气泡运动特性对气浮过程的影响

于米满 曹敬盼

摘要：通過对气浮技术的原理及过程进行总结和分析可知，气浮过程的的关键在于气泡与气浮多相流体系中的颗粒污染物之间的相互作用过程，即分离过程。研究气浮多相流体系中气泡的运动特性是取得理想气浮效果的关键，主要体现在气泡的尺寸、气泡形状及运动轨迹、运动速度等运动特性对气浮分离速率的影响。

关键词：气浮  气泡尺寸  形状及运动轨迹  运动速度

1前言

气浮技术是国内外正在深入研究与不断推广的一种固-液以及液-液分离技术，始于选矿[1]。其原理是利用气泡的浮力将液相中难以沉降的固相或其他液相颗粒物捕集并共同上浮至液面实现分离。实际上，研究气浮过程即等同于研究气泡与水中颗粒污染物（或由水中颗粒污染物所形成絮体）之间的捕集过程。气泡在气浮过程中的作用是作为携带颗粒物从液相中移除并分离的载体，因此研究气浮多相流体系中气泡的运动特性是取得理想气浮效果的关键。

2 气泡运动特性及其对气浮过程的影响

2.1 气泡尺寸

气浮过程中气泡的尺寸及其变化，将对气浮分离特性产生决定性的影响。确保生成气泡的尺寸与预处理过程所得絮体的尺寸处于接近的水平，是获得理想的气浮效果的重要前提，为由SUTHERLAND[2]所建立的气泡与颗粒间碰撞概率（Pc）可知，二者尺寸越接近，在同等条件下的捕集概率越高，如式（1）所示。所以应该抑制气浮过程中气泡与气泡之间的聚并现象及其自身的破碎现象所导致的气泡尺寸分布的大幅度变化。

其中，Rc为临界碰撞半径，Rb为气泡半径，dp与db分别为颗粒与气泡的直径。

2.2 气泡形状及运动轨迹

假设气泡与絮体间已经发生了碰撞，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，发生变形并且轨迹偏移的气泡与未发生此现象的气泡相比，气泡与絮体间碰撞角度θ必将变化，于是导致二者间的附着稳定性改变。根据CSE碰撞概率模型可知，当颗粒与气泡趋于在气泡前部（θ<45°）碰撞时，正惯性作用占主导地位，颗粒在惯性作用下脱离流线，趋于沿垂直方向与气泡碰撞，正惯性作用增大了颗粒与气泡的碰撞概率Pc。当颗粒与气泡趋于在气泡后部（45°<θ<90°）碰撞时，负惯性作用占主导地位，流体切向速度的增大使得惯性力呈现出离心力的形式，颗粒趋于远离气泡，碰撞概率Pc减小。

其中，为SUTHERLAND等推导的碰撞概率，为水流速度，为颗粒速度，为压力与离心力平衡点对应的角度。

2.3 气泡运动速度

气浮过程中的气泡运动速度始终受到表面水力负荷的影响，因此，可认为气泡运动速度是表面水力负荷大小的体现。当气泡运动速度较大时，说明气浮系统的分离速率高，即单位时间内由气泡捕集并携带分离的颗粒或絮体的数量多。此外，由式（4）可知，当气浮分离装置中水质以及气泡尺寸分布基本不变时，气泡速度与其对应的气泡雷诺数Reb正相关，那么在不考虑脱附现象的情况下，气浮过程中气泡与絮体间捕集效率也呈正相关。但是，需要考虑到过大的气泡运动速度及水力表面负荷时由于较大的水流剪切力可能造成油滴等液体颗粒或絮体破碎，使得气浮分离速率降低。

其中，Ub为气泡运动速度，为流体运动粘度。

3总结

（1）气浮工艺过程可分为颗粒与颗粒之间的相互作用过程（预处理过程）以及气泡与絮体之间的相互作用过程（分离过程）。

（2）气浮过程实际上是气泡与水中颗粒污染物（或由水中颗粒污染物所形成絮体）之间的捕集过程，因此研究气浮多相流体系中气泡的运动特性是取得理想气浮效果的关键。

（3）气浮过程中气泡的尺寸、气泡形状及运动轨迹、运动速度等运动特性均能够对气浮分离速率产生重要影响。

参考文献

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