超聲波發(fā)泡及對(duì)氣含率的影響

歐樂(lè)明， 耿少沛， 馮其明

（中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083）

超聲波發(fā)泡及對(duì)氣含率的影響

歐樂(lè)明， 耿少沛， 馮其明

（中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083）

通過(guò)使用設(shè)計(jì)裝配的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，研究不同條件下超聲波空化作用所能產(chǎn)生氣泡的能力，以及超聲波對(duì)充氣體系下的溶液氣含率的影響.結(jié)果表明：超聲波空化作用產(chǎn)生氣泡的能力與溶液中氣體的溶解量直接相關(guān)；超聲波的功率對(duì)超聲波空化作用產(chǎn)生氣體的體積影響比較大，28 kHz的變幅桿超聲空化作用產(chǎn)生的氣泡體積要高于20 kHz的變幅桿；超聲波作用于不同濃度的MIBC的水溶液，空化作用產(chǎn)生的氣泡體積沒(méi)有太大變化；在外充氣條件下，發(fā)現(xiàn)超聲波作用可以有效地增大溶液的氣含率.

超聲空化；超聲波功率；氣含率；發(fā)泡

超聲波是一種振動(dòng)頻率較高的聲波，其頻率范圍在20 kHz～10 MHz[1].當(dāng)超聲波的能量足夠高（超過(guò)該液體的“空化閾”）時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“超聲空化”現(xiàn)象[2].由于聲波是一種縱波，所以超聲波在液體傳播的過(guò)程中會(huì)在液體中交替產(chǎn)生壓縮相和稀疏相，稀疏相所形成的高負(fù)壓的條件可以使液體中的氣體過(guò)飽和從而析出，產(chǎn)生大量的微氣泡[3].超聲空化就是指液體中的微氣核隨著聲壓的變化產(chǎn)生周期性的生長(zhǎng)、收縮，直至崩潰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程[4].

超聲波空化作用的強(qiáng)弱與其聲學(xué)參數(shù)及液體的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān).對(duì)于液體來(lái)說(shuō)，空化作用的強(qiáng)度與液體的表面張力、黏滯系數(shù)、溫度、密度以及其中所溶解的氣體的量[5]等性質(zhì)有關(guān)；對(duì)于超聲波本身來(lái)說(shuō)，其空化作用強(qiáng)度則主要與超聲波的頻率和功率等參數(shù)有關(guān)[6-7].此外，超聲波空化作用的強(qiáng)度還與液體所處外環(huán)境的壓力大小存在一定關(guān)系[8].

對(duì)于充氣體系的液體，由于超聲波的空化作用，會(huì)在氣泡壁上產(chǎn)生交替的壓力和拉力，并且空化泡崩潰過(guò)程中會(huì)在周圍的液體產(chǎn)生微射流和湍流，這都有利于將液體中的氣泡粉碎成更小的氣泡.氣泡尺寸變小，上升速度會(huì)降低，從而使液體的氣含率增加[9].浮選過(guò)程中，氣含率的增加不但可以提高精礦產(chǎn)率和回收率，還可以增加浮選速率[10-11].

王凡[12]的研究發(fā)現(xiàn)，使用超聲波強(qiáng)化煤泥浮選時(shí)，浮選柱中的氣泡尺寸明顯變小，可以增加浮選柱的氣含率.鄒華生[13]利用自主研發(fā)的超聲鼓泡塔測(cè)定了不同頻率的超聲場(chǎng)對(duì)氣泡直徑的影響，發(fā)現(xiàn)在一定條件的超聲場(chǎng)中，氣泡直徑會(huì)顯著減小.Ozkan[14]在富集菱鎂礦時(shí)，發(fā)現(xiàn)超聲處理可以使浮選泡沫變小，并增加了泡沫的穩(wěn)定性.

