欧乐明;耿少沛;冯其明
胎圈钢丝【摘 要】通过使用设计装配的实验设备,研究不同条件下超声波空化作用所能产生气泡的能力,以及超声波对充气体系下的溶液气含率的影响.结果表明:超声波空化作用产生气泡的能力与溶液中气体的溶解量直接相关; 超声波的功率对超声波空化作用产生气体的体积影响比较大,28 kHz的变幅杆超声空化作用产生的气泡体积要高于20 kHz 的变幅杆;超声波作用于不同浓度的MIBC的水溶液,空化作用产生的气泡体积没有太大变化;在外充气条件下,发现超声波作用可以有效地增大溶液的气含率.%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. Whe n 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.
【期刊名称】《有金属科学与工程》
【年(卷),期】2015(006)005
【总页数】5页(P80-84)
【关键词】超声空化;超声波功率;气含率;发泡
【作 者】欧乐明;耿少沛;冯其明
【作者单位】中南大学资源加工与生物工程学院,长沙410083;中南大学资源加工与生物工程学院,长沙410083;中南大学资源加工与生物工程学院,长沙410083
【正文语种】中 文
【中图分类】TD456
8gggg超声波是一种振动频率较高的声波，其频率范围在20 kHz～10 MHz[1].当超声波的能量足够高（超过该液体的“空化阈”）时，就会产生“超声空化”现象[2].由于声波是一种纵波，所以超声波在液体传播的过程中会在液体中交替产生压缩相和稀疏相，稀疏相所形成的高负压的条件可以使液体中的气体过饱和从而析出，产生大量的微气泡[3].超声空化就是指液体中的微气核随着声压的变化产生周期性的生长、收缩，直至崩溃的动力学过程[4].
超声波空化作用的强弱与其声学参数及液体的物理化学性质有关.对于液体来说，空化作用的强度与液体的表面张力、黏滞系数、温度、密度以及其中所溶解的气体的量[5]等性质有关；对于超声波本身来说，其空化作用强度则主要与超声波的频率和功率等参数有关[6-7].此外，超声波空化作用的强度还与液体所处外环境的压力大小存在一定关系[8].
对于充气体系的液体，由于超声波的空化作用，会在气泡壁上产生交替的压力和拉力，并且空化泡崩溃过程中会在周围的液体产生微射流和湍流，这都有利于将液体中的气泡粉碎成更小的气泡.气泡尺寸变小，上升速度会降低，从而使液体的气含率增加[9].浮选过程中，气含率的增加不但可以提高精矿产率和回收率，还可以增加浮选速率[10-11].
王凡[12]的研究发现，使用超声波强化煤泥浮选时，浮选柱中的气泡尺寸明显变小，可以
增加浮选柱的气含率.邹华生[13]利用自主研发的超声鼓泡塔测定了不同频率的超声场对气泡直径的影响，发现在一定条件的超声场中，气泡直径会显著减小.Ozkan[14]在富集菱镁矿时，发现超声处理可以使浮选泡沫变小，并增加了泡沫的稳定性.
本文通过使用自主设计的超声波气泡发生装置，用排液收集气体的方法测定了在不同条件下超声空化作用所产生气体的量，使用液位上升法探索了超声波对充气条件下溶液气含率的影响.
u型卡子
1.1 实验装置及药剂
实验装置如图1所示，超声波发生器的型号为JY98-IIID，超声波变幅杆分为20 kHz和28 kHz 2种，气泡发生器上部为标有刻度的玻璃管，可以记录液位的变化.气泡收集器可视为一个倒置的底部封口的漏斗，颈部标有刻度，可以读出所收集的气体的体积.微孔滤片为一圆形微孔材料片，安装在设备底部，可以将氮气瓶冲入的气体进行分散.实验所用药剂MIBC为化学纯，溶液均使用蒸馏水配制.
1.2 实验方法
1.2.1 超声空化发泡实验
实验前先调节好超声波发生器的功率为实验所需功率，将气泡发生器和气泡收集器都充满溶液，并使液面位于气泡收集器底部以上的位置，实验过程中氮气瓶的阀门处于关闭状态，不充气.当打开超声波发生器时，超声波变幅杆的前端会产生大量的微气泡，一部分会在前端随着声波不断震荡，一部分会上升至顶部的气泡收集器中，上升至顶部的气泡会将气泡收集器细颈段的液体排出，从而可以通过标有的刻度读出液面高度，得到进入细颈段的气体的体积.超声波发生器设置为间歇工作制度，单段工作时间为10 s，间歇时间为3 s.
1.2.2 溶液表面张力测试方法
使用GBX公司生产的界面张力仪测定不同浓度MIBC溶液的表面张力，用来表示超声波空化作用产生的气泡量与溶液表面张力的关系.测试方法如下：
1）配置溶液：取一定量的蒸馏水加入起泡剂，使用欧洲之星搅拌器搅拌3 min，搅拌均匀配成所需浓度的起泡剂溶液后，在避光处静置3 h用来测试表面张力.
2）仪器的校正：把测试所用的铂金片和测量杯用无水乙醇润洗后，使用酒精灯将铂金片和
测量杯点燃.测量杯冷却以后，加入30 mL蒸馏水后用表面张力仪测试其表面张力，如果表面张力仪在71～73 mN/m，则校正值正确，校正完毕.
3）表面张力的测量：在室温25℃左右的条件下进行测试，将MIBC溶液浓度由低到高排列，每次取30 mL加入测量杯中进行测量，每个样品测量3次.如果测量值相差不大，则取算数平均值作为结果，如果相差较大，则再混匀静置后继续测量.
1.2.3 超声波对气含率影响实验
无底鞋实验前需先移除气泡收集器.首先配置一定浓度的MIBC溶液，体积为V，加入气泡反应器中，使液面处于标有刻度的中部玻璃管段，记录此时的液面高度h1.气泡反应器中部玻璃管段的半径为r，所以截面积为πr2.打开氮气罐，调节充气速度为v，待液面稳定后，记录充气速度为v时的气液界面高度h2，打开超声波发生器，待液面稳定后记录此时的气液界面高度h2.
未启动超声波发生器时，溶液气含率的计算公式为：
超声波发生器开启条件下，溶液气含率的计算公式为：usb转音频
其中，ε为溶液的气含率；r为玻璃管段的半径；h为气液界面距玻璃管底部的高度；V为加入MIBC溶液的体积.
2.1 超声波发泡实验
2.1.1 超声波功率的影响
实验使用蒸馏水，超声波变幅杆的频率为20 kHz，每个功率条件都收集3个工作段的气体，结果如图2所示.从结果可以看出，超声波空化作用产生的气泡的速率并不是很快，相比一般的充气式发泡，体积基本可以忽略.也可以得出超声波空化作用产生气体的体积是随着超声波功率的增加而增加的，且基本呈线性关系.
2.1.2 时间的影响
实验使用溶液仍为蒸馏水，超声波变幅杆的频率为20 kHz.调节超声波发生器的功率为1 000 W，不更换气泡反应器内的液体.单段超声时间为10 s，3段为1组.打开超声波发生器，记录随着时间增长，每组超声空化产生气体的体积变化，共记录6组，实验结果如图3所示.由实验结果可知，随着时间的增长，超声波空化产生气体的体积不断减少，但会逐渐趋于
平缓.这是由于随着超声空化的不断进行，水中溶解气体的量不断减小，空化作用产生的气体体积也相应减小.而减小到一定程度后，由于外环境空气溶于水的速度与空化作用产生气体速度不断接近，溶液中溶解气体的量趋于平衡，空化作用产生气体的体积也就趋于一定值.
