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浮選兩相泡沫排液過程及其動力學(xué)
來源：徐夢迪 瀏覽 1921 次 發(fā)布時間:2022-10-20
泡沫穩(wěn)定機(jī)制對浮選過程強(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象，系統(tǒng)開展泡沫排液過程及其動力學(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)對泡沫穩(wěn)定性的影響，并選取泡沫中的“氣泡對”基本單元，研究氣泡的兼并行為；通過微納尺度下氣泡間液膜排液動力學(xué)和氣泡間相互作用力的動態(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。
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衰變動力學(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抑制氣泡兼并來減小氣泡尺寸。分別研究了Na Cl和表面活性劑對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。
通過氣泡動態(tài)兼并可視化系統(tǒng)研究了氣泡微觀兼并過程，并重點(diǎn)考察了兼并時間變化。研究發(fā)現(xiàn)去離子水中氣泡在接觸后快速發(fā)生兼并，兼并時間隨氣泡接近速度的增大而減小；隨著Na Cl、MIBC、SDS及DTAB的加入，氣泡兼并時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，氣泡不再發(fā)生兼并。采用動態(tài)液膜分析儀(DFA)進(jìn)行微觀液膜排液動力學(xué)研究。首先通過薄膜顯微干涉技術(shù)記錄液膜排液過程中的干涉條紋序列完成了液膜時空演化云圖重構(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穩(wěn)態(tài)液膜排液過程影響研究表明，隨著氣泡尺寸增加，體系Laplace驅(qū)動力減小，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，速度對最終平衡膜厚度的影響不大。采用Stokes-Reynolds-Young-Laplace(SRYL)方程對排液動力學(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)動力，當(dāng)液膜厚度減小至250 nm時，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)均是通過抑制氣泡間疏水引力實(shí)現(xiàn)，對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)對穩(wěn)態(tài)液膜氣泡間相互作用力進(jìn)行了直接測試，借助SRYL模型對試驗(yàn)測試值進(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)氣泡表面電勢為-105 m V，溶液德拜長度為75 nm時，經(jīng)典DLVO理論可以很好地擬合試驗(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，通過增加AFM Setpoint(外部壓力)仍無法有效觸發(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)氣泡可以通過變形(即液膜沿徑向擴(kuò)張)來抵抗外力，平坦膜區(qū)域隨外力的增加逐漸增加。基于疏水力抑制的兩相泡沫穩(wěn)定性機(jī)制將為浮選泡沫穩(wěn)定性調(diào)控提供借鑒。