基于微氣泡殘留的疏水性顆?！?dú)馀菝摳叫聶C(jī)制研究

尹青臨 丁世豪 何 琦 邢耀文 張友飛 王鈺賽 桂夏輝

（1.中國礦業(yè)大學(xué)國家煤加工與潔凈化工程技術(shù)研究中心，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

浮選是利用礦物表面的疏水性差異實(shí)現(xiàn)有用礦物回收的一種界面分離技術(shù)[1-3]，礦物顆粒表面的物理化學(xué)性質(zhì)決定了顆粒在氣泡表面的黏附強(qiáng)度。顆粒氣泡碰撞、黏附及脫附在浮選過程中能直接決定浮選回收率[4-6]。顆粒首先在礦漿中與氣泡發(fā)生碰撞，疏水顆粒與氣泡間的液膜逐漸薄化、破裂，形成三相潤濕周邊[7-9]，最后顆粒粘附到氣泡上隨氣泡上升，形成精礦，也有部分顆粒在氣泡上升過程中脫附，進(jìn)入尾礦，從而降低了浮選回收率[10-13]。

脫附是導(dǎo)致粗顆粒浮選回收率低的重要原因，為此國內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。NUTT[14]對黏附在氣泡上的球形顆粒施加流場，通過離心力的作用使顆粒從氣泡上脫附，研究了脫附過程的毛細(xì)管力、浮力和離心力，并建立了三種力的計(jì)算模型。隨后，NGUYEN[15]、VIGDERGAUR 和 SCHULZE[16-17]等進(jìn)一步完善了顆粒-氣泡力學(xué)理論，并確定了顆粒-氣泡黏附的靜態(tài)幾何模型。SCHULZE[18]通過研究發(fā)現(xiàn)，氣泡處于渦流中心時(shí)，顆粒在氣泡表面做離心運(yùn)動，當(dāng)離心力大于毛細(xì)力時(shí)，顆粒從氣泡上脫附。WANG等[19]借助高速動態(tài)攝像機(jī)觀察到了渦流內(nèi)氣泡表面顆粒的離心運(yùn)動，證明了SCHULZE提出的湍流場中離心力引起脫附的理論。

現(xiàn)階段浮選顆粒-氣泡脫附理論逐漸走向成熟，經(jīng)典脫附理論認(rèn)為顆粒-氣泡脫附過程主要分為兩個階段，氣泡拉伸階段和氣泡滑移階段[20-22]。在氣泡拉伸階段，三相潤濕周邊固定在顆粒表面，顆粒-氣泡間接觸角由平衡接觸角逐漸增大到前進(jìn)接觸角；氣泡滑移階段，接觸角保持不變，三相潤濕周邊滑動減小直至脫附。與此同時(shí)，WANG等[2]在研究顆粒-氣泡脫附時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣泡從顆粒上脫附會殘留下一個微氣泡。丁世豪等[22]在利用高速動態(tài)攝像機(jī)觀察顆粒-氣泡脫附過程中，也發(fā)現(xiàn)了相同的現(xiàn)象。NUYEN[23]在疏水硅片上放置一個氣泡，通過旋轉(zhuǎn)硅片使氣泡脫附，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)三相潤濕周邊并不是在顆粒表面完成滑動脫附，而是在靠近顆粒表面處形成的毛細(xì)頸部完成斷裂脫附，并在顆粒表面留下微氣泡，但對于斷裂脫附及殘留微氣泡機(jī)理尚未提出充分解釋。

因此，為了探究浮選疏水性顆粒-氣泡間脫附行為機(jī)理，本文利用自制的浮選顆粒-氣泡脫附測試系統(tǒng)對不同疏水性顆粒的脫附過程進(jìn)行觀測，并借助Image-Pro Plus圖像處理軟件對顆粒-氣泡間接觸角、三相潤濕周邊變化進(jìn)行測量，研究浮選顆粒-氣泡間斷裂脫附機(jī)理，闡明顆粒表面疏水性對殘留微氣泡影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用2 mm的石英微珠作為試驗(yàn)對象。先用丙酮、乙醇、去離子水清洗石英微珠并將其烘干，再用等離子體對石英微珠清洗，除去表面的有機(jī)污染物。取少量三氯十八烷基硅烷（OTS）溶液溶于甲苯中，配置成OTS-甲苯溶液。將清洗后的石英微珠浸泡于OTS-甲苯溶液進(jìn)行疏水化處理，通過控制浸泡時(shí)間的不同來控制石英微珠疏水化程度，最終得到3種不同疏水程度的石英微珠。石英微珠疏水化處理后依次采用丙酮、乙醇、超純水對樣品進(jìn)行清洗。再用環(huán)氧樹脂將石英微珠固定在J狀不銹鋼桿上。在液相環(huán)境中，測量黏附在顆粒上的氣泡與顆粒的接觸角[24]，得到 3 種石英微珠接觸角依次為 67.0°、83.9°、98.7°。

