Break-up in formation of small bubbles

Chu, Pengbo; Chu, Pengbo

Thesis

Break-up in formation of small bubbles

Public Deposited

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Creator

Chu, Pengbo

Contributors

James A Finch (Supervisor)

Abstract

French

Les petites bulles (<1 mm) jouent un rôle clé dans la flottation par mousse. En plus de former des essaims fournissant une grande aire interfaciale pour l'attachement et le transport des particules minérales, elles montent à une vitesse réduite ce qui augmente la fréquence de collision entre les bulles et les particules. La production de petites bulles est habituellement réalisée par l'utilisation d'agents de surface nommés moussants, ou bien par la présence de sels inorganiques. La compréhension de l'action des ces solutés n'est pas encore bien définie. Une explication simple est l'inhibition de la coalescence par les solutés qui peut facilement être démontré, par exemple, en approchant doucement deux bulle jusqu'au contact. Cependant, le fait que les sels et plusieurs agents moussants ont une faible capacité à construire une mousse suggère que ceux-ci n'ont pas d'effet important sur l'inhibition de la coalescence. Cette thèse postule que les solutés ont peut-être un effet direct sur la rupture de la masse d'air à l'origine d'une bulle.La rupture et la coalescence sont des événements simultanés qui sont reliés. Pour déterminer le rôle des solutés sur la rupture, un système fournissant seulement une rupture est requis. Dans cette thèse, deux techniques expérimentales sont développées permettant d'isoler la rupture de la coalescence.La première technique consiste à produire un bulle d'air simple par la fuite d'air d'un tube capillaire simple immergé sous des conditions quasi-statiques. La fuite est observée à l'aide d'une technique acoustique passive et d'imagerie à haute vitesse. Les images montrent que la fuite produit un jet liquide formé indépendamment de l'addition d'agent moussant. En combinant l'analyse visuelle et acoustique, les résultats suggèrent que la dissipation du jet est associée à deux mécanismes, l'émission acoustique et la production de vagues de surface. Le taux de dissipation des deux mécanismes est caractérisé par leur ratio d'amortissement. Une augmentation de la concentration d'agent moussant mène à une diminution du ratio d'amortissement acoustique et à une augmentation de l'amortissement des vagues de surface. La deuxième technique expérimentale est un montage permettant de reproduire la rupture d'une masse d'air derrière une pale d'agitateur dans une cellule mécanique. Dans ce cas-ci, une bulle d'air simple est produite par la déformation mécanique d'une masse d'aire captive. Une première expérience a montré que la taille des bulles est fortement affectée par la présence d'agent moussant, mais faiblement par l'addition d'énergie mécanique et par le volume d'air captif. Une deuxième expérience a montré qu'une augmentation de la concentration d'agent moussant réduit initialement la taille des bulles jusqu'à l'atteinte d'un minimum pour ensuite l'augmenter. La notion de concentration de rupture critique (CRC, ou CBC pour "Critical Break-up Concentration") est introduite pour représenter la concentration permettant la taille de bulle minimum. Une dernière expérience a permis l'observation d'une diminution du temps requis pour la formation d'une bulle lorsqu'en présence d'agent moussant ou de sel. L'hypothèse est que la présence d'agent moussant et de sel accélère la rupture par l'addition d'énergie provenant du soluté.Cette thèse fournie la preuve que la présence d'agent moussant réduit bien la taille des bulles formées lors de la rupture. Une explication proposée est que les variations de la tension superficielle produites par l'agent moussant jouent un rôle dans la formation et l'intensité des instabilités de l'interface (i.e. vagues de surface), celles-ci étant à l'origine de la taille des bulles à la rupture.

English

Small bubbles, ca. 1 mm in diameter, play a key role in froth flotation. They not only form bubble swarms to provide large interfacial area for collecting and transporting attached mineral particles, but also rise at reduced velocities to increase bubble/particle collision frequency. Generation of small bubbles is usually accomplished by the use of surfactants called frothers, or sometimes by the presence of some inorganic salts. Understanding the action of these solutes, however, remains obscure. A common explanation is that the solutes inhibit coalescence, which can certainly be demonstrated, for example, by slowly bringing two bubbles into contact. But the fact that salts and many frothers are poor at building froth suggests they do not exhibit strong coalescence inhibition properties. This thesis postulates that the solutes may have a direct impact on break-up of the air mass.Break-up and coalescence are simultaneous events that are coupled. To investigate a role of solutes in break-up, a break-up only system is required. In this thesis two experimental techniques are developed allowing break-up to be isolated from coalescence.The first technique is to generate single air bubbles through break-away from an underwater capillary under quasi-static conditions. The break-away process is monitored using a passive acoustic technique and high speed cinematography. The image results show that break-away results in a liquid jet which is formed independent of the addition of frothers. Combining visual and the acoustic results suggested that the decay of the jet is associated with two mechanisms, acoustic emission and development of surface waves. The dissipation rate of the two mechanisms is characterized by their damping ratio. An increase in frother concentration leads to a decrease in the acoustic damping ratio and to an increase in damping of the surface wave. The second experimental technique is a set-up devised to mimic break-up of the air cavity behind an impeller blade in a mechanical cell. In this case, single air bubbles are produced through mechanically-induced deformation of a trapped air volume. The first experiments showed that the size of the generated bubble is strongly affected by the presence of frother, but weakly by the input mechanical energy and the volume of trapped air. A second test series showed that an increase in frother concentration initially decreased the bubble size to a minimum then it increased. A critical break-up concentration (CBC) was introduced referring to the concentration corresponding to the minimum bubble size. In the last experimental series it was observed that the time taken for a bubble to form decreased in the presence of frother and salt. The hypothesis is that the presence of frother and salt accelerates break-up, interpreted as an added energy term derived from the solutes. The thesis provides evidence that the presence of frother does reduce the size of bubble formed at break-up. A proposed explanation is that surface tension gradients induced by the frother play a role in the formation and size of interfacial instabilities (i.e., surface waves), that control the break-up bubble size.

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