浮选分离中气泡-曲面碰撞和附着过程的可视化研究

摘要

浮选分离是一种基于气—液—固三相界面的润湿和吸附的界面化学现象。浮选起源于矿物加工,最早在采矿过程中用来分离目标矿物,其原理是向浮选体系中通入微小的气泡,形成水、气以及目标颗粒的三相凝聚体系,在界面张力、水压力差和气泡上升浮力等多种力的共同作用下,促进微气泡稳定附着在目标颗粒上以达到分离效果。所以提高目标颗粒与微气泡的碰撞概率以及增强颗粒与微气泡的附着的稳定程度,是提高浮选分离效率的关键因素。显然,气泡-颗粒表面相互作用是一个复杂的物理化学过程,受许多因素的影响。目前对其作用机理还没有完全掌握,对其作用形式多定性描述,定量研究还很少。以往研究更多关注的是气泡与水平或倾斜面的碰撞和附着过程,缺少气泡与曲面固体的相互作用研究,所以本论文使用高速摄影技术在十二烷基硫酸钠(SDS)、茶皂素(Tea Saponin)和十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)三种表面活性剂溶液中还原单个气泡分别和亲水(玻璃)、疏水(Teflon)曲面碰撞和附着两个具体过程。再使用图像处理技术定量研究了气泡和亲水、疏水曲面碰撞速度,反弹距离、三相接触形成的条件与时间等主要内容,并根据经典润滑理论推导出气泡在固体曲面上的三相接触时间模型,更加直观理解各项因素对三相接触时间的影响。
　　对气泡-曲面碰撞过程研究表明:固体材料和表面活性剂对气泡第一次碰撞速度无影响,但表面活性剂浓度和类型变化对气泡反弹过程有明显影响。材料的不同对最大反弹距离没有影响,但最大反弹距离明显随着SDS浓度增大而减小,少量的SDS就能导致反弹距离大幅度降低约为13％。最大反弹距离在SDS溶液中最大,在CTMAB溶液中最小。气泡撞击曲面随着表面活性剂浓度增大碰撞恢复系数降低,在相同浓度的表面活性剂中,碰撞恢复系数在SDS溶液中最大,在CTMAB溶液中最小。从气泡动能变化的角度可知随着SDS浓度增大,它们的动能损耗都是逐渐增大的,这和恢复系数的变化情况相符合。和相同浓度的Tea Saponin、CTMAB溶液相比,在SDS溶液中气泡的动能损耗是最小的。
　　对气泡-曲面附着过程研究表明:材料的不同和表面活性剂浓度、类型变化都会对气泡附着过程产生影响。气泡只会附着在Teflon曲面上而不会在玻璃曲面发生附着。对于三种不同表面活性剂三相接触时间随浓度变化虽然各自不相同,但在各自溶液的CMC值时都不会和Teflon曲面发生三相吸附,其中三相接触时间随着SDS浓度增大而减小,但达到1×10-3mol/L之后反而增大。CTMAB浓度变化对三相接触时间影响不大。Tea Saponin溶液浓度变化对三相接触时间影响特别明显,浓度从1×10-5提高到1×10-4mol/L时,平均吸附时间从30ms增加到100ms;对于相同浓度不同类型的表面活性剂来说气泡在Tea Saponin溶液中达到稳定附着所需时间最长,在5x10-5mol/L Tea Saponin溶液中为50~90ms,在1x10-4mol/LTea Saponin溶液中为80~120ms,远大于其他溶液中气泡的三相接触时间(20~60ms)。根据文中推导出的气泡在曲面上的三相接触时间模型23ln2crTPCRhtFhπμ深入分析得出三相接触时间和气泡尺寸、溶液粘度、液膜临界破裂厚度密切相关,模型分析的结果和实验数据分析结果相吻合,说明可以运用此模型简单分析三相接触时间的各种影响因素。
　　本文的研究结果对于深入理解气泡碰撞和附着机理具有重要意义,也为实现浮选分离工艺的参数优化及效率提高提供了一定的理论基础。

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第一章 绪论

1.1 浮选技术原理

1.2 浮选技术分类

1.3 浮选技术应用

1.4 表面活性剂在浮选技术中的应用

1.5 本文主要研究内容

第二章 气泡-曲面碰撞和附着过程的基本理论

2.1 三相接触时间模型的推导

2.2 扩展DLVO理论在浮选中的应用

第三章 实验装置和方法

3.1 实验装置

3.2 实验方法

第四章 材料和表面活性剂对气泡-曲面碰撞和附着过程的影响

4.1材料和表面活性剂对气泡-曲面碰撞过程的影响

4.2材料和表面活性剂对气泡-曲面附着过程的影响

第五章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读学位期间发表论文和科研情况

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