松油醇液相體系中氣泡的特性研究

彭德強(qiáng)，樊玉萍，董憲姝

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，山西 太原 030024；2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

在氣液兩相流或氣液固三相流中，氣泡在其中起主要作用，如水質(zhì)處理中的曝氣過(guò)程[1]，礦業(yè)中的浮選過(guò)程[2，3]。氣泡尺寸是這些工業(yè)過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)[4]，為了控制這一參數(shù)，常采用加入表面活性劑的方式來(lái)調(diào)控氣泡尺寸及穩(wěn)定性。加入的表面活性劑主要以起泡劑為主。起泡劑在調(diào)節(jié)液相方面主要影響了液相的表面張力[5]和黏度[6]，并因此影響了液相中的氣泡尺寸[7-10]。國(guó)內(nèi)外研究表明起泡劑對(duì)氣泡尺寸的影響主要抑制了氣泡兼并行為[11，12]而使氣泡尺寸變小。本文旨在研究充氣狀態(tài)下，松油醇對(duì)氣泡行為的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[13]如圖1所示。該系統(tǒng)包含三部分：Ⅰ輔助系統(tǒng)，Ⅱ氣泡觀測(cè)系統(tǒng)，Ⅲ圖像獲取及處理系統(tǒng)。

1—平行光源；2—?dú)怏w罐；3—壓力表；4—流量計(jì)；5—噴嘴；6—觀察槽；7—高速攝像機(jī)；8—計(jì)算機(jī)圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及條件

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的表面活性劑為松油醇(分析純)，成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)，含量大于等于98.0%，相對(duì)密度0.931～0.935。生成的氣泡的高壓氣體為空氣。

松油醇液相體系中松油醇的體積濃度分別為0.04%、0.08%、0.14%和0.28%，配制液相體系的溶劑為去離子水。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的充氣壓力為0.1MPa，充氣速率為0.8L/min，向液相中充入壓縮空氣。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1)液相表面張力。表面張力的測(cè)量利用表面張力儀采用靜態(tài)掛法進(jìn)行獲取。設(shè)備采用上海中晨生產(chǎn)的Powereach表面張力儀。

2)圖像的采集與識(shí)別。圖像采集及圖形處理系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)和圖形處理軟件組成。氣泡圖像采集通過(guò)高速攝像機(jī)在平行光下拍攝一組連續(xù)的2048×2048像素的圖像。氣泡的圖像識(shí)別是將采集的圖像利用SimplePCI軟件進(jìn)行處理，識(shí)別、計(jì)算并統(tǒng)計(jì)氣泡的特征值。

3)氣泡速度。氣泡速度是通過(guò)相鄰兩幀圖像中同一個(gè)氣泡形心位置的變化來(lái)計(jì)算的。計(jì)算公式為：

式中，s2-s1是Δt時(shí)間內(nèi)同一氣泡的形心位移。

2 結(jié)果與討論

2.1 液相體系的表面張力

松油醇-液相混合體系以松油醇的體積濃度0.2%，0.4%，0.8%的比例進(jìn)行配制。配制過(guò)程中，由于松油醇不溶于水中，三種液相體系的表面張力結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中數(shù)據(jù)分析可知，松油醇濃度改變時(shí)，表面張力隨之減小，之后數(shù)值基本維持在38.7×10-3N/m左右，從理論分析松油醇濃度達(dá)到了臨界膠束濃度，但是從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，松油醇漂浮在液相表面，所測(cè)得的這個(gè)數(shù)值不能代表液相內(nèi)部的表面張力。原因在于表面張力的測(cè)量采用靜態(tài)掛片法測(cè)量，試驗(yàn)時(shí)漂浮在液面上的松油醇與鉑金片優(yōu)先接觸并包裹在鉑片上，導(dǎo)致表面張力數(shù)值不變。

表1 不同松油醇體積濃度液相表面張力

松油醇液相體系的不均勻性，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)有一定的偏差，為了保證實(shí)驗(yàn)的精確性，本文將松油醇乙醇混合溶液加入到去離子水中使之成為均相體系。這種均相體系的表面張力結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同松油醇體積濃度液相的表面張力

從圖2中曲線分析可知，隨著松油醇濃度的增加，液相體系表面張力降低。這種降低分為兩個(gè)趨勢(shì)：體積濃度小于0.2%時(shí)，表面張力下降幅度大，體積濃度大小0.2%時(shí)，液相體系表面張力下降幅度低。

