Vistas:329 Autor:Editor del sitio Hora de publicación: 2024-07-12 Origen:Sitio
1. Proceso de formación de microburbujas
El agua del aire disuelto en el tanque de aire disuelto está en un estado de alta presión después de ser presurizada por el compresor de aire. El oxígeno y el nitrógeno del aire se disuelven en el agua mediante el llenado de huecos y la hidratación para formar agua en el aire disuelta sobresaturada.
Después el liberador Libera el agua del aire disuelto sobresaturado a alta presión, cambia de un estado de alta presión a una presión normal. Debido a la caída repentina de presión, la solubilidad del gas en el agua también disminuye significativamente. En este momento, precipitan muchas burbujas del agua.
Generalmente se necesitan tres procesos para que el gas precipite del agua y forme partículas estables. microburbujas:
(1) A medida que disminuye la presión del agua del aire disuelto, las moléculas de gas disueltas en el agua por hidratación y llenado de huecos son
precipita continuamente del agua y se agrega con las moléculas de gas vecinas para formar grupos de moléculas de gas;
(2) Los grupos de moléculas de gas se agregan entre sí para formar núcleos de gas;
(3) Los núcleos de gas se expanden y se convierten en microburbujas estables. El proceso de nucleación de burbujas durante la descompresión de aire y agua disueltos se muestra en la Figura 1-1.
a. Moléculas de gas libres
b. Agregado de moléculas de gas
do. Aglomeración para formar núcleos de gas.
d. El núcleo de gas se expande para formar microburbujas estables.
Figura 1-1 Proceso de nucleación de burbujas durante la descompresión de aire y agua disueltos
2. Mecanismo de nucleación de microburbujas.
Según las propiedades de la solución, la región de nucleación de las burbujas y la sobresaturación, el mecanismo de nucleación de las microburbujas se puede dividir en:
(1) nucleación homogénea clásica; (2) nucleación heterogénea clásica; (3) nucleación cuasi clásica; (4) nucleación no clásica.
La relación entre la solubilidad saturada de una solución y la cantidad de gas disuelto se llama sobresaturación. La fórmula 2-1 es la definición de sobresaturación de solución:
(2-1)
En la fórmula: Xb es la fracción molar de gas en la solución sobresaturada; Xi es la fracción molar de gas en la solución saturada.
Este mecanismo de nucleación supone que: en una solución homogénea sin cavidades de aire antes de la sobresaturación, se requiere una sobresaturación muy alta para formar burbujas, incluso más de 100 o más.
Una vez que se genera una burbuja, ésta subirá inmediatamente a la superficie del líquido y no se generarán nuevas burbujas en la misma posición. La Figura 2-2 muestra el proceso clásico de nucleación homogénea.
Figura 2-2 Nucleación homogénea clásica
El mecanismo de la nucleación heterogénea clásica es muy similar al de la nucleación homogénea clásica y ambos requieren un nivel considerable de sobresaturación.
Una disminución repentina en la presión del sistema hace que se formen burbujas en hoyos en la pared del recipiente, superficies lisas o partículas en la solución, y luego las burbujas crecen y se separan, dejando atrás una porción del gas. Como se muestra en la Figura 2-3.
Figura 2-3 Nucleación heterogénea clásica
El mecanismo de nucleación cree que: antes de que la solución se sature, hay una cavidad de aire con un radio menor que el radio crítico de formación de burbujas en su interior. Por lo tanto, las burbujas sólo se pueden generar superando la barrera de energía de nucleación, como la generación de burbujas con un radio de R1 como se muestra en la Figura 2-4.
Esta forma de mecanismo de nucleación cree que antes de que la solución se sature, hay una cavidad de aire con un radio más significativo que el radio crítico de generación de burbujas, por lo que no hay necesidad de superar la barrera de energía de nucleación. La nucleación heterogénea clásica o nucleación cuasi clásica ocurre primero antes de que ocurra la nucleación no clásica.
El radio crítico de generación de burbujas es inversamente proporcional a la sobresaturación, es decir, cuando la sobresaturación del líquido disminuye, el radio de curvatura crítico de nucleación de burbujas aumentará. Cuando este radio sea igual al radio de la cavidad de aire, la generación de burbujas se detendrá. La generación de burbujas con un radio de R2 se muestra en la Figura 2-4.
Figura 2-4 Nucleación cuasiclásica y nucleación no clásica
En la figura, R1 y R2 representan los radios de las cavidades de aire en la solución descrita anteriormente. R1 es más pequeño que el radio de nucleación crítico, lo que indica una nucleación cuasiclásica; R2 es mayor que el radio de nucleación crítico, lo que indica nucleación no clásica.
