第 6 期 P E微孔形成微 气泡及其理论研究 科研 与开发 t t t t t t t l 夕 P E微 孔 形成微 气泡及 其 理 论研 究 吴胜军方为茂赵红卫 昌于奇林学理熊英冯波 四川大学化工学院 四川成都 6 1 O 0 6 5 摘 要 微气泡制造及微化技术 的改进与提高是气浮技术广泛应用的关键 研究 了利用 P E微孔膜管 在高速剪切流剪切作用下形成微气泡的条件 从气泡形成机理上分析了膜管孔径大小 气体流量 剪切流流速和表面张力对气泡粒径分布的影响 实验采用静态显微摄像技术对气泡粒径分布进行 了表征 实验结果表明 利用 P E微孔膜管形成的气泡粒径在 4 0 8 0 f z m之间 气泡平均粒径在 4 4 3 6 O 5 tz m之间 膜管孔径大小 气体流量 剪切流流速 液相流体的表面张力是影响气泡粒 径分布的主要因素 关键词 废热锅 炉 裂纹事故 有限元分析法 事故分析安全管理 微气泡被广泛应用于生物 化工 选矿等领域的 两相之间热交换和质量传递过程 以及环境工程中 水的净化 污水处理 尤其是近年来在水处理方面广 泛应用的气浮技术 1 对气泡的性能要求更高 气泡大小与分布直接影响气浮分离效率 一般 认为 气泡直径越小 数密度越高 气浮分离效果越 好 2 近年来 随着多孔材料生产技术的提高 利用 多孑 L 材料形成微气泡越来越多地引起专家学者们的 兴趣 国内外均有文献和资料报道了多孔材料形成 微气泡的研究 但对气泡制造工艺 中一些主要性能 参数都没有全面的汜载 本文研究利用 P E微孔 管 在高速剪切流剪切作用下形成微气泡的条件 以及流 体物性对气泡粒径分布的影响 改造了气泡粒径测 定装置 采用捕获器和显微摄像系统静态测定气泡 粒径 并从气泡形成机理上分析了 P E微孔膜 管孑 L 径大小 气体流量 剪切流流速和液相流体表面张力 影响气泡粒径分布的原因 1 实验材料及方法 1 1 微孔膜管及流体物性 P E微孔膜管 聚乙烯 太仓市多多过滤材料有 限公 司提供 外 观直径 1 5 ram 长度 2 8 0 mm 膜孑 L 径 P E 工 o 5 2 m 空隙度 3 0 2 P E 2 5 m 空隙度 3 9 4 液相流体物性的改变是通过向水中加人不 同比 例的异丁醇溶液调节其表面张力 表面张力的大小 采用最大泡压法测定 液体的粘度由 Y DN1 0 1型运 动粘度测定仪测得 表 1为 2 5 时测得 的不 同实 验工况液相流体物性参数 表 1 液相流体物性参数 2 5 C 1 2 实验装置 实验流程如图 2 所示 由气泡发生系统和气泡 粒径测定系统两部分组成 气泡发生系统采用原有 实验装置 引 液相流体经水泵进人气泡发生器 形成 2 四川化工 第 1 1 卷2 0 0 8年第 6期 高速的剪切流 气体经空气压缩机进入一端封闭的 P E微孔膜管内 通过阀门控制膜管管内压力大于管 外压力 以此提供推动力 使气体被膜管上的微孑 L 离 散化 由管外壁面溢出时 利用管外高速流过 的剪切 流剪切作用 形成微气泡与液体 的气 液混合水 气泡粒 径 测定 系 统是 在 原有 装 置上 改 造 而 成 4 通过捕获器 和图像采集系统 包括数码相机 S O NY D S C P 1 l O 显微镜 XS 1 8 计算机 进行 静态显微拍摄气泡照片 捕获器与取样管相连 其 长度可调节 以 4 5 角斜插 到观测管中心 为了避 免捕获器 中气 泡的聚并 和破裂 取样 流量控制在 0 8 I mi n 气泡的大小 以 目镜 中测微尺的刻度来 度量 拍摄 的气泡照片利用计算机统计得到气泡粒 径分布 2 实验结果 图 1 实验流 程 2 1 气泡粒径分布的测定 采用捕获器和静态显微摄像系统能够准确测定 气泡的大小及其分 布 有效地克服 了动态拍摄气泡 聚焦难 气 泡重叠 严重等现象 图 2为气体流量 0 3 I mi n 剪切流流速为 1 5 1 m s 时 P E I 产生 的气泡照片 