孙小朋加工稿要修改

作者简介：孙小朋（1993—），男，河南许昌人，硕士研究生。Tel：[phone]，E-mail：[e-mail]，通讯作者：刘文礼，教授，博士生导师。E-mail:[e-mail]气浮气泡尺寸分布规律及其影响因素研究孙小朋,刘文礼，王文森，陈塞，刘伟（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京100083）摘要：为了强化加压溶气气浮法浮选效果，研究了加压溶气气浮法中气泡尺寸的分布，通过实验室自制的基于图像法的气浮气泡尺寸测量装置，对气浮气泡尺寸进行了测量，对比了Nukiyana-Tanasawa分布、对数正态分布和正态分布在不同溶气压强及仲辛醇浓度下对气泡尺寸分布的拟合效果，并研究了溶气压强和起泡剂浓度对气浮气泡尺寸分布的影响。结果表明：加压溶气气浮法所产生的气泡尺寸分布符合正态分布规律；溶气压强对气浮气泡尺寸影响较大，随着溶气压强的增大，气浮气泡的Sauter直径逐渐减小，气泡尺寸分布密集峰逐渐向小尺寸方向转移；随着仲辛醇浓度的增加，气泡尺寸的分布更加集中，分布范围减小，Sauter直径也逐渐减小。关键词：溶气浮选；气泡尺寸；溶气压强；起泡剂；正态分布StudyonparticlesizedistributionlawofairflotationbubbleanditsinfluencingfactorsSUNXiaopeng,LIUWenli,WANGWensen,CHENSai,LIUWei(SchoolofChemical&EnvironmentEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)Abstract:Inordertoenhancetheflotationeffectofpressurizeddissolvedairflotation,thedistributionofbubblesizeinthisprocesswasstudied.Thesizeofairbubbleswasmeasuredbythelaboratory-madeimage-basedairflotationbubblesizemeasuringdevice.ThefittingeffectsofNukiyana-tanasawadistribution,logarithmicnormaldistributionandnormaldistributiontothedistributionofbubblesizeondifferentpressureandoctanolalcoholconcentrationswerecompared.Theeffectsofdissolvedgaspressureandfoamingagentconcentrationonthesizedistributionofair-flotationbubbleswereinvestigated.1)Thebubblesizedistributioninthepressurizeddissolvedairflotationaccordswiththenormaldistributionlaw;2)Thepressureofdissolutionhasagreatinfluenceonthebubblesize,andwiththeincreaseofthepressureofdissolvedgas,theSauterdiameteroftheairbubbledecreasesgradually,thebubblesizedistributiondensitypeakgraduallyshiftstothesmallsizedirection;3)Withtheincreaseoftheconcentrationofoctanolalcohol,thedistributionofthebubblesizeismoreconcentrated,thedistributionrangeisreduced,andtheSauterdiameterisgraduallyreduced.Keywords:dissolvedairfloatation;bubblesize;dissolved-airpressure;foamingagen；normaldistribution0引言加压溶气气浮法多用于水体净化[1-3]，是指在加压条件下，使空气溶于水中，然后减至常压，使空气以微小气泡（尺寸介于30～100μm[4]）在水中释放，实现气浮。在选矿领域，加压溶气气浮法气泡直接在颗粒表面析出，相对于常规机械搅拌式浮选机，省去了颗粒与气泡间的碰撞环节，可以较好地解决传统细粒颗粒浮选过程中碰撞概率低的问题[5-6]，因而可用于微细颗粒的分选[7-9]。此外，由于加压溶气气浮法产生微泡数量多，尺寸小，适用范围广泛，工作也更加稳定，所以对细粒颗粒浮选很有意义[10]。溶气浮选效果对气泡尺寸及其分布有一定的要求，因此需要对气泡进行尺寸测量，并研究浮选过程中各因素对气泡尺寸分布的影响。国内外学者开发了多种气泡尺寸测量方法[11-13]。赫尔辛基理工大学（HUT）与开普敦大学(UCT)的研究者分别设计出HUT法与UCT法两种图像法气泡尺寸测量方式[14-15]，UCT法是将毛细管插入浮选槽一定深度处，利用负压吸入气泡，根据毛细管内径与吸入气泡长度，可得到气泡的体积，进而计算出气泡的体积当量直径。HUT法则是通过取样管将气泡引入到观察室中，通过摄像机进行拍照从而得到气泡尺寸。ARiquelme等[16]采用图像法在实验室浮选柱上进行了不同浓度起泡剂和气流速率下的试验，发现气-液相条件下浮选柱中气泡尺寸分布符合对数正态分布。