液体表面张力对气泡和玻璃珠脱离行为的影响

《Powder Technology》：Effect of liquid surface tension on the detachment behavior of an air bubble and a glass bead

液面张力变化影响疏水玻璃珠与气泡的脱离行为，通过测量接触角、诱导时间和脱离力，发现低表面张力下液体扩散和润湿增强，导致接触角和脱离力下降，从而影响浮选稳定性。

　　本研究聚焦于液体表面张力对气泡与不同疏水性玻璃珠脱离行为的影响。通过测量回退接触角、诱导时间和脱离力，揭示了液体表面张力如何作用于气泡与玻璃珠之间的相互作用机制。实验结果表明，当液体表面张力从72.86?±?0.05 mN/m降低至71.76?±?0.04 mN/m时，不同疏水性玻璃珠的回退接触角、诱导时间和临界脱离力仅发生微小变化。这表明在一定范围内的液体表面张力变化对玻璃珠表面的液体扩散和润湿行为影响有限，从而对脱离行为的影响也较小。然而，当液体表面张力进一步降低至58.16?±?0.12 mN/m和41.74?±?0.22 mN/m时，液体在玻璃珠表面的扩散和润湿能力显著增强。此时，气泡与玻璃珠之间的回退接触角和临界脱离力均有所减小，这说明气泡与玻璃珠之间的三相接触线（TPCL）扩展受到了抑制，进而导致聚集体的稳定性下降。研究发现，液体表面张力的调控对气泡与疏水性颗粒的分离过程具有重要意义，这为选择最佳的液体表面张力以提高浮选效率提供了理论依据。

浮选技术是矿物加工中的重要手段，通过高效分离矿石与脉石，能够显著提升资源的利用率。气泡与颗粒之间的相互作用是浮选过程的核心，决定了分离效率和回收率。在浮选过程中，气泡与颗粒的脱离涉及到固液气界面的动态变化。当气泡与颗粒脱离时，系统的固气界面会逐渐转化为固液和气液界面。这一过程受到颗粒的疏水性、形状、气泡的大小以及液体表面张力等多种因素的影响。然而，目前对液体表面张力对气泡与颗粒相互作用力影响的研究仍不够全面。

近年来，液体表面张力在浮选中的作用逐渐受到重视。研究表明，液体表面张力可以通过添加药剂进行调节，从而影响液固、液气或不同液体之间的界面性质。例如，Omar等人通过使用乙醇、正丙醇和正丁醇等醇类物质调节液气界面的表面张力，从而优化浮选效果。Zou等人发现，随着醇类化学品浓度的增加，液体表面张力会降低并趋于稳定。Shen等人则指出，混合十二烷基胺和辛酸的捕收剂能够有效降低液气界面的表面张力，这对高岭石的浮选具有积极作用。Nazari和Hassanzadeh的研究表明，降低液体表面张力有助于提高浮选回收率，并能有效控制气泡的尺寸分布。Bai等人发现，表面活性的增强会导致液气界面的表面张力降低，同时也会改变颗粒的疏水性。此外，液体表面张力的降低有助于促进液体在固体表面的扩散。Cao等人研究了水与乙醇在亲水性和疏水性毛细管中的动态行为，发现动态接触角主导了疏水性表面的润湿行为，而液体表面张力则对亲水性表面的润湿行为起着重要作用。Channouf等人探讨了不同润湿性固体表面在液滴撞击过程中的微尺度动态行为，指出液体表面张力的降低能够促进液体在固体表面的扩散。Wang等人则研究了不同浓度乙醇溶液在多种固体表面的润湿性，发现液滴的物理性质、扩散程度以及振荡行为都会影响润湿过程。这些研究均表明，液体表面张力在润湿和浮选过程中具有重要的作用，但对气泡与颗粒之间相互作用力的具体影响尚未得到充分探索。

在本研究中，通过清洁和疏水处理制备了不同疏水性的玻璃珠作为实验材料。实验中，研究了液体表面张力变化对玻璃珠表面液体扩散和润湿行为的影响，并分析了这些变化如何进一步影响气泡与玻璃珠之间的相互作用。同时，结合诱导时间的研究，探讨了气泡与玻璃珠附着所需的最短时间。通过实际的力测量和理论计算，验证了液体表面张力对气泡与玻璃珠之间相互作用力的影响，并在脱离过程中观察和分析了聚集体的稳定性。本研究不仅揭示了液体表面张力在气泡与颗粒相互作用中的作用机制，还为提高粗颗粒浮选性能提供了理论和实验支持。