1.2 試驗(yàn)方法

構(gòu)建了浮選顆粒-氣泡脫附測試系統(tǒng)[25]，示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)由i-SPEED221型高速動態(tài)攝像機(jī)、激振器、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水槽、光源等部分組成。

將黏有疏水石英珠的J狀不銹鋼桿固定在震蕩脫附測試系統(tǒng)的執(zhí)行端，并將石英微珠浸沒在盛有超純水的石英水槽中；打開高速動態(tài)攝像機(jī)和光源，調(diào)整相機(jī)位置與放大倍數(shù)以使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中呈現(xiàn)出清晰的圖像。通過注射器在石英微珠表面注射形成一個直徑1.93 mm的初始?xì)馀?。預(yù)先設(shè)置相機(jī)拍攝幀率為2 000 fps，開始拍攝。再調(diào)整振蕩脫附測試系統(tǒng)的參數(shù)，振幅為2.33 mm，頻率為40 Hz，啟動振蕩脫附測試系統(tǒng)，使石英微珠上下往復(fù)振動，顆粒運(yùn)動軌跡如圖2所示，直至氣泡完全從石英微珠上脫附，停止拍攝，并更換不同疏水性石英微珠重復(fù)試驗(yàn)。根據(jù)研究需要選取適當(dāng)?shù)囊曨l片段以圖片形式保存。

圖片處理過程如圖3所示，圖3（a）為試驗(yàn)過程中保存的圖片數(shù)據(jù)，圖3（b）為顆粒-氣泡黏附的原理圖，圖3（c）為Image-Pro Plus軟件數(shù)據(jù)擬合測量圖。運(yùn)用Image-Pro Plus軟件測量三相潤濕周邊直徑dtpc、左接觸角θ1、右接觸角θ2等幾何參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顆粒-氣泡脫附過程圖像分析

不同疏水性石英微珠的顆粒-氣泡脫附過程如圖4所示。顆粒先向上移動，由于慣性作用氣泡暫時(shí)保持不動，但氣泡受到顆粒的擠壓而變形，接觸角減小，三相潤濕周邊長度增加；當(dāng)顆粒向下移動時(shí)，氣泡被拉伸，接觸角增大，三相潤濕周邊長度減小，并形成反向毛細(xì)頸部，氣泡在頸部斷裂，最后在顆粒表面留下微氣泡。對比圖4中3種不同疏水性顆粒-脫附過程，可以看出氣泡最大拉伸程度隨顆粒疏水性增大而減小，高疏水顆粒氣泡拉伸程度最小。

2.2 顆粒-氣泡脫附過程接觸角和三相潤濕周邊變化規(guī)律

顆粒與氣泡脫附過程中的接觸角和三相潤濕周邊直徑變化如圖5所示，首先顆粒向上移動，三相潤濕周邊直徑因?yàn)闅馀菔艿捷^大程度的擠壓而增加，接觸角繼續(xù)減小到最小后退接觸角。當(dāng)顆粒向下移動時(shí)，脫附過程分為氣泡拉伸階段和三相潤濕周邊滑移階段。在氣泡拉伸階段，氣泡由于受到拉伸作用，三相潤濕周邊直徑基本不變，接觸角增大到最大前進(jìn)接觸角；在三相潤濕周邊滑移階段，接觸角達(dá)到最大前進(jìn)接觸角后保持不變，三相潤濕周邊直徑減小，同時(shí)形成反向毛細(xì)頸部，氣泡在頸部斷裂，在顆粒表面留下殘留微氣泡。