由图 2 看出 P E微孔膜管产生的微气 泡中除了大量的微细气泡外 还夹杂有少量的大气 泡 其主要原因是微孑 L 膜管孔径大小分布不均匀 另外 在采样过程中小气泡之问的相互碰撞聚并形 成大气 泡 2 2 气泡粒径分布的影响因素 2 2 1 膜管孔径大小对气泡粒径分布的影响 在气泡发生装置 中 影响气泡大小的主要因素 是微孔膜管的孔径分布 气体流量 剪切流流速 水 体物性 表面张力 及水体的化学成分等 引 在气体 流量 剪切流流速和水体物性及水体化学成分不变 的情况下 采用同一根 P E微孔膜管产生的气 泡粒 径应保持稳定 图 2 气泡照片 在操作条件不变的情况下 P E微孑 L 膜管的孑 L 径 越小 分布越窄 产生的气泡越小 图 3为气体流量 0 3 I mi n 剪切流流速 1 5 1 m s 时不同孔径 的 P E 膜管产生气泡的粒径分布及其累积分布 由图 3 a 看出 P E I 形成 的气 泡粒径 主要 集 中在 4 0 6 0 m之间 而 P E 1 I 形成 的气泡粒径主要集中在 6 0 8 0 g m之间 由图 3 b 可知 P E I 产生的气 泡平均粒径为 5 2 2 m P E 1 i 产生的气 泡平 均粒 径 为 5 8 7 m I I 2 0 o 0 o 求6 0 4 0 麟2 0 0 图 3 孔径大小对气 泡粒径分布的影响 2 2 2 气体 流量对 气泡粒 径分布 的影 响 保持剪切流流速恒定的情况下 气泡粒径分布 曲线随着气体流量的改变而改变 如图 4 a b 所 示 气体流量增加 气泡粒径分布曲线 向气泡粒径减 小的方向移动 由图 4 b d 可知 当气体流量从 0 2 I rai n 增加到 0 4 I mi n时 P E I 产生的气泡 平均粒径从 5 0 7 t i m 减小到 4 5 6 g m P E 产生 的气泡平均粒径从 5 7 6 m减小到 5 2 3 p m 第 6 期 P E微 孔形成 微 气泡及 其 理论研 究 3 a 3 3 5 蠹 l 5 0 3 3 5 蠹 2 l 5 0 0 图 4 气体流量对气泡粒径分布 的影 响 2 2 3 剪切流 流速对 气 泡粒径分布 的影 响 保持通过膜管的气体流量恒定的情况下 气泡 粒径分布曲线随着剪切流流速 的改变而改变 如图 5 a b 所示 剪切流流速增加 气泡粒径分布曲线 向气泡粒径减小 的方 向移动 在不 同剪切流流速 下 由图 5 a 看出 气泡粒径小于 6 0 m 的气泡在总 数中所占比例大于 8 O 9 6 由图 4 b d 可知 当剪 切流流速从 1 0 1 m s 增 加到 1 7 8 m s时 P E I 产生的气泡平均粒 径从 5 3 7 z m 减小 到 4 7 5 m P E 1 I 产 生 的气 泡平 均粒 径从 6 0 5 m 减 小到 5 0 7址 m f d l 2 0 0 0 o 盍6 0 鬈4 0 2 0 0 图 5 剪切流流速对气泡粒径分布的影响 2 2 4 表面张力对气泡粒径的影响 气泡发生装置中 剪切流剪切作用和流体物理 性质与气泡的形成密切相关 因此液相流体物性对 气泡大小影响的研究对将来气浮工艺的设计 运行 有重要 的意义 图 6为气 体流量 剪切流流速恒定 情况下 液相流体表 面张力 与气 泡粒径分布 曲线 由图 6 a b 看出 液相流体的表面张力改变 产生 的气泡粒径分布曲线变化显著 液体表面张力减小 产生的气泡粒径分布曲线向气泡粒径减小的方向移 动 且气泡分布曲线明显变窄 由图 6 b d 可知 液相流 体表 面张 力 由 7 2 mN m 减小 到 4 9 mN m 时 P E 工 产生的气泡平均粒径从 4 7 8 m减小到 4 4 3 m P E 1 I 产生的气泡平均粒径从 5 6 5 m减 小到 4 9 6 m 由此可见 在气 浮工艺 的工业应用 中 添加能改变液相流体表面张力的药剂是有必要 的 b l 皿 碟 图 6 