在松油醇-乙醇-去離子水液相體系中，液相體系的表面張力變化有兩個(gè)原因：一是松油醇起主導(dǎo)作用，二是乙醇起主導(dǎo)作用。因此為了區(qū)分松油醇和乙醇對(duì)混合液相體系表面張力變化，對(duì)乙醇-去離子水液相體系的表面張力進(jìn)行了研究，結(jié)果見(jiàn)表2，表2中乙醇的體積濃度與松油醇-乙醇-去離子水液體溶液中乙醇的體積濃度相同，測(cè)試時(shí)溫度為25℃。

表2 不同乙醇濃度液相體系的表面張力

由表2數(shù)據(jù)分析可知，乙醇-去離子水液相體的表面張力遠(yuǎn)大于同體積乙醇濃度下松油醇-乙醇-去離子水液相體系的表面張力，因此，乙醇在松油醇-乙醇-去離子水液相體系對(duì)表面張力的改變不占主導(dǎo)地位，引起液相體系表面張力變化的主因是松油醇次因是乙醇。根據(jù)表2結(jié)果分析可知，在乙醇體積濃度小于0.68%時(shí)，乙醇液相體系的表面張力變化不大，而圖2中松油醇濃度超過(guò)0.2%時(shí)表面張力仍然下降的原因是乙醇的存在增加了松油醇在液相中的分散，改變了液相的表面張力。

由于松油醇-乙醇-去離子水液相體系的表面張力曲線沒(méi)有明顯的臨界膠束濃度(CMC)點(diǎn)，因此在配制松油醇-乙醇-去離子水液相體系時(shí)，選取了松油醇體積濃度為0.04%，0.08%，0.14%，0.28%配制液相系，前三個(gè)數(shù)值處于表面張力下降較快的階段，后一個(gè)數(shù)值取自表面張力下降較小的區(qū)域。

2.2 氣泡的直徑

測(cè)量液相中氣泡的特征參數(shù)時(shí)，一般采用氣泡的體積、氣泡的直徑等表征氣泡的大小。在計(jì)算氣泡體積時(shí)常采用模型計(jì)算法，根據(jù)生成的氣泡條件選擇相適應(yīng)的計(jì)算模型[14]。此種方法需要人工判別氣泡的形狀并選擇公式計(jì)算，步驟較為繁瑣，為了更快地判別氣泡的大小，本文利用圖形處理軟件SimplePCI識(shí)別氣泡的面積進(jìn)而推算氣泡的直徑。

氣泡產(chǎn)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種形式的氣泡，一種是體積恒定型，一種是體積增大型[15]。當(dāng)充氣速率較小時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生體積恒定型氣泡，當(dāng)充氣速率較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生體積增大型氣泡。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理的正確性，以體積恒定型氣泡直徑為例說(shuō)明理論直徑與實(shí)際直徑的關(guān)系。根據(jù)Tate定律[16，17]，氣泡的大小與生成管口直徑和液相的表面張力有關(guān)，由此計(jì)算出氣泡的理論直徑見(jiàn)表3。

表3 氣泡的理論直徑

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，隨著松油醇濃度的增加，氣泡的理論計(jì)算直徑變小，原因是表面張力減小使得氣泡的直徑隨之變小。根據(jù)理論氣泡直徑的理論計(jì)算條件可知，在小充氣速率情況下，氣泡的這一理論直徑是恒定的[15]，因此這一理論直徑可以作為區(qū)分氣泡是否破碎的分界點(diǎn)，可以稱這個(gè)直徑為分界直徑。本文中，為了區(qū)分氣泡直徑區(qū)域，將氣泡直徑大小3mm稱之為大直徑氣泡，直徑小于3mm氣泡稱為小直徑氣泡。

充氣速率0.8L/min時(shí)不同松油醇濃度中生成的氣泡直徑大小如圖3所示。由圖3可知，在不同的松油醇體積濃度下，產(chǎn)生氣泡的直徑特征整體上是一致的：氣泡直徑隨液相表面張力的減小，氣泡直徑也隨之減小。當(dāng)松油醇濃度為0.04%時(shí)，大直徑氣泡數(shù)量多且分布的直徑范圍較小，處于4.5mm到6.5mm之間，小直徑氣泡數(shù)量少且直徑降幅??；當(dāng)松油醇濃度為0.08%時(shí)，大直徑氣泡數(shù)量較松油醇濃度為0.04%時(shí)要少，小直徑氣泡數(shù)量較多且分布的直徑范圍?。划?dāng)松油醇濃度為0.14%和0.28%時(shí)，兩者的變化趨勢(shì)完全相同，區(qū)別是氣泡的直徑大小不同。大直徑氣泡產(chǎn)生的原因在于，氣泡從管口脫離時(shí)相鄰氣泡產(chǎn)生了兼并，小氣泡產(chǎn)生的原因在于，氣泡的持續(xù)產(chǎn)生使液相環(huán)境產(chǎn)生了波動(dòng)，在氣泡生成過(guò)程中尚未達(dá)到恒定體積，液相的波動(dòng)切割了氣泡的形成時(shí)間，增加了氣泡的生成頻率，從而產(chǎn)生了小直徑氣泡。