本文通過(guò)使用自主設(shè)計(jì)的超聲波氣泡發(fā)生裝置，用排液收集氣體的方法測(cè)定了在不同條件下超聲空化作用所產(chǎn)生氣體的量，使用液位上升法探索了超聲波對(duì)充氣條件下溶液氣含率的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及藥劑

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，超聲波發(fā)生器的型號(hào)為JY98-IIID，超聲波變幅桿分為20 kHz和28 kHz 2種，氣泡發(fā)生器上部為標(biāo)有刻度的玻璃管，可以記錄液位的變化.氣泡收集器可視為一個(gè)倒置的底部封口的漏斗，頸部標(biāo)有刻度，可以讀出所收集的氣體的體積.微孔濾片為一圓形微孔材料片，安裝在設(shè)備底部，可以將氮?dú)馄繘_入的氣體進(jìn)行分散.實(shí)驗(yàn)所用藥劑MIBC為化學(xué)純，溶液均使用蒸餾水配制.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超聲空化發(fā)泡實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前先調(diào)節(jié)好超聲波發(fā)生器的功率為實(shí)驗(yàn)所需功率，將氣泡發(fā)生器和氣泡收集器都充滿溶液，并使液面位于氣泡收集器底部以上的位置，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氮?dú)馄康拈y門處于關(guān)閉狀態(tài)，不充氣.當(dāng)打開超聲波發(fā)生器時(shí)，超聲波變幅桿的前端會(huì)產(chǎn)生大量的微氣泡，一部分會(huì)在前端隨著聲波不斷震蕩，一部分會(huì)上升至頂部的氣泡收集器中，上升至頂部的氣泡會(huì)將氣泡收集器細(xì)頸段的液體排出，從而可以通過(guò)標(biāo)有的刻度讀出液面高度，得到進(jìn)入細(xì)頸段的氣體的體積.超聲波發(fā)生器設(shè)置為間歇工作制度，單段工作時(shí)間為10 s，間歇時(shí)間為3 s.

1.2.2 溶液表面張力測(cè)試方法

使用GBX公司生產(chǎn)的界面張力儀測(cè)定不同濃度MIBC溶液的表面張力，用來(lái)表示超聲波空化作用產(chǎn)生的氣泡量與溶液表面張力的關(guān)系.測(cè)試方法如下：

1）配置溶液：取一定量的蒸餾水加入起泡劑，使用歐洲之星攪拌器攪拌3 min，攪拌均勻配成所需濃度的起泡劑溶液后，在避光處?kù)o置3 h用來(lái)測(cè)試表面張力.

2）儀器的校正：把測(cè)試所用的鉑金片和測(cè)量杯用無(wú)水乙醇潤(rùn)洗后，使用酒精燈將鉑金片和測(cè)量杯點(diǎn)燃.測(cè)量杯冷卻以后，加入30 mL蒸餾水后用表面張力儀測(cè)試其表面張力，如果表面張力儀在71～73 mN/m，則校正值正確，校正完畢.

3）表面張力的測(cè)量：在室溫25℃左右的條件下進(jìn)行測(cè)試，將MIBC溶液濃度由低到高排列，每次取30 mL加入測(cè)量杯中進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品測(cè)量3次.如果測(cè)量值相差不大，則取算數(shù)平均值作為結(jié)果，如果相差較大，則再混勻靜置后繼續(xù)測(cè)量.

1.2.3 超聲波對(duì)氣含率影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前需先移除氣泡收集器.首先配置一定濃度的MIBC溶液，體積為V，加入氣泡反應(yīng)器中，使液面處于標(biāo)有刻度的中部玻璃管段，記錄此時(shí)的液面高度h1.氣泡反應(yīng)器中部玻璃管段的半徑為r，所以截面積為πr2.打開氮?dú)夤?，調(diào)節(jié)充氣速度為v，待液面穩(wěn)定后，記錄充氣速度為v時(shí)的氣液界面高度h2，打開超聲波發(fā)生器，待液面穩(wěn)定后記錄此時(shí)的氣液界面高度h2.

未啟動(dòng)超聲波發(fā)生器時(shí)，溶液氣含率的計(jì)算公式為：

超聲波發(fā)生器開啟條件下，溶液氣含率的計(jì)算公式為：

其中，ε為溶液的氣含率；r為玻璃管段的半徑；h為氣液界面距玻璃管底部的高度；V為加入MIBC溶液的體積.

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波發(fā)泡實(shí)驗(yàn)

2.1.1 超聲波功率的影響

實(shí)驗(yàn)使用蒸餾水，超聲波變幅桿的頻率為20 kHz，每個(gè)功率條件都收集3個(gè)工作段的氣體，結(jié)果如圖2所示.從結(jié)果可以看出，超聲波空化作用產(chǎn)生的氣泡的速率并不是很快，相比一般的充氣式發(fā)泡，體積基本可以忽略.也可以得出超聲波空化作用產(chǎn)生氣體的體積是隨著超聲波功率的增加而增加的，且基本呈線性關(guān)系.

