氣泡運(yùn)動(dòng)特性對(duì)氣浮過程的影響

于米滿 曹敬盼

摘要：通過對(duì)氣浮技術(shù)的原理及過程進(jìn)行總結(jié)和分析可知，氣浮過程的的關(guān)鍵在于氣泡與氣浮多相流體系中的顆粒污染物之間的相互作用過程，即分離過程。研究氣浮多相流體系中氣泡的運(yùn)動(dòng)特性是取得理想氣浮效果的關(guān)鍵，主要體現(xiàn)在氣泡的尺寸、氣泡形狀及運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度等運(yùn)動(dòng)特性對(duì)氣浮分離速率的影響。

關(guān)鍵詞：氣浮 ?氣泡尺寸 ?形狀及運(yùn)動(dòng)軌跡 ?運(yùn)動(dòng)速度

1前言

氣浮技術(shù)是國內(nèi)外正在深入研究與不斷推廣的一種固-液以及液-液分離技術(shù)，始于選礦[1]。其原理是利用氣泡的浮力將液相中難以沉降的固相或其他液相顆粒物捕集并共同上浮至液面實(shí)現(xiàn)分離。實(shí)際上，研究氣浮過程即等同于研究氣泡與水中顆粒污染物（或由水中顆粒污染物所形成絮體）之間的捕集過程。氣泡在氣浮過程中的作用是作為攜帶顆粒物從液相中移除并分離的載體，因此研究氣浮多相流體系中氣泡的運(yùn)動(dòng)特性是取得理想氣浮效果的關(guān)鍵。

2 氣泡運(yùn)動(dòng)特性及其對(duì)氣浮過程的影響

2.1 氣泡尺寸

氣浮過程中氣泡的尺寸及其變化，將對(duì)氣浮分離特性產(chǎn)生決定性的影響。確保生成氣泡的尺寸與預(yù)處理過程所得絮體的尺寸處于接近的水平，是獲得理想的氣浮效果的重要前提，為由SUTHERLAND[2]所建立的氣泡與顆粒間碰撞概率（Pc）可知，二者尺寸越接近，在同等條件下的捕集概率越高，如式（1）所示。所以應(yīng)該抑制氣浮過程中氣泡與氣泡之間的聚并現(xiàn)象及其自身的破碎現(xiàn)象所導(dǎo)致的氣泡尺寸分布的大幅度變化。

其中，Rc為臨界碰撞半徑，Rb為氣泡半徑，dp與db分別為顆粒與氣泡的直徑。

2.2 氣泡形狀及運(yùn)動(dòng)軌跡

假設(shè)氣泡與絮體間已經(jīng)發(fā)生了碰撞，由式（2）和式（3）所示的DAI[3]所提出的CSE（ Generalized Sutherland Equation ）碰撞概率模型可知，發(fā)生變形并且軌跡偏移的氣泡與未發(fā)生此現(xiàn)象的氣泡相比，氣泡與絮體間碰撞角度θ必將變化，于是導(dǎo)致二者間的附著穩(wěn)定性改變。根據(jù)CSE碰撞概率模型可知，當(dāng)顆粒與氣泡趨于在氣泡前部（θ<45°）碰撞時(shí)，正慣性作用占主導(dǎo)地位，顆粒在慣性作用下脫離流線，趨于沿垂直方向與氣泡碰撞，正慣性作用增大了顆粒與氣泡的碰撞概率Pc。當(dāng)顆粒與氣泡趨于在氣泡后部（45°<θ<90°）碰撞時(shí)，負(fù)慣性作用占主導(dǎo)地位，流體切向速度的增大使得慣性力呈現(xiàn)出離心力的形式，顆粒趨于遠(yuǎn)離氣泡，碰撞概率Pc減小。

其中，為SUTHERLAND等推導(dǎo)的碰撞概率，為水流速度，為顆粒速度，為壓力與離心力平衡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度。

2.3 氣泡運(yùn)動(dòng)速度

氣浮過程中的氣泡運(yùn)動(dòng)速度始終受到表面水力負(fù)荷的影響，因此，可認(rèn)為氣泡運(yùn)動(dòng)速度是表面水力負(fù)荷大小的體現(xiàn)。當(dāng)氣泡運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)，說明氣浮系統(tǒng)的分離速率高，即單位時(shí)間內(nèi)由氣泡捕集并攜帶分離的顆粒或絮體的數(shù)量多。此外，由式（4）可知，當(dāng)氣浮分離裝置中水質(zhì)以及氣泡尺寸分布基本不變時(shí)，氣泡速度與其對(duì)應(yīng)的氣泡雷諾數(shù)Reb正相關(guān)，那么在不考慮脫附現(xiàn)象的情況下，氣浮過程中氣泡與絮體間捕集效率也呈正相關(guān)。但是，需要考慮到過大的氣泡運(yùn)動(dòng)速度及水力表面負(fù)荷時(shí)由于較大的水流剪切力可能造成油滴等液體顆粒或絮體破碎，使得氣浮分離速率降低。

其中，Ub為氣泡運(yùn)動(dòng)速度，為流體運(yùn)動(dòng)粘度。

3總結(jié)

（1）氣浮工藝過程可分為顆粒與顆粒之間的相互作用過程（預(yù)處理過程）以及氣泡與絮體之間的相互作用過程（分離過程）。

（2）氣浮過程實(shí)際上是氣泡與水中顆粒污染物（或由水中顆粒污染物所形成絮體）之間的捕集過程，因此研究氣浮多相流體系中氣泡的運(yùn)動(dòng)特性是取得理想氣浮效果的關(guān)鍵。

（3）氣浮過程中氣泡的尺寸、氣泡形狀及運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度等運(yùn)動(dòng)特性均能夠?qū)飧》蛛x速率產(chǎn)生重要影響。

參考文獻(xiàn)

[1]EDZWALD J K.Dissolved air flotation and me[J].Water Research，2010，44（7）： 2077-2106.

[2]SUTHERLAND K L.Physical chemistry of flotation; kinetics of the flotation process.[J].The Journal of physical and colloid chemistry，1948，52（2）： 394-425.

[3]DAI Z，F(xiàn)ORNASIERO D，RALSTON J.Particle-bubble collision models--a review[J].Adv Colloid Interface Sci，2000，85（2-3）： 231-256.