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超声驻波场中疏水颗粒稳态声团聚机理

陈昱冉  
【摘要】:浮选过程中普遍存在分选速率慢、选择性差的问题。针对这一难题,常采用选择性絮凝或团聚的方式改善浮选。传统方法采用搅拌等水力空化的方式实现絮凝或团聚,采用超声波对颗粒进行团聚的方式尚未有公开文献报道。本文基于超声驻波技术,在不添加任何药剂的情况下,实现了一种全新的颗粒声团聚方式,并从声团聚行为和机理上进行分析与解释。本论文在超声波以及浮选领域都具有重要的理论意义和潜在的应用价值。本文主要研究成果如下:首先,通过超声驻波系统对颗粒在超声驻波场中的行为进行探究。颗粒的声团聚试验结果表明,超声驻波仅对疏水颗粒有团聚效果。此外,超声驻波的声强和频率均对声团聚的实现起着至关重要的作用。声团聚行为的产生需要一定的声强,并且一定范围内声团聚效果随声强增加而提高。当声强过高时,声团聚效果将趋于稳定。与此同时,超声驻波频率也决定了声团聚能否发生。颗粒的声团聚在50 kHz超声驻波场无法实现,而在200 kHz和600 kHz超声驻波场中均能发生。超声驻波产生的聚团非常稳定,具有较高的力学强度。频率在600 kHz时,超声驻波对于-45μm煤颗粒悬浮液的团聚效果最为显著。显微镜观测的结果显示,聚团中颗粒与气泡紧紧粘结,而聚团中的这些气泡是实现声团聚以及聚团稳定的重要原因。其次,通过高聚焦超声系统对颗粒悬浮液的空化阈值进行检测,建立空化阈值与颗粒悬浮液中气核分布的关系,探究声团聚中气泡的来源。空化概率曲线和空化阈值的分析结果表明,疏水与亲水颗粒悬浮液中气核分布存在较大差异。高聚焦超声系统测得的空化阈值取决于颗粒悬浮液中气核的浓度及尺寸。悬浮液空化阈值试验结果表明,空化阈值与悬浮液气体含量、颗粒疏水性、颗粒表面粗糙度、颗粒浓度有关。空化阈值越低,悬浮液中气核浓度及气核尺寸越大。通过对布莱克空化阈值进行分析,验证了空化阈值与水中气核尺寸的关系。分析结果表明当气核尺寸小于声场共振半径时,气核尺寸越小,空化阈值越高。本章的试验结果表明,气核以夹带的方式嵌布在疏水颗粒表面,并且疏水颗粒表面大量的夹带气核是选择性声团聚实现的重要原因之一。再次,通过不同条件下超声驻波声团聚试验,探究气核生长成为空化气泡的方式。在50 kHz和200 kHz超声驻波场中,煤颗粒可以按照两种完全不同的方式进行团聚,分别将其定义为瞬态声团聚和稳态声团聚。通过对不同条件的声团聚试验进行声学模拟,分析不同类型声团聚的形成原因。在50 kHz瞬态声团聚试验中,颗粒聚集在点状声压驻点,并且聚团数量恒定,呈现球团状,但聚团并不稳定,在超声波关闭后聚团迅速分散。相反,在200 kHz超声驻波场中,颗粒呈现稳态声团聚现象。颗粒聚集在声压节点,并且颗粒的聚集与声场分布无关。聚团数量较多并且具有较高强度,超声波关闭后不易分散。通过对空化气泡微观行为进行观测和分析,50 kHz和和200 kHz超声驻波场中分别产生了瞬态空化和稳态空化两种不同空化行为,并且这种空化行为与频率有关而与声强无关。借助空化阈值理论公式进行过分析,结果表明,瞬态空化和稳态空化行为由整流扩散空化阈值、布莱克空化阈值和瞬态空化阈值共同决定。最后,通过研究气泡和颗粒在超声驻波场中的受力情况,探究空化气泡和颗粒的运动方式,明确稳态声团聚的形成机制。试验及分析结果表明,颗粒在千赫兹超声驻波场中受到的声辐射力较小,而气泡的受力明显,颗粒相比气泡受到的声场作用力可以忽略不计。两种声场作用力在稳态声团聚过程中起着至关重要的作用,分别为初级声辐射力和次级声辐射力。在稳态声团聚过程中,颗粒表面的气核发生稳态空化,并受到声场中初级声辐射力作用向声压节点移动,形成初步的聚集。随后,由于气泡自身振动形成次级声场,相邻气泡之间产生次级声辐射力而相互吸引,颗粒在表面空化气泡的引领下相互聚集,形成稳定的聚团。利用超声驻波场中声辐射力的作用,搭建了一种双气泡浮选系统。在该系统中,颗粒与气泡的相互作用效率要明显高于传统重力场中颗粒与气泡的相互作用效率。携带有稳态空气泡的颗粒在次级声辐射力的作用下被大气泡吸引,形成一种气泡自吸引式颗粒捕集机制,从而不需要传统浮选过程中的碰撞和粘附过程。超声驻波场双气泡浮选系统大大提高了微细粒煤的浮选效率。相比传统浮选方法,超声驻波场中的浮选回收率提高了十几甚至几十个点。本文的研究结果表明超声驻波技术在未来的浮选领域具有较高的应用潜力。该论文有图109幅,表8个,参考文献156篇。


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