表面张力对气泡粒径分布的影响 3 结果讨论 在液相流体物性 剪切流流速恒定的情况下 气 体的流量增加 膜管内外压差增加 膜管上更多的小 孔被打开 由小孔产生 的气泡粒径相对较小 在气 泡开始形成阶段 膜管内外压差提供推动力 克服毛 细管压力而形成气泡 假设形成 的气泡为球形 气 泡的大小与压差的关系由 L a p l a c e 方程描述 d 2 7 1 其中 d 为气泡粒径 7 为表面张力 为膜管 内气体压力 为膜管外静水压 一 即膜管内 外压差 由公式 1 看出 气体流量增加 膜管内外压 差越大 产生的气泡粒径越小 当气体流量较小时 膜管内外压差较小 气体只通过膜管上较大的孑 L 对 于大孔 毛细管压力非常小 由公式 2 可 以看出 7 A p 一 2 4 四川化工 第 1 1 卷2 0 0 8年第 6期 其中 P为毛细管压力 为表面张力 r P为 微孔孔半径 因此 气体流量越小 膜管上只有较大 的微孔被打开 气泡形成受到的阻力越小 气泡生长 迅速 产生 的气泡较大 根 据 S E F o r r e s t e r 和 C D Ri e l l y提 出的多孑 L 材料表面单气泡形成理论模型l 8 假设气体通过多 孔材料的速度非常低 且产生的气泡为球形 则气泡 的形成主要是液相流体剪切力和表面张力平衡的结 果 气泡粒径 d 由以下关联式来表示 一 c 8 d o 7 3 其中 C 为剪切流剪切系数 为剪切流流 速 d 为微孔孔径 y为表面张力 由公式 3 可 以 看出 微孑 L 材料的孔径越小 表面张力越小产生的气 泡粒径越小 剪切流流速越大产生的气泡粒径越小 与实验结果一致 4结论与展望 高速剪切流剪切作用下 P E微孑 L 膜管产生的气 泡平均粒径在 4 4 3 6 0 5 m之间 气泡粒径 主要 集 中在 4 O 8 O m之间 气泡的大小及其分布满足 气浮技术对气泡性能的要求 从物化性能上 P E微 孔膜管有韧性好 耐磨 耐腐蚀和在恶劣环境下的力 学性能 并且价格便宜 有 良好的工业应用前景 微孑 L 膜管孔径越小 分布越窄 形成的气泡粒径 越小 气体流量 剪切流流速增加 气泡粒径减小 液相流体表面张力减小 P E微孑 L 膜管形成的气泡粒 径明显减小 粒径分布变窄 因此 选择性能优越的 微孔膜管是该气泡微化技术的关键 另外 控制适 当的气体流量 剪切流流速的同时 选择添加适合的 表 面活性剂有 必要 的 参考文献 1 朱锡海 任欣 陈卫 国 气浮分离技术研究现状与方向 J 水处理 技术 1 9 9 1 1 7 6 3 5 5 3 6 0 2 Ki u r u H J De v e l o p me n t o f d i s s o l v e d a i r fl o t a t i o n t e c h n o l o g y f r o m t h e f i r s t g e n e r a t i o n t O t h e n e we s t o n e J Wa t e r S c i e n c e Te c h n o l o g y 2 0 01 4 3 1 8 l 7 3 徐振华 赵红卫 方为茂 等 金属微 L 管制造微气泡的研究 J 一 环境污染技术 与设备 2 0 0 6 7 9 7 8 8 2 4 陈福泰 左华 李久义 等 新型气浮装置 E S DAF中气泡粒 径分 布的表征 J 环境科学 2 0 0 4 2 5 1 5 R o d r i g u e s R T R u b io J n e w b a s i s f o r me a s u r i n g t h e s i z e d i s t r i b u t io n o f b u b b l e s J Min e r a l s E n g i n e e r i n g 2 0 0 6 1 6 7 5 7 7 6 5 6 Ry a n W I He 。