气体在疏水性表面的吸附和积聚现象及其作用研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:yjichao
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浮选是在气-液-固三相流中,由于各相间的耦合程度存在差异,疏水性颗粒因为疏水亲气而吸附在气泡上被浮出,亲水性颗粒因为亲水被留在水中的选矿工艺。目前浮选生产过程存在的不足是自动化程度较低。一直以来,我们的研究工作都围绕如何更好的实现对浮选过程的自动控制,在研究中我们发现浮选机理成为我们在控制算法设计中的一个重要问题。浮选机理的核心是两种耦合关系。第一种耦合关系是由于浮选中疏水颗粒-疏水颗粒间存在引力,所以要明确颗粒-颗粒间相互作用的耦合关系;第二种耦合关系是因为疏水颗粒能吸附到气泡上,所以要明确颗粒-气泡间相互作用的耦合关系。本文从微观的角度,采用分子动力学方法模拟浮选过程中气-液-颗粒的耦合关系,探索其间的规律,重新认识浮选机理。以往,关于浮选中疏水颗粒-疏水颗粒间引力的根源被认为是非极性分子在水环境中具有避开水而相互聚集的倾向。这些非极性分子使周围水分子的排列顺序发生变化,因此熵发生了变化,它们相互吸引的原动力来自于熵变化引起的自由能变化。但是,基于该机理计算所得的耦合距离非常的短,而实际测得的疏水引力耦合距离远大于这个值。对于疏水颗粒与气泡间引力的根源,一直被认为是静电力作用的结果,即颗粒表面和气泡表面分别带有极性相反的电荷。但是,一直没有一个确切的实验可以证明凡是疏水颗粒所带的静电就一定与气泡所带静电的极性相反。因此,关于颗粒-颗粒和颗粒-气泡之间作用力的根源一直不明确,因此无法研究它们之间的耦合。最近,凝聚态物理学界发现溶解在水中的气体会在疏水性界面吸附,即溶解在水中的气体相和疏水界面间也存在耦合。这一发现给研究颗粒-颗粒和颗粒-气泡之间的耦合关系带来了新思路。学者们推测颗粒-颗粒和颗粒-气泡之间的引力是由吸附在疏水表面的气体彼此连结所形成的纳米气泡桥引起的,这一推测得到了广泛的认可,但是学界对纳米气泡桥的形成过程、作用距离、作用力的大小还没有清晰的描述。该研究旨在通过深入研究气体在疏水表面的吸附规律和纳米气泡桥的形成过程、作用距离、作用力大小来得到浮选中颗粒-颗粒间和颗粒-气泡间的耦合关系。为此,本文采用分子动力学模拟方法,首先对溶解在水中的气体在疏水表面的吸附和积聚规律进行了深入研究。其中包括气体吸附和积聚的过程、气体吸附和积聚的条件、气体吸附和积聚过程中的自由能变化、气体吸附和积聚的最终形态、气体吸附和积聚的稳定性、吸附气体的流动性等。具体模拟了溶解在水中的气体在石墨表面的吸附和积聚现象。通过分析气体和水的密度分布变化、各相分子的运动轨迹和运动速度的变化来研究气体在疏水表面的吸附和积聚规律。结果显示气体在疏水基片上的吸附过程为:首先在水与疏水性表面的接触面会出现疏松层,进而溶解在水中的气体进入疏松层吸附在固体表面形成富气层,之后,富气层内的气体发生积聚形成有弧度的纳米气泡,其弧度不断增加至平衡状态,这种平衡状态是在两种机制下实现的。第一是因为在纳米气泡上覆盖着一个高粘度的气液耦合层,它抑制了纳米气泡的扩散;第二是气泡向外扩散的气体流和气泡向内积聚的气体流相互平衡,即brenner-lohse动态平衡。然后,在此基础上研究了吸附气体对吸附表面的属性影响。具体是通过研究气体在石墨表面的吸附量对石墨表面上水滴的接触角的影响来实现的,结果发现疏水表面吸附气体后,其上的水滴的接触角变大。在吸附气体的厚度小于两个气体分子厚度时,接触角随气体吸附量增大而增大,且当吸附厚度达到两个气体分子厚度后,接触角不再增大。之后,研究了疏水颗粒-颗粒间的引力根源,具体是通过研究两片石墨烯在有气体溶解和没有气体溶解的水中的相互作用来实现的。通过分析模拟过程中各相密度分布的变化、结构相图的变化和平均力势的变化来分析吸附气体在疏水引力中的作用。结果显示:两片石墨烯在有气体溶解的水中和无气体溶解的水中的疏水引力都是由纳米气泡桥引起的。当石墨烯间距小于0.5纳米时,无论水中是否有气体溶解,疏水引力都是由真空纳米气泡桥引起;当石墨烯间距大于0.5纳米时,在没有气体溶解的水中疏水引力由水蒸气纳米气泡桥引起;而在有气体溶解的水中疏水引力由所溶气体形成的纳米气泡桥引起。由此得到了浮选中颗粒-颗粒间的耦合关系。之后,又研究了疏水颗粒-气泡间的引力根源,具体是通过研究石墨烯和气泡在有气体溶解的水中的相互作用。同样通过分析模拟过程中各相密度分布的变化、结构相图的变化和平均力势的变化来分析吸附气体在疏水表面和气泡间引力中的作用。发现石墨烯和气泡间的引力也是由纳米气泡桥引起的。即由于石墨烯表面吸附了气体层,当石墨烯和气泡靠近到一定距离时,吸附在石墨烯表面的气体就和气泡内的气体彼此连结形成气泡桥,气泡桥把石墨烯逐渐吸入气泡,当石墨烯试图离开气泡时气泡桥会阻止它们分开。由此得到了浮选中颗粒-气泡间的耦合关系。最终,得到了基于气-液-颗粒耦合的浮选机理。建立了基于气体吸附的疏水性颗粒-颗粒和疏水性颗粒-气泡间的相互吸引的作用模型。疏水性颗粒-颗粒和疏水性颗粒-气泡间的相互吸引的原因可以解释为:当疏水颗粒彼此靠近到一定程度时,吸附在它们表面上的气体会相互连结形成纳米气泡桥;同样,当疏水颗粒和气泡接近到一定程度时,吸附在疏水颗粒表面的气体也会与气泡内的气体相互连结形成纳米气泡桥,纳米气泡桥的桥力是它们之间引力的根源。该机理可以很好的解释浮选实验和浮选现场中的各种现象,依据该机理提出了对控制装置中的加药口进行重新布局的建议。
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