La formación de burbujas también se ve afectada por las propiedades de la interfaz. La generación de una única burbuja comienza con un núcleo de gas. Una vez formado el núcleo de gas, la burbuja seguirá creciendo hasta desprenderse de la matriz.
Muchos factores, como la tensión superficial, la inercia de la solución, la presión y la flotabilidad, también restringen el crecimiento de las burbujas.
Este artículo presenta el estudio del tamaño y la cantidad de microburbujas disolviendo gas a alta presión y liberando el gas disuelto en agua limpia a presión estándar a través de un liberador. Suponiendo que la pared es lisa, no hay impurezas en el agua y no hay cavidad de aire antes de que el agua con gas disuelto se sature, se puede considerar que la generación de burbujas se ajusta al mecanismo clásico de nucleación homogénea en este estudio.
Como se muestra en la Figura 2-1, la transformación de moléculas de gas libres en microburbujas estables requiere tres procesos termodinámicos: (1) las moléculas de gas libres se agregan en grupos de moléculas de gas; (2) los grupos de gas se agregan para formar núcleos de gas; y (3) los núcleos de gas se expanden para formar microburbujas estables.
Suponiendo que los cambios de energía libre de los tres procesos son ΔG1, ΔG2 y ΔG3 respectivamente, el cambio total de energía libre del proceso de formación de microburbujas es la fórmula 2-2:
ΔG = ΔG1 + ΔG2 + ΔG3 (2-2)
Supongamos que n moléculas de gas forman un grupo de moléculas de gas y que el volumen del grupo de moléculas de gas es la suma de los volúmenes de las n moléculas de gas (Fórmula 2-3), entonces el radio efectivo del grupo de moléculas de gas es Fórmula 2- 4
(2-3)
(2-4)
Por lo tanto, la energía superficial de la aglomeración de moléculas de gas viene dada por la fórmula 3-5:
(2-5)
Suponiendo que el volumen de una sola molécula de gas en estado libre es V0, y que el proceso de aglomeración de las moléculas de gas en aglomerados de gas es un proceso isotérmico, el cambio de potencial químico de este proceso es la fórmula 2-6:
(2-6)
Al integrar la Fórmula 2-6 se obtiene la Fórmula 2-7:
ΔF2 = F2 - F1 = -(P* - P0)nV0 (2-7)
De las fórmulas 2-5 y 2-7, podemos obtener que el cambio total de energía libre ΔG1 en el proceso de aglomeración de moléculas de gas libres en grupos de moléculas de gas es la fórmula (2-8):
(2-8)
En la fórmula: Rn es el radio efectivo del grupo de moléculas de gas; σ es la tensión superficial del líquido; p* es la presión de saturación; p0 es la presión promedio; V0 es el volumen de las moléculas de gas libres.
(2) Los grupos de gas se reúnen para formar núcleos de gas.
Bajo la fuerza impulsora p* - p0, suponiendo que las moléculas de gas se agregan en núcleos de gas y se expanden instantáneamente, que el proceso de expansión obtiene suficiente espacio para convertirlas en un estado gaseoso, y que el proceso es un proceso de equilibrio termodinámico, entonces:
ΔG2 = 0 (2-9)
En este proceso, el núcleo de gas se expande, el volumen aumenta y el área de superficie aumenta. El cambio en la energía superficial del sistema se puede expresar mediante la fórmula 2-10:
ΔF3 = 4πR2 ● σ - 4πR2n ● σ (2-10)
La burbuja se expande y funciona como se muestra en la Fórmula 2-11:
(2-11)
Por lo tanto, el cambio total de energía libre ΔG3 en el proceso de expansión del núcleo de gas para formar microburbujas estables se puede expresar mediante la fórmula 2-12:
(2-12)
En resumen, al sustituir las fórmulas 2-8, 2-9 y 2-12 en la fórmula 2-2, podemos obtener el cambio de energía libre total del agua con aire disuelto presurizado desde la liberación de presión hasta la generación de microburbujas como fórmula 2-13. :
(2-13)
La presión interna de la burbuja en la fórmula., sustituyéndolo en la fórmula 2-13, obtenemos la fórmula 2-14:
(2-14)
Se puede ver en la fórmula 2-14 que el cambio en la energía libre durante la generación de burbujas está relacionado con la tensión superficial σ del líquido, la diferencia de presión Δp cuando se liberan el gas disuelto y el agua, el tamaño R0 de las moléculas de gas disueltas en el líquido, el tamaño R de las burbujas generadas y el número n de burbujas generadas.
