氣體在疏水性表面的吸附和積聚現(xiàn)象及其作用研究.pdf

1、浮選是在氣-液-固三相流中，由于各相間的耦合程度存在差異，疏水性顆粒因?yàn)槭杷H氣而吸附在氣泡上被浮出，親水性顆粒因?yàn)橛H水被留在水中的選礦工藝。目前浮選生產(chǎn)過程存在的不足是自動化程度較低。一直以來，我們的研究工作都圍繞如何更好的實(shí)現(xiàn)對浮選過程的自動控制，在研究中我們發(fā)現(xiàn)浮選機(jī)理成為我們在控制算法設(shè)計(jì)中的一個重要問題。浮選機(jī)理的核心是兩種耦合關(guān)系。第一種耦合關(guān)系是由于浮選中疏水顆粒-疏水顆粒間存在引力，所以要明確顆粒-顆粒間相互作用的耦合關(guān)

2、系；第二種耦合關(guān)系是因?yàn)槭杷w粒能吸附到氣泡上，所以要明確顆粒-氣泡間相互作用的耦合關(guān)系。本文從微觀的角度，采用分子動力學(xué)方法模擬浮選過程中氣-液-顆粒的耦合關(guān)系，探索其間的規(guī)律，重新認(rèn)識浮選機(jī)理。
　　以往，關(guān)于浮選中疏水顆粒-疏水顆粒間引力的根源被認(rèn)為是非極性分子在水環(huán)境中具有避開水而相互聚集的傾向。這些非極性分子使周圍水分子的排列順序發(fā)生變化，因此熵發(fā)生了變化，它們相互吸引的原動力來自于熵變化引起的自由能變化。但是，基于該機(jī)

3、理計(jì)算所得的耦合距離非常的短，而實(shí)際測得的疏水引力耦合距離遠(yuǎn)大于這個值。對于疏水顆粒與氣泡間引力的根源，一直被認(rèn)為是靜電力作用的結(jié)果，即顆粒表面和氣泡表面分別帶有極性相反的電荷。但是，一直沒有一個確切的實(shí)驗(yàn)可以證明凡是疏水顆粒所帶的靜電就一定與氣泡所帶靜電的極性相反。因此，關(guān)于顆粒-顆粒和顆粒-氣泡之間作用力的根源一直不明確，因此無法研究它們之間的耦合。
　　最近，凝聚態(tài)物理學(xué)界發(fā)現(xiàn)溶解在水中的氣體會在疏水性界面吸附，即溶解在水中

4、的氣體相和疏水界面間也存在耦合。這一發(fā)現(xiàn)給研究顆粒-顆粒和顆粒-氣泡之間的耦合關(guān)系帶來了新思路。學(xué)者們推測顆粒-顆粒和顆粒-氣泡之間的引力是由吸附在疏水表面的氣體彼此連結(jié)所形成的納米氣泡橋引起的，這一推測得到了廣泛的認(rèn)可，但是學(xué)界對納米氣泡橋的形成過程、作用距離、作用力的大小還沒有清晰的描述。該研究旨在通過深入研究氣體在疏水表面的吸附規(guī)律和納米氣泡橋的形成過程、作用距離、作用力大小來得到浮選中顆粒-顆粒間和顆粒-氣泡間的耦合關(guān)系。

5、>　　為此，本文采用分子動力學(xué)模擬方法，首先對溶解在水中的氣體在疏水表面的吸附和積聚規(guī)律進(jìn)行了深入研究。其中包括氣體吸附和積聚的過程、氣體吸附和積聚的條件、氣體吸附和積聚過程中的自由能變化、氣體吸附和積聚的最終形態(tài)、氣體吸附和積聚的穩(wěn)定性、吸附氣體的流動性等。具體模擬了溶解在水中的氣體在石墨表面的吸附和積聚現(xiàn)象。通過分析氣體和水的密度分布變化、各相分子的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動速度的變化來研究氣體在疏水表面的吸附和積聚規(guī)律。結(jié)果顯示氣體在疏水基片

