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气泡动力学研究

1、气泡铺展过程动力学研究

自然界和工业应用中气泡在固体表面上的铺展起着很重要的作用,例如矿物浮选、表面自清洁等。在铺展的早期阶段,接触线运动速度较快且尺度较小,给实验研究带来了巨大挑战。中国矿业大学科研团队采用千眼狼高速摄像技术,追踪气泡在均质固体(特氟龙、有机玻璃、玻璃、不锈钢)以及非均质固体(褐煤和无烟煤)表面的铺展过程,研究了气泡铺展过程动力学行为,进一步观察气液界面形态演变规律。(详情可见《基于高速动态的气泡铺展过程动力学行为研究》)

2、实验方法

为精确观测单个气泡在固体表面上的动态铺展过程,科研团队搭建了可视化的实验系统,如图1所示。该系统是由观测槽、气泡产生、高速图像采集以及光源部分等构成。图像采集部分由千眼狼高速摄像机和计算机连接组成。

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调节微量注射泵以1μL/min速度缓慢生成气泡,通过控制针头与固体表面的距离尽量保持气泡铺展的初始形状和大小一致。当气泡与固体表面即将接触时停止气体进样,气泡与固体表面接触后自发铺展。通过高速摄像机记录气泡铺展全过程,采集速度为9200fps,每组实验重复三次。利用软件对高速摄像机所拍摄图片进行定量化处理,获取气泡在固体表面铺展时三相线长度L、最大宽度W及其对应位置H等参数。

3、试验分析

1/3.气泡粘附铺展过程

当气体进样停止后,水槽中不锈钢针头末端的气泡在惯性作用下缓慢与固体基板接触,随后发生铺展行为。图2为气泡在不同固体表面的接触铺展过程,图中红线和绿线分别表示固体表面的基线和气泡几何中心的连线。气泡接近固体表面后首先进行排液过程,当气泡与固体间液膜破裂后随即开始三相线扩张过程。选取气泡开始在固体表面铺展时刻为t=0ms。从图2可看出特氟龙、不锈钢、有机玻璃、玻璃基板上气泡在极短时间内铺展至较大范围,随后铺展速度变得缓慢直至稳定。

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从图2(a-d)可以看出,随着气泡在均质固体表面铺展,t=0~15ms内,三相接触线快速扩张,此阶段称为快速铺展阶段。随后三线接触线运动变得缓慢直至最大扩展,此阶段称为慢速铺展阶段。从图2(e-f)可以看出,相比上述四种均质样品,煤样表面三相线铺展长度都较短,且铺展时间远远大于其他样品。从图2(a-f)中绿色虚线可明显看出,均质固体表面气泡几何中心位置随三相线扩张逐渐向固体表面上移,气泡形状从初始的近似球形逐渐演变为截去上端的椭球状。而对于非均质的褐煤和无烟煤来说,气泡几何中心位置有轻微上下波动现象,但气泡的总体形状仍然保持近似球形。

2/3.气泡铺展动力学

当气泡与固体表面之间液膜薄化破裂后,三相接触线开始形成。由于界面处张力不平衡,三相接触线会不断向周围扩张从而发生气相铺展和固相排液现象。三相接触线越长,代表着固体表面气泡排液能力越强。气泡在不同均质固体表面的铺展长度L随时间的演化规律如图3所示。

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       由图可知,三相线运动过程包括两个阶段:①快速铺展阶段(t≤15ms),不同固体表面上气泡铺展过程都表现出普遍的自相似行为,即三相接触线自液膜破裂后在极短时间内扩张到较大长度,这个过程与固体表面初始条件无关;②慢速铺展阶段(t>15ms),因固体表面形貌、化学组成、微观结构、润湿性等物理化学性质差异,气泡铺展过程具有各自特点。三相线最终铺展长度依次是:特氟龙>不锈钢>有机玻璃>玻璃。

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       褐煤和无烟煤表面三相线铺展长度L随时间的演化规律如图4所示。褐煤表面三相线长度演变曲线相比于均质固体呈现较大差异,而无烟煤表面三相线长度演变规律与均质固体比较接近。褐煤和无烟煤表面气泡铺展稳定后的最终三相线长度比均质固体平均短约50%。经过多次重复试验,褐煤表面三相线运动都具有多次波动特征。由此可见,褐煤与无烟煤表面气泡铺展时间比均质固体表面上大至少两个数量级,且褐煤表面气泡在慢速铺展阶段有较大的波动性。

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       如图5所示,固体表面表观接触角大小依次是:特氟龙>无烟煤>不锈钢>有机玻璃>玻璃>褐煤。四种均质固体表面液滴接触角大小规律与上述三相线铺展长度规律保持一致,非均质褐煤和无烟煤接触角大小也与其三相线铺展长度对应。说明润湿性是影响固体表面气泡铺展过程的重要因素。