El tamaño y la velocidad de ascenso de las burbujas influyen en gran medida en la eficiencia de la purificación del agua de flotación, por lo que es necesario estudiar las características del movimiento de las burbujas durante su ascenso.
Cuando el diámetro de la burbuja es demasiado grande, su ascenso casi no se ve afectado por las propiedades del líquido;
Pero cuando el diámetro de la burbuja es inferior a 150 μm, su proceso de flotación en el líquido se ve afectado por cinco fuerzas en la dirección del eje Y: flotabilidad, gravedad, empuje del líquido, arrastre y fuerza de masa virtual.
Las burbujas alcanzarán rápidamente un estado estable durante el movimiento y podemos inferir el cambio en el diámetro de la burbuja analizando la fuerza sobre una sola burbuja.
El siguiente es un análisis del ascenso de una pequeña burbuja en agua tranquila.
Las fuerzas verticales que actúan sobre la burbuja se muestran en la Figura 2-5.
Figura 2-5 Análisis de la fuerza sobre la burbuja en dirección vertical
Suponiendo que la masa de una sola burbuja es m, la gravedad que actúa sobre la burbuja se puede expresar mediante la ecuación 2-15:
G = -m ● g = - pgvgg (2-15)
El signo negativo en la fórmula indica que la dirección de la gravedad es verticalmente hacia abajo, ρg es la densidad del gas en la burbuja, Vg es el volumen de la burbuja y g es la aceleración debida a la gravedad, g = 9,8 m/s2.
Según el principio de flotabilidad propuesto por Arquímedes, la flotabilidad del agua sobre un objeto es igual al peso del agua desplazada por el objeto. La flotabilidad de una burbuja en agua se obtiene mediante la fórmula 2-16:
Ff = ρl gVg (2-16)
En la fórmula: ρl es la densidad del líquido.
Cuando las burbujas suben en un líquido, hay un movimiento relativo entre la propia burbuja y el líquido. En este momento, la burbuja se verá afectada por la resistencia del líquido. Esta fuerza se llama arrastre. Y mientras exista una diferencia de velocidad (magnitud y dirección) entre la burbuja y el fluido, la burbuja se verá afectada por la resistencia. La resistencia generalmente se puede expresar mediante la fórmula 2-17:
(2-17)
En la fórmula, ul es la velocidad del líquido, ug es la velocidad de la burbuja, y A es el área de proyección de la burbuja perpendicular a la dirección de arrastre. Cd es el coeficiente de resistencia y su valor está relacionado con el número de Reynolds.
Cuando la burbuja en el fluido acelera hacia arriba en relación con el fluido, impulsará parte del fluido alrededor de la burbuja para acelerar juntos, lo que equivale a que la burbuja tenga una masa adicional, llamada masa virtual. La fuerza extra generada por esta masa extra se llama fuerza de masa virtual, y la masa extra aumentará la masa inercial efectiva de la burbuja. La fórmula 2-18 es la expresión de la fuerza de masa virtual:
(2-18)
Supongamos que el líquido no está estacionario y tiene una velocidad en la misma dirección que la burbuja. La velocidad del líquido es más increíble que la velocidad de ascenso de la burbuja. En ese caso, el líquido ejercerá un empuje sobre la burbuja ascendente. Si el líquido está estacionario durante el proceso de ascenso de la burbuja, el líquido no ejerce ningún empuje sobre la burbuja, es decir, Fp es cero.
Al analizar la fuerza que actúa sobre una sola burbuja y basándose en la segunda ley de Newton, la ecuación de equilibrio de fuerzas para la burbuja en un líquido estático se puede obtener combinando las ecuaciones 2-15 a 2-18. Después de la clasificación, se puede obtener la ecuación de cálculo para el volumen de la burbuja (2-19) y la ecuación de cálculo para el diámetro de la burbuja (2-20).
(2-19)
(2-20)
En la fórmula, ag es la aceleración de la burbuja cuando sube en agua tranquila, y d es el diámetro de la burbuja.
Se puede ver en la fórmula 2-20 que el diámetro de la burbuja está relacionado con su velocidad ascendente. ug, aceleración ag y coeficiente de arrastre Cd en el agua.
El coeficiente de arrastre varía con el número de Reynolds y las propiedades de la fase líquida. Peebles Garber propone la fórmula de cálculo del coeficiente de resistencia más representativa. Cuando una sola burbuja sube en el agua:
Número de Reynolds menor que 2: (2-21)
Número de Reynolds mayor que 2: (2-22)