圖2 超聲功率對(duì)氣泡體積的影響Fig.2 Influence of power on gas volume

2.1.2 時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)使用溶液仍為蒸餾水，超聲波變幅桿的頻率為20 kHz.調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的功率為1 000 W，不更換氣泡反應(yīng)器內(nèi)的液體.單段超聲時(shí)間為10 s，3段為1組.打開超聲波發(fā)生器，記錄隨著時(shí)間增長(zhǎng)，每組超聲空化產(chǎn)生氣體的體積變化，共記錄6組，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，超聲波空化產(chǎn)生氣體的體積不斷減少，但會(huì)逐漸趨于平緩.這是由于隨著超聲空化的不斷進(jìn)行，水中溶解氣體的量不斷減小，空化作用產(chǎn)生的氣體體積也相應(yīng)減小.而減小到一定程度后，由于外環(huán)境空氣溶于水的速度與空化作用產(chǎn)生氣體速度不斷接近，溶液中溶解氣體的量趨于平衡，空化作用產(chǎn)生氣體的體積也就趨于一定值.

圖3 氣泡體積隨時(shí)間的變化Fig.3 Change of gas volume with time

2.1.3 溶液表面張力的影響

實(shí)驗(yàn)使用不同濃度的MIBC溶液，超聲波變幅桿頻率為20 kHz，超聲波發(fā)生器的功率為1 000 W.配制濃度分別為5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L、25 mg/L的MIBC溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，先測(cè)定不同濃度的MIBC溶液的表面張力，再進(jìn)行發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.從圖4可以看出，MIBC溶液的表面張力是隨著MIBC溶液濃度的升高而逐漸降低的，但在不同MIBC濃度條件下，超聲波空化產(chǎn)生的氣體體積相近，而且與2.1.1實(shí)驗(yàn)中同等條件下使用蒸餾水的結(jié)果也基本一致.所以可以得出結(jié)論：MIBC濃度的改變，會(huì)引起溶液表面張力的改變，MIBC濃度越高，溶液的表面張力就越小，但溶液的表面張力的改變對(duì)超聲波空化作用產(chǎn)生的氣泡的體積沒(méi)有太大影響.

圖4 不同MIBC濃度下溶液表面張力和產(chǎn)生氣泡體積變化Fig.4 Change of gas volume and surface tension under different concentrations of MIBC

2.1.4 超聲頻率的影響

把變幅桿更換為28 kHz的變幅桿，使用蒸餾水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比20 kHz和28 kHz 2種不同頻率的變幅桿超聲空化作用產(chǎn)生氣泡體積的差異.由于超聲波發(fā)生器的限制，28 kHz的變幅桿功率調(diào)節(jié)區(qū)間較低，故只能在200～600 W的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，2種頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.在使用28 kHz變幅桿的條件下，氣泡體積仍然是隨著功率的增大而有顯著增長(zhǎng)，也基本呈線性關(guān)系.對(duì)比2種頻率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)使用28 kHz的變幅桿，空化作用產(chǎn)生的氣泡體積要高于使用20 kHz的變幅桿.這是由于超聲波的頻率越高，溶液中交替產(chǎn)生正負(fù)壓的速率越快，空化作用發(fā)生的概率就越高，所以產(chǎn)生氣泡的體積就越大.

圖5 28 kHz和20 kHz 2種變幅桿空化產(chǎn)生氣體體積Fig.5 Gas volume under different power by using the booster of 28 kHz and 20 kHz

2.2 超聲波對(duì)溶液氣含率的影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在MIBC濃度分別為 10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L的條件下進(jìn)行，使用超聲波變幅桿為20 kHz，頻率為1 000 W，探索在不同充氣速率條件下超聲波對(duì)溶液氣含率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，在超聲波作用的條件下，溶液的氣含率有所增加，但并不是隨著充氣速率的增大而增大.充氣速率在125 m3/h時(shí)，超聲波對(duì)溶液氣含率的影響最大，充氣速率達(dá)到150 m3/h時(shí)，超聲波對(duì)溶液氣含率的影響反而有所降低.通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的觀察，分析得出超聲波增大溶液的氣含率的原因主要有以下2個(gè)方面：

圖6 MIBC濃度為10 mg/L時(shí)，超聲波對(duì)溶液氣含率的影響Fig.6 Influence of ultrasonic on gas hold-up when the concentration is 10 mg/L

