气泡-油滴混合体振荡阶段的动态特性及其在浮选效率优化中的机制研究

本研究针对浮选过程中气泡-油滴混合体在振荡阶段的动态行为机制不明确问题，通过自主研发的气泡附着油滴实验装置，首次提出以混合体投影面积作为振荡/平衡阶段分界标准，系统探究了尺寸比λ、碰撞速度V和碰撞角θ对振荡时长（3.6–16.2 ms）的影响规律。发现θ增加使振荡时长延长35–60%，而λ和V增加分别缩短25–75%和5–45%，揭示了表面自由能转化效率对振荡持续性的调控作用，为提升含油废水处理效率提供理论依据。

　　

在全球经济快速发展背景下，化石燃料开采产生的含油废水（Produced Water, PW）污染问题日益严峻。这种成分复杂的废水含有乳化原油、重金属离子等有害物质，其胶体稳定性和近水密度特性使得传统处理方法面临巨大挑战。作为高效低成本的解决方案，浮选技术通过气泡与油滴的附着实现油水分离，但其核心环节——气泡-油滴混合体在振荡阶段的动力学机制长期缺乏系统研究。

安徽某高校的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究，首次构建了半动态条件下的气泡附着油滴实验平台，采用高帧速摄影（high-speed photography）捕捉振荡过程，通过图像处理量化油滴投影面积变化。研究发现振荡阶段持续时间受三个关键参数调控：当尺寸比λ（气泡与油滴直径比）从1.5增至2.5时，振荡时长缩短25-75%；碰撞速度V提升使时长减少5-45%；而碰撞角θ增大会显著延长振荡时间35-60%。研究创新性地提出以最小投影面积、质心速度拐点和表面自由能极值作为振荡/平衡阶段的分界标准，并揭示高表面自由能会降低其向振荡动能的转化效率，从而延长振荡过程。这项研究为优化浮选工艺参数提供了定量化理论支撑。

关键技术方法包括：1）自主设计的气泡附着油滴半动态实验系统；2）高帧速摄影（2000 fps）记录动态过程；3）图像处理算法量化混合体投影面积；4）通过质心速度场分析能量转化特征。

研究结果：
Experiment method
建立的气泡-油滴混合体振荡实验平台，通过毛细管固定油滴与上升气泡碰撞，实现了接近实际浮选的半动态条件模拟。

A typical case of the mixture and measurement of the division point
首次将附着过程划分为五个阶段，发现振荡阶段油滴形态呈现周期性变化，其投影面积最小值与表面自由能转化拐点具有时间一致性。

Conclusions and remarking
证实λ和V通过增强惯性力缩短振荡时长，而θ增大通过增加接触面剪切力延长振荡；表面自由能转化效率是决定振荡持续性的核心因素。

这项研究填补了气泡-油滴混合体振荡动力学机制的空白，提出的投影面积判据为浮选过程监测提供了新思路。研究揭示的参数效应规律可直接指导浮选设备运行参数优化，对提升含油废水处理效率具有重要工程价值。特别是发现碰撞角θ的显著影响，为设计新型斜向碰撞浮选装置提供了理论依据。未来研究可进一步探索多气泡-油滴体系的协同振荡效应，推动浮选技术向精准调控方向发展。