圖3 不同松油醇濃度下的氣泡直徑

2.3 氣泡的直徑分布

為了更好地分析產(chǎn)生的氣泡直徑狀況，將氣泡的當(dāng)量直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并以0.5mm的區(qū)間間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)直徑的數(shù)量，再將統(tǒng)計(jì)的氣泡數(shù)量轉(zhuǎn)化成氣泡直徑的概率密度分布，如圖4所示。

圖4氣泡直徑概率分布圖

由圖4可知，氣泡的概率分布圖呈兩峰曲線狀態(tài)，說(shuō)明氣泡的直徑兩極化分布嚴(yán)重，在大直徑區(qū)峰值分布在4.5～5mm左右，在小直徑區(qū)曲線的峰值分布有所不同：松油醇濃度為0.04%時(shí)，峰值在2mm左右；松油醇濃度在0.08%時(shí)，峰值在1mm左右；當(dāng)松油醇濃度為0.14%和0.28%時(shí)，峰值在0.75mm左右。從圖4曲線還可以看出，隨著松油醇濃度增加，小氣泡占有的比例增加，表現(xiàn)在曲線上，峰2曲線的閉合區(qū)域面積增大。這個(gè)特征也可在累計(jì)概率分布值的大小體現(xiàn)出來(lái)，如圖5所示，通過(guò)曲線斜率可以分析氣泡數(shù)量的多少：在曲線的初始階段，斜率越大，說(shuō)明斜率對(duì)應(yīng)直徑部分的氣泡所占的比例越大，斜率小說(shuō)明對(duì)應(yīng)直徑部分氣泡所占的比例越小。在直徑大于3mm部分，松油醇濃度越大，累計(jì)概率分布曲線的斜率越小，說(shuō)明大直徑氣泡所占的比例隨松油醇濃度的增大而減小。在直徑小于3mm部分，累計(jì)概率分布曲線斜率隨松油醇濃度的增大而增大，說(shuō)明小直徑氣泡所占的比例增大。

圖5 氣泡直徑累計(jì)概率分布

2.4 氣泡的形變——圓形度

用圓形度[18]來(lái)表示氣泡的形變是近幾年應(yīng)用于礦業(yè)的，其計(jì)算方法是基于識(shí)別氣泡面積和識(shí)別氣泡周長(zhǎng)的一種比值關(guān)系，即：

式中，Rr為圓形度；A為識(shí)別氣泡的面積；P為識(shí)別氣泡的周長(zhǎng)。

為了標(biāo)定軟件識(shí)別的圓形度值，分別繪制了人造氣泡圖(圖6)，圖6中的圖形分別代表了寬高比為1∶3，1∶2.5，1∶2，1∶1.5，1∶1，1.5∶1，2∶1，2.5∶1，3∶1的人造氣泡。對(duì)其識(shí)別計(jì)算得到的圓形度，結(jié)果如圖7所示。并以此將氣泡的形變分為小形變區(qū)Rr>0.8、中等形變區(qū)0.7

圖6 寬高比不同的氣泡

圖7 寬高比與氣泡圓形度關(guān)系擬合曲線

松油醇-乙醇-去離子水體系中生成的氣泡形變可以通過(guò)氣泡的圓形度來(lái)表示，在不同的松油醇體積濃度下，氣泡的圓形度跟直徑的關(guān)系如圖8所示。

圖8 氣泡圓形度

由圖8可知，氣泡直徑分布在以3mm為分界的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)，也與氣泡的概率分布相一致。氣泡的圓形度小于0.7區(qū)域出現(xiàn)了少量小直徑氣泡。隨著松油醇濃度的增加，小直徑氣泡的圓形度處在中等形變區(qū)和小形變區(qū)。油醇體積濃度為0.04%時(shí)產(chǎn)生氣泡的圓形度主要處于0.7～0.8區(qū)間，即氣泡處于中等變形區(qū)；且氣泡的直徑分布區(qū)域主要集中在4～7mm，這也與氣泡的概率分布區(qū)間保持一致。松油醇體積濃度為0.08%時(shí)產(chǎn)生的氣泡圓形度相對(duì)均勻地分布在小形變區(qū)和中等形變區(qū)。當(dāng)松油醇濃度為0.14%和0.28%時(shí)產(chǎn)生的氣泡圓形度主要分布在小變形區(qū)(Rr>0.8)，說(shuō)明松油醇濃度越高，氣泡圓形度越大，即氣泡的形變?cè)叫　?/p>

