размер зерен твердой фазы суспензии можно определить, исходя из соотношени силы веса частицы и суммарных сил связи в структурной сетке:

G = mg = E F_c,

где G – вес угольного зерна;
m – масса частицы;
F_с – суммарная сила сцепления в контакте между частицами (проекция на вертикальную ось);
n – число контактов частицы с соседними (координационное число).
Учитывая, что эквивалентный диаметр зерна сферической формы определяется по уравнению:

d_экв = 1,24 (т/p)^1/3

Получим:

d_kp =(2F_c/pg)^1/3

где в нашем случае p = 1500 кг/м³ – плотность частиц (уголь – органическая масса).
Эмпирическим путем установлено, что размер частиц, участвующих в образовании прочной пространственной структуры, составляет порядка 10^-4 – 10^-5 м (10-100 мкм).

Выводы.

1. Седиментационная устойчивость ВВУС определяется образованием и характеристиками пространственных тиксотропных структур, которые возникают в высококонцентрированных суспензиях за счет граничных контактов зерен по гидратным пленкам. Прочность этих структур в свою очередь определяется прочностью адгезионных (твердое – жидкость) и когезионных (жидкость – жидкость) контактов.

2. Максимальный (критический) размер d_кр частиц устойчивой суспензии определяется исходя из условия равенства веса частицы и суммарных сил связи в структурной сетке.

НАЗАД