6、上的吸附過程為：首先在水與疏水性表面的接觸面會出現(xiàn)疏松層，進(jìn)而溶解在水中的氣體進(jìn)入疏松層吸附在固體表面形成富氣層，之后，富氣層內(nèi)的氣體發(fā)生積聚形成有弧度的納米氣泡，其弧度不斷增加至平衡狀態(tài)，這種平衡狀態(tài)是在兩種機(jī)制下實(shí)現(xiàn)的。第一是因?yàn)樵诩{米氣泡上覆蓋著一個高粘度的氣液耦合層，它抑制了納米氣泡的擴(kuò)散；第二是氣泡向外擴(kuò)散的氣體流和氣泡向內(nèi)積聚的氣體流相互平衡，即Brenner-Lohse動態(tài)平衡。
　　然后，在此基礎(chǔ)上研究了吸附氣體對

7、吸附表面的屬性影響。具體是通過研究氣體在石墨表面的吸附量對石墨表面上水滴的接觸角的影響來實(shí)現(xiàn)的，結(jié)果發(fā)現(xiàn)疏水表面吸附氣體后，其上的水滴的接觸角變大。在吸附氣體的厚度小于兩個氣體分子厚度時，接觸角隨氣體吸附量增大而增大，且當(dāng)吸附厚度達(dá)到兩個氣體分子厚度后，接觸角不再增大。
　　之后，研究了疏水顆粒-顆粒間的引力根源，具體是通過研究兩片石墨烯在有氣體溶解和沒有氣體溶解的水中的相互作用來實(shí)現(xiàn)的。通過分析模擬過程中各相密度分布的變化、結(jié)構(gòu)

8、相圖的變化和平均力勢的變化來分析吸附氣體在疏水引力中的作用。結(jié)果顯示：兩片石墨烯在有氣體溶解的水中和無氣體溶解的水中的疏水引力都是由納米氣泡橋引起的。當(dāng)石墨烯間距小于0.5納米時，無論水中是否有氣體溶解，疏水引力都是由真空納米氣泡橋引起；當(dāng)石墨烯間距大于0.5納米時，在沒有氣體溶解的水中疏水引力由水蒸氣納米氣泡橋引起；而在有氣體溶解的水中疏水引力由所溶氣體形成的納米氣泡橋引起。由此得到了浮選中顆粒-顆粒間的耦合關(guān)系。
　　之后，又

9、研究了疏水顆粒-氣泡間的引力根源，具體是通過研究石墨烯和氣泡在有氣體溶解的水中的相互作用。同樣通過分析模擬過程中各相密度分布的變化、結(jié)構(gòu)相圖的變化和平均力勢的變化來分析吸附氣體在疏水表面和氣泡間引力中的作用。發(fā)現(xiàn)石墨烯和氣泡間的引力也是由納米氣泡橋引起的。即由于石墨烯表面吸附了氣體層，當(dāng)石墨烯和氣泡靠近到一定距離時，吸附在石墨烯表面的氣體就和氣泡內(nèi)的氣體彼此連結(jié)形成氣泡橋，氣泡橋把石墨烯逐漸吸入氣泡，當(dāng)石墨烯試圖離開氣泡時氣泡橋會阻止它

10、們分開。由此得到了浮選中顆粒-氣泡間的耦合關(guān)系。
　　最終，得到了基于氣-液-顆粒耦合的浮選機(jī)理。建立了基于氣體吸附的疏水性顆粒-顆粒和疏水性顆粒-氣泡間的相互吸引的作用模型。疏水性顆粒-顆粒和疏水性顆粒-氣泡間的相互吸引的原因可以解釋為：當(dāng)疏水顆粒彼此靠近到一定程度時，吸附在它們表面上的氣體會相互連結(jié)形成納米氣泡橋；同樣，當(dāng)疏水顆粒和氣泡接近到一定程度時，吸附在疏水顆粒表面的氣體也會與氣泡內(nèi)的氣體相互連結(jié)形成納米氣泡橋，納米氣泡