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固体表面润湿性由其表面微观形貌和表面化学组成共同决定。如图6(a)所示,光滑均质固体表面气泡先排开气固之间的液膜,液膜破裂后三相接触线逐渐对称性向外扩张直至铺展过程结束。

非均质固体褐煤和无烟煤表面粗糙且有裂隙,当浸入水中时会有微纳米级气泡赋存于表面上或孔隙中,如图6(b)。随着气泡与煤样表面的液膜不断减薄,气泡会与表面或裂隙中的小气泡聚并从而影响三相线移动,这可能也是导致前述褐煤表面气泡面积稍微增大的原因。此外,煤样表面有机质和无机质掺杂导致亲/疏水位点不同,且凹凸不平的表面形貌使得粗糙度不均匀,三相线在移动过程中会产生钉扎效应而发生非对称性移动。因此,可以推断煤样表面钉扎效应以及气泡聚并融合效应相互叠加,使得其三相线运动规律与均质固体表面相差较大。

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       伴随着三相线扩张,气泡的轮廓线及几何中心均会发生变化,这主要源于气液两相之间相互作用。均质固体表面气泡铺展过程中最大宽度W会随时间动态变化,如图7(a)所示。当气泡在固体表面开始快速铺展时,气泡最大宽度W会突然减小,图7(a)中可观察到在气泡开始铺展后有一个明显的下凹区域,这对应了铺展时三相线长度的迅速增加。当W降到最低点后,快速铺展过程结束,随后进入慢速铺展阶段。在慢速铺展阶段气泡最大宽度W逐渐增加至稳定值。玻璃和有机玻璃表面W很快达到平衡且最终W值变化幅度较小,而特氟龙和不锈钢表面W达到平衡时间较长且最终W值变化幅度较大。气泡最大宽度W的演变说明三相线在运动过程中伴随着气泡内流体的重分布。

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       褐煤和无烟煤动态铺展过程中气泡最大宽度W演变如图7(b)所示。煤样表面去润湿过程中气泡最大宽度W具有上下波动性,但总体呈上升趋势。这可能与固体表面化学结构及微观形貌有关。煤阶越低,表面粗糙度越大,当浸入水中时,其表面沟壑中的微纳米级气泡和孔隙中吸附的气体越多。当表面微纳米级气泡与铺展气泡发生融合,这可能会增加气泡体积从而影响气泡宽度。由此可见,煤表面物理或化学结构的非均匀性使得三相线运动过程中气泡最宽处表现出不稳定性。

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在三相线扩展过程中,最大宽度W反映气泡的横向特征,为了探究气泡的纵向特征,定义气泡位置H为气泡最大宽度处与固体基线的距离。对于均质固体,气泡位置H随时间急剧减小,再缓慢减小至稳定值,这与三相线长度L和气泡最大宽度W变化规律相吻合。褐煤和无烟煤表面,气泡位置H随时间变化不太明显,总体呈波动性缓慢下降,下降幅度不大。通过软件提取气泡轮廓线如图8所示,可直观看出随着三相线扩张,气泡位置H逐渐上移接近固体表面,其中特氟龙和不锈钢表面气泡位置上移最多,褐煤和无烟煤表面气泡位置上移最少。

气液界面相互作用随着三相线铺展而变化,与固体表面润湿性质密切相关。固体表面疏水性越强,水化膜越稳定,水化膜扩张能力越强,液膜被排开越远,因而三相线铺展越长,气液界面形变越大。然而非均质固体表面亲疏水位点不同以及局部微观结构差异较大,导致其三相线运动及气液界面演变规律较复杂。

4、试验结论

(1)气泡铺展过程中,三相线主要经历快速与慢速铺展,快速铺展阶段表现出自相似行为特征,慢速阶段受固体表面形貌、化学组成、微观结构、润湿性等性质影响;

(2)固体表面润湿性是影响气泡铺展行为的重要因素,煤样表面非均匀润湿性是导致其气泡铺展行为与均质固体较大差异的根本原因。煤样表面三相线铺展长度比均质固体短约 50%,且铺展时间比均质固体大至少两个数量级;

(3)均质固体表面三相线快速铺展阶段遵循指数b=1/2幂律模型,由表面张力与惯性力主导;慢速铺展阶段遵循指数b=1/10幂律模型,由表面张力与粘性力主导;煤样表面快速铺展阶段三相线也符合指数b=1/2幂律模型;

(4)伴随着三相线扩张,气液两相相互作用使得气液界面发生变化,尤其是均质固体表面。煤样表面因物理或化学结构的非均匀性产生的气体融合和钉扎效应使得气液界面表现出小范围内的波动。

5、总结

本次实验采用高速摄像机对气泡铺展过程进行了可视化研究实验,考察固体表面性质对气泡铺展行为的影响,探究三相线运动机理和气液界面形态演变规律,为深入理解颗粒-气泡粘附过程及颗粒-气泡气絮体界面结构稳定性奠定理论基础。(此文源自中国矿业大学研究团队)

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