应用探析|高速摄像机在浮选颗粒气泡研究中的应用

1.背景介绍

浮选实质是在多相流场作用下基于颗粒物理化学性质差异诱导的运动差异而实现的分离过程。作为一种高效的界面分选技术，其已广泛用于矿物加工、废水处理、纸质脱墨、油砂萃取、塑料回收等工业过程中。浮选过程中，分散的气泡和颗粒在水力学作用下相互碰撞， 当气泡和颗粒间液膜薄化破裂后二者黏附形成颗粒-气泡气絮体，并在浮力作用下上浮至泡沫层成为精矿产品，或颗粒气泡界面不稳而发生脱附现象。理论上，颗粒被捕获的概率主要取决于颗粒-气泡的碰撞概率、粘附概率和脱附概率。由此可见，研究气泡和颗粒间相互作用对强化浮选过程至关重要。

图1 浮选原理

2.研究内容

 中国矿业大学化工学院江老师科研团队用千眼狼高速摄像机追踪气泡在均质固体以及非均质固体表面的铺展过程，借助扫描电镜（SEM）、红外光谱仪和接触角测量仪分析了固体表面物理化学结构特性，并运用MATLAB软件探究了均质与非均质固体表面三相线铺展机理和气液界面形态演变规律。

为精确观测单个气泡在固体表面上的动态铺展过程,搭建如图2所示实验系统.图像采集部分由千眼狼高速摄像机(5F01,1280X1024@2000fps)和计算机连接组成。通过精密 XYZ 位移调节器保证观测区位于千眼狼高速摄像机拍摄范围内，确保实验稳定性和可靠性。

图2 实验系统示意图

实验测试装置气密性良好后，向观测槽内加入去离子水，调试光源与高速摄像机使气泡位于固体表面正下方且在计算机采集窗口中清晰显示。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。通过千眼狼高速摄像机记录气泡铺展全过程，采集速度为 9200fps，曝光率 100μs，每组实验至少重复三次。

3.研究结论

气泡铺展实验结果发现，三相润湿周边主要经历快速铺展和慢速铺展两个阶段，快速铺展阶段三相线时空演化呈现普遍的自相似行为特征，而慢速铺展阶段三相线运动特性与固体界面性质密切相关。

图3 气泡在不同固体表面动态铺展过程

 基于固体表面物化结构分析得出，均质/非均质固体表面疏水性越好，对气泡吸引力越大，其三相线铺展长度越长；固体表面越不规则，孔隙/沟壑越多，对铺展过程三相线长度、气泡最 大宽度及其对应位置影响越大；总之，颗粒气泡粘附过程中三相线铺展行为与固体表面物理化学结构及其均匀性密切相关。

4.行业应用总结

 高速摄像机一直是气泡领域研究的神器，千眼狼的X系列和M系列高速相机，在空化气泡、气泡动力学、流体机械气泡、多相流气泡、气泡生成溃灭机理等方面的研究有着丰富的案例经验，可以为您提供专业的解决方案，欢迎您的咨询！（文章摘自：江晓凤等的《基于高速动态的气泡铺展过程动力学行为研究》文章发表于《煤炭学报》《Chemical Engineering Science》期刊）。