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浮選兩相泡沫排液過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)
來(lái)源:徐夢(mèng)迪 瀏覽 978 次 發(fā)布時(shí)間:2022-10-20
泡沫穩(wěn)定機(jī)制對(duì)浮選過(guò)程強(qiáng)化具有重要理論與實(shí)際意義,論文以浮選兩相泡沫為對(duì)象,系統(tǒng)開展泡沫排液過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)研究。從宏觀泡沫性質(zhì)出發(fā),研究了典型鹽離子(Na Cl)及表面活性劑(甲基異丁基甲醇,MIBC;十二烷基硫酸鈉,SDS;十二烷基三甲基溴化銨,DTAB)對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響,并選取泡沫中的“氣泡對(duì)”基本單元,研究氣泡的兼并行為;通過(guò)微納尺度下氣泡間液膜排液動(dòng)力學(xué)和氣泡間相互作用力的動(dòng)態(tài)演化研究,揭示了鹽離子及表面活性劑體系下的兩相泡沫穩(wěn)定機(jī)理,為浮選泡沫穩(wěn)定性提供新的認(rèn)識(shí)。
借助復(fù)合泡沫掃描儀(Foamscan)進(jìn)行Na Cl、MIBC、SDS及DTAB體系下宏觀泡沫生長(zhǎng)衰變動(dòng)力學(xué)研究,研究表明Na Cl、MIBC、SDS及DTAB均可以增加泡沫穩(wěn)定性,泡沫層體積及半衰期均增加,表面活性劑穩(wěn)泡能力明顯大于Na Cl,且呈現(xiàn)出SDSDTABMIBC的規(guī)律;氣液界面的水化能力增強(qiáng)導(dǎo)致泡沫液體含量和宏觀排液速率增加,宏觀排液速率與泡沫液體含量呈正相關(guān);Na Cl和表面活性劑能夠通過(guò)抑制氣泡兼并來(lái)減小氣泡尺寸。分別研究了Na Cl和表面活性劑對(duì)溶液表面張力的影響,發(fā)現(xiàn)溶液表面張力隨Na Cl的加入略微增加,而隨表面活性劑的加入顯著降低,表面活性劑降低溶液表面張力的能力按SDS、DTAB、MIBC順序遞減。Na Cl的穩(wěn)泡機(jī)理可能來(lái)源于鈉離子在氣液表面的特性離子吸附效應(yīng),而表面活性劑的穩(wěn)泡作用主要是由體系表面張力降低造成。
通過(guò)氣泡動(dòng)態(tài)兼并可視化系統(tǒng)研究了氣泡微觀兼并過(guò)程,并重點(diǎn)考察了兼并時(shí)間變化。研究發(fā)現(xiàn)去離子水中氣泡在接觸后快速發(fā)生兼并,兼并時(shí)間隨氣泡接近速度的增大而減??;隨著Na Cl、MIBC、SDS及DTAB的加入,氣泡兼并時(shí)間隨濃度增加而增加,當(dāng)SDS及DTAB濃度為10~(-5)及10~(-3)mol/L時(shí),氣泡不再發(fā)生兼并。采用動(dòng)態(tài)液膜分析儀(DFA)進(jìn)行微觀液膜排液動(dòng)力學(xué)研究。首先通過(guò)薄膜顯微干涉技術(shù)記錄液膜排液過(guò)程中的干涉條紋序列完成了液膜時(shí)空演化云圖重構(gòu),具體表現(xiàn)為:去離子水中液膜快速薄化,在0.92 s時(shí)刻發(fā)生破裂,臨界破裂厚度為25.46 nm,Na Cl和表面活性劑的加入能夠減緩液膜排液,提高液膜穩(wěn)定性。
氣泡大小和接近速度對(duì)穩(wěn)態(tài)液膜排液過(guò)程影響研究表明,隨著氣泡尺寸增加,體系Laplace驅(qū)動(dòng)力減小,液膜排液速率降低,平衡膜厚度增加;隨著氣泡接近速度增加,因流體阻力作用的氣液界面發(fā)生“淺凹”形變,速度對(duì)最終平衡膜厚度的影響不大。采用Stokes-Reynolds-Young-Laplace(SRYL)方程對(duì)排液動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分求解獲得了氣泡間曲率壓力及分離壓力變化。去離子水中,在遠(yuǎn)程范圍內(nèi)(250 nm)氣泡的曲率壓力是液膜排液的主要驅(qū)動(dòng)力,當(dāng)液膜厚度減小至250 nm時(shí),體系開始出現(xiàn)吸引性分離壓力作用,液膜在此吸引力的作用下快速薄化破裂。結(jié)合擴(kuò)展DLVO理論發(fā)現(xiàn)此引力主要來(lái)源于氣泡間的疏水力作用,疏水力是誘發(fā)去離子水中氣泡間液膜薄化破裂的根本原因。
Na Cl和表面活性劑表現(xiàn)出不同程度的穩(wěn)泡效應(yīng)均是通過(guò)抑制氣泡間疏水引力實(shí)現(xiàn),對(duì)疏水力的抑制能力由大到小依次為:SDSDTABMIBCNa Cl。為驗(yàn)證前文Na Cl和表面活性劑基于抑制疏水力的共性穩(wěn)泡機(jī)制,采用原子力顯微鏡(AFM)氣泡探針技術(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)液膜氣泡間相互作用力進(jìn)行了直接測(cè)試,借助SRYL模型對(duì)試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行理論擬合,分析穩(wěn)態(tài)液膜氣泡間分離壓力組分及其動(dòng)態(tài)演化。結(jié)果表明,10~(-5)mol/L SDS溶液中氣泡間相互作用力始終表現(xiàn)為斥力作用;當(dāng)氣泡表面電勢(shì)為-105 m V,溶液德拜長(zhǎng)度為75 nm時(shí),經(jīng)典DLVO理論可以很好地?cái)M合試驗(yàn)數(shù)據(jù),SDS實(shí)現(xiàn)了氣泡間疏水引力的有效屏蔽。
此外,氣泡間排斥力隨著接近速度的增加而增加,通過(guò)增加AFM Setpoint(外部壓力)仍無(wú)法有效觸發(fā)液膜破裂,氣泡間液膜具有很強(qiáng)的能力抵抗外力干擾,液膜云圖求解發(fā)現(xiàn)氣泡可以通過(guò)變形(即液膜沿徑向擴(kuò)張)來(lái)抵抗外力,平坦膜區(qū)域隨外力的增加逐漸增加?;谑杷σ种频膬上嗯菽€(wěn)定性機(jī)制將為浮選泡沫穩(wěn)定性調(diào)控提供借鑒。