圖7 MIBC濃度為20 mg/L時(shí)，超聲波對(duì)溶液氣含率的影響Fig.7 Influence of ultrasonic on gas hold-up when the concentration is 20 mg/L

圖8 MIBC濃度為30 mg/L時(shí)，超聲波對(duì)溶液氣含率的影響Fig.8 Influence of ultrasonic on gas hold-up when the concentration is 30 mg/L

1）超聲波可以減小溶液中氣泡的粒徑[15].在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以明顯觀察到超聲波對(duì)于氣泡有粉碎作用，在打開超聲波發(fā)生器以后，進(jìn)入超聲場(chǎng)中的氣泡會(huì)明顯變小.并且在充氣速率較低的時(shí)候，由于氣泡的上升速度較慢，超聲波作用時(shí)間充分，對(duì)于氣泡的粉碎作用更加明顯.充氣速率增大時(shí)，由于氣泡的上升速度很快，所以使得超聲波對(duì)于上升速率大的氣泡作用時(shí)間不足，從而減弱了對(duì)溶液氣含率的影響.

2）在超聲波作用下，氣泡發(fā)生器內(nèi)部溶液的流場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化.由于超聲波聲場(chǎng)的壓力，在超聲場(chǎng)中的溶液內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生震蕩.氣泡通過(guò)超聲場(chǎng)時(shí)，會(huì)受到溶液流場(chǎng)的干擾，改變?cè)局本€上浮的運(yùn)動(dòng)軌跡，這就使得氣泡在溶液中的滯留時(shí)間增長(zhǎng)，上升速度減慢，從而增加了溶液的氣含率.對(duì)于上升速率較慢的氣泡，流場(chǎng)的干擾效果會(huì)更明顯，所以表現(xiàn)為充氣速率過(guò)快時(shí)，超聲波對(duì)于溶液的氣含率影響會(huì)有所減弱.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以明顯看出反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的變化.

圖9為超聲波影響氣含率的機(jī)制示意圖.左為未加超聲波的充氣條件，右為打開超聲波發(fā)生器，附加超聲場(chǎng)后充氣條件的變化.

圖9 超聲波影響氣含率機(jī)制示意圖Fig.9 Schematic diagram of influence of ultrasonic on gas hold-up

3 結(jié) 論

1）超聲波通過(guò)空化作用可以產(chǎn)生氣泡，產(chǎn)生氣泡的速率跟超聲波的功率、頻率及溶液中溶解氣體的量有關(guān)，并且都呈正相關(guān)關(guān)系.

2）超聲波空化作用產(chǎn)生氣泡的速率與溶液的表面張力關(guān)系不大，溶液表面張力的減小，空化作用產(chǎn)生的氣泡體積并沒(méi)有太大變化.

3）超聲波作用于充氣溶液中的氣泡，通過(guò)對(duì)氣泡的粉碎作用和對(duì)流場(chǎng)的改變，可以使溶液的氣含率增加，并且在一定的充氣速率下，超聲波的強(qiáng)化效果最好.

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Ultrasonic foaming and its effect on gas hold-up

OU Leming,GENG Shaopei，F(xiàn)ENG Qiming
（School of Minerals Processing and Bioengineering,Central South University,Changsha 410083,China）

Through using the equipment designed,the ability of ultrasonic to generate bubbles in different conditions was investigated.The effect of ultrasonic on the gas hold-up of solution in the state of inflation was investigated.The result showes the ability of ultrasonic to generate bubbles is directly related to the amount of gas dissolved in the solution.The power of ultrasonic has a considerable effect on the quantity of the gas produced by ultrasonic cavitation.The volume of bubbles generated by ultrasonic cavitation under the booster of 28 kHz is bigger than the booster of 20 kHz.When the ultrasonic acts on the solution of MIBC,the volume of gas produced by cavitation varies little.Under the condition of aeration,the ultrasonic can enhance the gas hold-up of solution effectively.

ultrasonic cavitation;ultrasonic power;gas hold-up;foaming.

TD456

A

1674-9669（2015）05-0080-05

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.05.015

2015-04-14

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2014CB643402）

歐樂(lè)明（1964- ），教授，博導(dǎo)，主要從事微細(xì)粒復(fù)雜礦物分選理論、工藝與設(shè)備的研究，E-mail：feng_309@csu.edu.cn.