2.5 氣泡的運(yùn)動(dòng)速度

氣泡的運(yùn)動(dòng)速度是通過(guò)計(jì)算相鄰兩幀圖像氣泡的形心位置變化而得到的數(shù)據(jù)。在松油醇-乙醇-去離子水體系中，產(chǎn)生氣泡的運(yùn)動(dòng)速度如圖9所示。可以看出，隨著松油醇濃度的增加，氣泡速度有減小趨勢(shì)。分析原因如下：松油醇濃度增加，在液相中分子的密度增大，在氣泡上升的過(guò)程中，吸附在氣泡表面的松油醇分子由于受到周圍流體的沖刷作用使得松油醇分子的分布不均勻，從而產(chǎn)生了表面張力梯度，引發(fā)Marangoni效應(yīng)，促使氣泡底部的松油醇分子向頂部擴(kuò)散，從而導(dǎo)致氣泡所受的曳力增大，阻滯了氣泡表面液體的流動(dòng)性，從而使氣泡速度減小，形變減小[18]。

圖9 氣泡速度

為了更好地表征氣泡速度在液相中的特征，本文統(tǒng)計(jì)了豎直高度上氣泡的平均運(yùn)動(dòng)速度，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同高度位置的平均速度

從圖10可知，氣泡的平均速度具有一定的波動(dòng)周期性，在豎直高度表現(xiàn)出了波動(dòng)周期為50mm左右，氣泡運(yùn)動(dòng)速度的周期性變化的范圍基本維持在0.3m/s到0.55m/s。

氣泡的運(yùn)動(dòng)速度在豎直高度的規(guī)律，也可能通過(guò)氣泡在豎直方向速度變化來(lái)驗(yàn)證。選取直徑為5mm左右氣泡，計(jì)算該氣泡從生成進(jìn)入液相到離開液相時(shí)在不同高度位置的瞬時(shí)速度，如圖11所示。氣泡在上升過(guò)程中存在著周期性的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，這個(gè)周期與氣泡速度的統(tǒng)計(jì)規(guī)律類似但又有不同：松油醇濃度為0.04%時(shí)，波動(dòng)周期長(zhǎng)度為45mm左右與統(tǒng)計(jì)的波動(dòng)周期50mm不同；松油醇濃度為0.08%時(shí)，波動(dòng)周期長(zhǎng)度為50mm；松油醇濃度為0.14%時(shí)，單個(gè)氣泡的運(yùn)動(dòng)周期長(zhǎng)度為50mm；松油醇濃度為0.28%時(shí)，單個(gè)氣泡運(yùn)動(dòng)速度周期不明顯。

圖11 氣泡不同位置的瞬時(shí)速度

氣泡在上升時(shí)，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度范圍在0.3m/s到0.55m/s之間，并呈周期性波動(dòng)變化。氣泡速度波動(dòng)的原因：①根據(jù)氣泡運(yùn)動(dòng)速度公式分析可知?dú)馀菰谌S空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為二維圖像時(shí)會(huì)丟失某一維方向的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)的大小本身就是波動(dòng)的，依此計(jì)算的氣泡速度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)；②液相周期性的波動(dòng)影響氣泡的運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)氣泡運(yùn)動(dòng)速度方向與波動(dòng)方向相同時(shí)會(huì)加強(qiáng)氣泡的速度，波動(dòng)方向與氣泡速度方向相反時(shí)會(huì)減弱氣泡的速度。

3 結(jié) 論

松油醇-乙醇液相體系中，松油醇濃度增加，表面張力減小，直至表面張力值基本恒定。在選取的四種不同濃度體系中，產(chǎn)生的氣泡行為具有以下特征：

1)松油醇濃度變化，氣泡直徑隨之變化，在相同的充氣速率下，隨松油醇濃度升高氣泡的直徑變小，而且呈兩分化趨勢(shì)。

2)氣泡的形變隨著松油醇濃度的升高而變小，表現(xiàn)在圓形度上，小直徑氣泡的圓形度較高。

3)氣泡速度有周期性變化，統(tǒng)計(jì)規(guī)律研究表明，氣泡速度在高度上產(chǎn)生的波動(dòng)周期長(zhǎng)度為50mm左右。