3-2 气浮理论基础在线视频

在上一节气浮概述中，我们介绍过，气浮过程是通过在水中通入空气

产生细小的微气泡，并使其与水中的杂质粘附，然后上浮的过程

悬浮物与气泡发生粘附，这是气浮的前提

但悬浮物如何才能与气泡粘附呢？

下面我们先介绍悬浮物与气泡的粘附条件

气浮过程涉及水、气、固三相介质

在三相介质混合体系中，每两相之间都存在界面张力

如这个图所示，三相间构成的交界面称为润湿周边

过润湿周边作水与颗粒之间的界面张力作用线，σ_水粒

水与气泡之间的界面张力作用线，σ_水气

两作用线的夹角称为润湿接触角，用θ来表示

这个接触角表示了颗粒的亲疏水性

接触角大于90度的物质称为疏水性物质，容易被气泡粘附

而接触角小于90度的物质为亲水性物质，不易被气泡粘附

同时我们也可以从界面能做进一步解释

按照物理化学的热力学理论，任何体系均存在这样一个趋势

即力图使界面能减为最小

界面能等于界面张力乘以界面面积

在气泡与颗粒附着前，单位面积颗粒和气泡的界面能可以用这个式子来表示

在气泡与颗粒附着后，颗粒和气泡的界面能可以写成这个式子

附着前后，界面能的减少值如这个式子所示

当颗粒与气泡粘附，处于稳定状态时

三相界面张力的关系可以用这个式子来表示

经整理后，我们就得到界面能变化的计算式如下

即界面能的变化与，水与气泡之间的界面张力σ_水气和颗粒的润湿接触角θ有关

那么，从界面能角度，颗粒与气泡的附着条件就是ΔW应大于0

ΔW越大，说明这个过程的推动力就越大，颗粒越容易被气泡粘附

下面我们进一步分析

表征颗粒亲疏水性的润湿接触角对界面能和气浮效果的影响

根据界面能变化的计算公式，我们可以看到

如果θ角趋近于0，即cosθ趋近于1，ΔW则趋近于0，这种颗粒不能发生气浮

如果θ小于90度，那么cosθ>0，ΔW<σ_水气，此时，界面能发生变化，可以发生气浮

但颗粒与气泡之间粘附不牢，这种情况属于亲水性颗粒的气浮，是不稳定的

而只有当θ大于90度，ΔW>σ_水气时，颗粒才容易与气泡粘附

发生稳定的气浮，这种情况即是疏水性颗粒发生的气浮

当而θ角趋近于180度时，ΔW趋近于2σ_水气，这种物质疏水性最强，最易被气浮

另外，从这个式子可以看到，对于润湿接触角小于90度时

颗粒的润湿接触角随水的表面张力不同而改变

增大水的表面张力，可以使润湿接触角增加，有利于颗粒与气泡的粘附

通常水中表面活性物质含量低时，水的表面张力比较大

因此，在含表面活性物质比较少的体系中，气浮效果比较好

前面我们谈到，亲水性颗粒不易被气泡粘附

如果要提高亲水性颗粒与气泡的粘附性

我们可以通过投加浮选剂对亲水性颗粒的表面进行改性，然后再进行气浮

如这个图所示，浮选剂，比如松香油、脂肪酸、表面活性剂等

大多是由极性-非极性基团组成

极性基团选择性地被亲水性颗粒所吸附，而非极性基团朝向水

这样，颗粒表面就由亲水性转化成了疏水性

从而易于与气泡粘附，随气泡一起上升到水面

影响气浮效果的第二个因素是气泡的分散度和稳定性

为保证稳定的气浮效果，要求气泡在水中具有一定的分散度和稳定性

一般要求气泡粒径在100微米以下，才能很好地附着在颗粒上

但通常在清洁水中，气泡常常难以达到气浮要求的极细分散度

这是因为清洁水的表面张力比较大，根据热力学理论

气泡有自动降低表面能的倾向，即气泡有自动合并、增大的倾向

同时，在清洁水中，气泡表面缺乏表面活性物质的保护，容易破灭

为了保持气泡一定的分散度和稳定性，当水中表面活性物质较少时

可往水中投加一定的表面活性物质，或称为起泡剂

如图所示，表面活性物质极性端易溶于水，而非极性端伸入气泡

对气泡形成保护，防止气泡的兼并和破灭

从而保证了气泡具有一定的分散度和稳定性

对于有机污染物含量不多的废水，在进行气浮时

气泡的稳定性可能会成为影响气浮效果的主要因素

因此，投加适量的表面活性剂是必要的

但如果表面活性物质过多时，又会带来负面作用

会导致水的表面张力降低，颗粒严重乳化

此时，尽管气泡具有一定的分散度和稳定性

但颗粒与气泡粘附变差，导致气浮效果下降

因此，我们需要从气泡的稳定性、水的表面张力以及乳化效果等方面综合考虑

来控制表面活性剂的投加量

刚才谈到了乳化现象，下面我们来看看乳化现象是如何发生的？

有什么不利作用？

前面我们介绍过，疏水性颗粒容易粘附在气泡上

气浮效果应该很好，但多数情况下气浮效果并不好

这主要是由于当水中含有过量的表面活性物质或亲水性固体粉末时

疏水性颗粒就会发生乳化现象

我们以油粒为例进行说明

如果水里存在过量的表面活性物质，就会出现如这个图所示的情况

表面活性物质的非极性端吸附在油粒上

而极性端则伸向水中，形成乳化油

那么这个乳化现象会带来什么样的弊端呢？

极性基团中的羧基在水中离解，使乳化油表面带电，产生双电层现象

形成稳定体系，阻碍细小油珠之间的兼并以及油珠和气泡之间的粘附

从而使气浮效果降低

当水中混入一些亲水性固体粉末，比如粉砂、粘土等时，也会发生乳化现象

如图所示，粉砂、粘土等物质，由于是亲水性的

其表面的一小部分与油珠接触，而大部分被水润湿

这样，油珠就被这些亲水性粉末所覆盖

而粉砂、粘土等本身就是带电的

就会阻碍相互间的兼并以及油珠和气泡之间的粘附

这种亲水性固体粉末称为固体乳化剂

稳定的乳化体系不利于进行气浮

所以，如果要提高气浮效果，就需要脱稳、破乳

有效的脱稳、破乳的办法就是借助前面我们介绍过的混凝的原理

投加混凝剂，压缩双电层，降低ζ电势，使其达到电中和并脱稳

我们前面介绍过混凝剂，如硫酸铝、聚氯化铝、三氯化铁等都可以用于气浮

其投加量视废水的性质不同而异，应根据实验来确定

今天，关于气浮的理论基础就介绍到这儿，谢谢