對比圖5中不同疏水性三相潤濕周邊變化曲線，三相潤濕周邊滑移速度隨著顆粒疏水性的增加而降低，即顆粒-氣泡間穩(wěn)定性隨疏水性的增加而提高。經(jīng)Image-Pro Plus軟件測量顆粒-氣泡脫附后殘留微氣泡的橫截面面積（圖6），顆粒疏水性越高殘留微氣泡橫截面積越大，即殘留微氣泡體積越大。通過計(jì)算顆粒-氣泡間最小后退角和最大前進(jìn)角的差值得到不同疏水性顆粒接觸角滯后（表1），在顆粒-氣泡脫附過程中接觸角滯后隨疏水性的增加而增大。

2.3 顆粒-氣泡脫附行為機(jī)理討論

經(jīng)典脫附理論認(rèn)為作用在顆粒-氣泡間的力有浮力、靜水壓力、重力、毛細(xì)管力和拉普拉斯壓力，其中主要黏附力為毛細(xì)管力和拉普拉斯壓力[26]，毛細(xì)管力與拉普拉斯壓力的作用方向則相反，毛細(xì)管力在垂直方向上的分量為：

拉普拉斯壓力可表示為：

黏附力可表示為：

式中，F(xiàn)c為毛細(xì)管力在垂直方向上的分量；FL為拉普拉斯壓力；Ft為黏附力；ΔPa為拉普拉斯壓力差；Rc為氣泡曲率半徑，m；rtpc為三相潤濕周邊半徑，m；γlv為氣液界面張力，N/m；θadv為前進(jìn)接觸，（°）。

如圖7（a）所示，經(jīng)典脫附理論認(rèn)為當(dāng)顆粒受到的外力大于黏附力時(shí)，顆粒-氣泡間接觸角由平衡接觸角增大至前進(jìn)接觸角并保持恒定，三相潤濕周邊開始滑動減小至完全分離，然而經(jīng)典脫附理論忽略了接觸角滯后對三相潤濕周邊滑動的影響。顆粒-氣泡實(shí)際脫附過程原理如圖7（b）所示，由于接觸角滯后的存在，當(dāng)最大前進(jìn)角大于90°時(shí)，為了保證顆粒前進(jìn)接觸角不變，會形成反向毛細(xì)頸部，且反向毛細(xì)頸部處曲率隨著三相潤濕周邊的收縮而快速增加，并在臨界脫附狀態(tài)時(shí)曲率半徑達(dá)到最大，頸部處受到額外的拉普拉斯壓力（FL′）的作用發(fā)生斷裂脫附，并在顆粒表面形成微氣泡。

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由表1可知，隨著疏水性的增加，其顆粒接觸角滯后增大，同時(shí)由于三相潤濕周邊滑移速度隨著顆粒疏水性的增加而降低，因此反向毛細(xì)頸部處曲率增加速率隨顆粒疏水性的增加而增加，導(dǎo)致在臨界脫附狀態(tài)時(shí)疏水性越高三相潤濕周邊越長，最終顆粒表面殘留微氣泡大小也隨顆粒疏水性的增加而增加。

3 結(jié) 論

（1）顆粒脫附過程存在明顯的接觸角滯后，接觸角為67.0°、83.9°和98.7°的3種疏水性顆粒在達(dá)到最大前進(jìn)接觸角 106.7°、119.3°和 128.3°后三相潤濕周邊開始滑動收縮，同時(shí)接觸角基本保持不變。

（2）顆粒-氣泡實(shí)際脫附過程區(qū)別于傳統(tǒng)三相潤濕周邊滑動脫附機(jī)制，由于接觸角滯后的存在，當(dāng)最大前進(jìn)角大于90°時(shí)，為了保證顆粒前進(jìn)接觸角不變，會形成反向毛細(xì)頸部，且反向毛細(xì)頸部處曲率隨著三相潤濕周邊的收縮而快速增加，并在臨界脫附狀態(tài)時(shí)曲率半徑達(dá)到最大，頸部處受到額外的拉普拉斯壓力的作用發(fā)生斷裂脫附，并在顆粒表面形成微氣泡。

（3）顆粒接觸角滯后隨著疏水性的增加而增大，同時(shí)三相潤濕周邊滑移速度隨著顆粒疏水性的增加而降低，因此反向毛細(xì)頸部處曲率增加速率隨顆粒疏水性的增加而增加，導(dǎo)致在臨界脫附狀態(tài)時(shí)疏水性越高三相潤濕周邊越長，最終顆粒表面殘留微氣泡大小也隨顆粒疏水性的增加而增加。