张世杰[17]利用图像法，在不同起泡剂浓度下，测定了机械搅拌式浮选机浮选槽中气泡尺寸分布，其测定结果表明，起泡剂浓度的增加会缩小气泡尺寸分布范围，气泡尺寸分布可以用Upper-limit分布来进行拟合。加压溶气气浮法产生气泡方式与一般浮选柱及机械搅拌式浮选机有很大不同，气泡尺寸及分布因此也必然有很大的区别。对于加压溶气气浮法气泡尺寸的测量，前人研究较少，刘钊[18]和王晨[19]等虽然进行了测定，但他们并未对气浮气泡尺寸所符合的分布函数进行进一步的分析研究。因此，笔者除了对不同条件下气浮气泡尺寸进行测量外，还对其气泡尺寸分布进行了数学上的规律拟合，以期进一步了解气浮气泡尺寸的分布规律，便于后期探索气浮气泡尺寸对浮选效果的影响，从而能够为浮选效率的提高提供依据。1试验1.1气浮气泡尺寸试验装置实验室自建的气浮气泡尺寸测量装置主要包括加压溶气系统和图像采集系统2个部分。气浮气泡尺寸测量装置如图1所示：图1气浮气泡尺寸测量装置1—加压溶气罐；2—溶气释放器；3—气泡稀释室；4—摄像机；5—光源；6—布光板；7—气泡观察柱Fig.1Schematicdiagramofmeasurementdevicefordissolvedairflotationbubbles加压溶气罐为试验提供含气水流，其内部溶气压强可通过进水阀调节。溶气稀释室底部装有2个对称的倾斜式收缩版，上部装有气泡导流板，可对进入气泡进行稀释，使气泡之间处于不重叠状态，从而方便后续观察。布光板可使光源在气泡观察柱中均匀分布，避免观察柱中局部明暗不均。试验所测溶气压强为0.2～0.5MPa。起泡剂选择仲辛醇(AR)，空气压缩机为风冷往复A系列微油型空气压缩机，排气溶气压强为0.8MPa。拍摄用摄像机为佳能EOS600D，视频分辨率为1280×720ppi，感光度ISO取100，光圈值取5.6，快门速度取1/500。试验时环境温度均为25±1℃。1.2气浮气泡尺寸测量试验试验的主要目的是测量加压溶气气浮法所产生的气浮气泡尺寸，主要包括饱和溶气水生成、气浮气泡图像采集、图像处理3个步骤。加压溶气罐中的饱和溶气水经过溶气释放器的减压、消能后，其中的空气以气泡的形式析出，当这些含气水流进入到气泡稀释室被稀释至相互之间分散不重叠的状态后，便可用长焦摄像机对进入到气泡观察柱中的稀释气泡进行拍摄。将拍摄所得到的气浮气泡视频按固定时间间距截取图片，最后用基于MATLAB的视频处理软件对图像处理得到气浮气泡的实际尺寸。在图像采集时，需要首先进行实际尺寸与图像尺寸之间的标尺换算，调节摄像机焦距，使立式标尺针能够清晰成像，连续拍3张照片，通过图像处理软件将实际测得的标尺针针头的直径与图像中标尺针针头所占据的像素进行换算，即可得到每个像素点所代表的实际尺寸。视频拍摄完毕后，使用基于MATLAB的视频提取程序将所拍摄的视频按照5s的间隔进行图片提取，剔除掉其中异常图片，最后计算提取出图片中气浮气泡尺寸。该程序主要通过图像噪点处理、气泡边缘检测等步骤计算气泡当量直径和球形系数等。基于气泡球形系数对不规则点进行排除，即利用统计点面积和周长来计算该点球形系数λ，球形系数越接近于1说明所计算的几何图形的外形越接近球形。其计算式如下：λ=2pS(1)其中，、ps分别为所检测气泡的周长和面积。2试验结果与讨论2.1气浮气泡尺寸分布模型气泡尺寸分布模型中比较著名的经验公式与理论公式有Nukiyana-Tanasawa分布、对数正态分布与正态分布等[17,20]。按照实验方法1.2中所述对溶气压强为0.5MPa不加起泡剂时气泡的尺寸进行测量。分别运用上述分布模型在Origin中对实验测定值进行拟合。不同分布函数对气泡尺寸的拟合效果用校正决定系数（R-square）表示，该值越接近于1，则说明试验观测值与分布函数值越接近，即拟合效果越好。其中，0.5MPa下气浮气泡尺寸分布拟合结果如图2所示。不同分布函数在不同溶气压强与仲辛醇浓度下拟合的校正决定系数见表1。2040608010001020304050实验值正态分布对数分布Nukiyana-Tanasawa分布直径(m)分布概率(%)图20.5MP下气浮气泡尺寸分布拟合结果Fig.2Fittingresultofdissolvedairflotationbubblesizedistributionat0.5Mpa表1不同溶气压强和仲辛醇浓度下不同分布函数对气泡尺寸分布拟合校正决定系数Table.1ThefittingadjustedR-squarevalueofdifferentdistributionfunctionsonbubblesizedistributionunderdifferentdissolvedgaspressureandoctanolalcoholsconcentration注：式中bd为气气泡尺寸，a、b、p、q为无量纲参数，μ为气泡平均尺寸，σ为标准偏差由表1可以看出，Nukiyana-Tanasawa分布、正态分布所拟合的校正决定系数(adjustedR-square)在不同条件下都接近于1，即与该条件下气浮气泡尺寸的真实分布更接近，二者拟合效果皆优于对数正态分布。考虑到Nukiyana-Tanasawa分布含有4个参数，拟合过程中结果不稳定，因此选择正态分布对试验结果进行拟合，在后续的试验条件下所获得的数据都用正态分布函数来进行拟合和比较。2.2不同溶气压强下气浮气泡尺寸分布气泡直径与溶气压强有很大的关系，托尔托雷等[20]依据静力学理论推导出压强降与气泡直径的关系，其结论表明气浮气泡的直径与溶气压强成反比。不同溶气压强下气浮气泡尺寸变化如图3所示。2040608010001020304050(d)(c)P=0.2MPa实验值正态分布拟合值分布概率(%)(a)2040608010001020304050(b)P=0.3MPa实验值正态分布拟合值2040608010001020304050直径(m)分布概率(%)P=0.4MPa实验值正态分布拟合值2040608010001020304050直径(m)P=0.5