实验材料的选择对于研究结果的准确性至关重要。本研究采用的是球形玻璃珠，其密度为2.2 g/cm3，粒径范围为?1.12?+?1.20?mm。这些玻璃珠来源于中国廊坊道宏玻璃珠有限公司。实验过程中，对测试样品进行了清洁和处理，如图1所示。通过这些处理步骤，确保了玻璃珠表面的均匀性和可重复性，从而为后续实验提供可靠的材料基础。此外，为了研究液体表面张力的变化，实验还准备了不同浓度的乙醇溶液，包括1?×?10^?4?mol/L、1?×?10^?2?mol/L、1?mol/L和3?mol/L四种浓度。将这些乙醇溶液加入烧杯中，并使用磁力搅拌器充分搅拌，以确保溶液的均匀性和稳定性。通过这种方式，实验能够系统地分析不同浓度乙醇溶液对液体表面张力的影响，并进一步探讨其对气泡与玻璃珠相互作用的具体作用。

液体表面张力的变化对气泡与颗粒的相互作用具有显著影响。在本研究中，通过图6展示了液体表面张力随乙醇浓度变化的趋势。当乙醇浓度从0?mol/L（去离子水）增加至3?mol/L时，液体表面张力从72.86?±?0.05 mN/m降低至41.74?±?0.22 mN/m。这一变化趋势表明，乙醇浓度与液体表面张力之间存在负相关关系。随着乙醇浓度的增加，液体表面张力的降低幅度逐渐加大，说明乙醇对液体表面张力的调控作用具有一定的浓度依赖性。然而，当乙醇浓度较低时，如从0?mol/L增加至某一临界值，液体表面张力的变化相对较小，这表明此时乙醇对液体表面张力的影响有限。因此，在低浓度乙醇溶液的环境下，液体在玻璃珠表面的扩散和润湿行为与去离子水环境下的表现相似，这可能是因为此时乙醇对液体表面张力的改变不足以显著影响润湿过程。然而，当乙醇浓度进一步升高时，液体表面张力的显著降低则会导致润湿行为的明显变化，从而影响气泡与玻璃珠之间的相互作用。

通过分析液体表面张力的变化，可以进一步理解其对气泡与颗粒相互作用的机制。液体表面张力的降低会改变气泡与颗粒之间的附着和脱离行为。当表面张力较低时，液体更容易在颗粒表面扩散，从而促进颗粒的润湿。然而，这种润湿行为可能会对气泡的附着产生不利影响。例如，当液体表面张力降低至一定程度时，气泡与颗粒之间的三相接触线（TPCL）可能无法有效扩展，导致气泡与颗粒之间的附着力减弱。这种现象可能与颗粒表面的润湿行为有关，因为润湿的增强可能会改变颗粒与气泡之间的界面特性，从而影响附着和脱离过程。因此，在浮选过程中，合理调控液体表面张力不仅能够优化颗粒的润湿行为，还能够影响气泡与颗粒之间的相互作用力，从而提高浮选效率。

此外，研究还发现，液体表面张力的变化对气泡与颗粒之间的诱导时间具有重要影响。诱导时间是指气泡与颗粒开始附着所需的最短时间，它反映了气泡与颗粒之间的相互作用力是否足够强以克服其他因素（如重力、浮力等）的影响。当液体表面张力降低时，诱导时间可能会相应缩短，因为此时气泡与颗粒之间的相互作用力增强，使得附着过程更加迅速。然而，当表面张力降低至一定程度时，诱导时间的变化可能变得不显著，这表明此时气泡与颗粒之间的相互作用力已经达到一个平衡状态。因此，在浮选过程中，选择适当的液体表面张力不仅能够优化颗粒的润湿行为，还能够影响气泡与颗粒之间的附着和脱离过程，从而提高浮选效率。

综上所述，本研究通过实验和理论分析，揭示了液体表面张力对气泡与不同疏水性玻璃珠脱离行为的影响机制。研究发现，液体表面张力的变化对玻璃珠表面的液体扩散和润湿行为具有显著影响，而这些变化进一步影响了气泡与玻璃珠之间的相互作用力。在低浓度乙醇溶液的环境下，液体表面张力的变化较小，导致玻璃珠表面的润湿行为与去离子水环境下的表现相似，从而对气泡与玻璃珠的相互作用影响有限。然而，当液体表面张力显著降低时，玻璃珠表面的润湿行为增强，导致气泡与玻璃珠之间的三相接触线扩展受限，从而降低聚集体的稳定性。这些发现为选择最佳的液体表面张力以提高浮选性能提供了理论依据。通过调控液体表面张力，可以优化气泡与颗粒之间的相互作用，从而提高浮选效率和回收率。本研究的结果不仅有助于理解液体表面张力在浮选过程中的作用机制，还为实际工业应用中的浮选工艺优化提供了参考。