Bubble behaviour in frother and inorganic salt solutions

Quinn, Jarrett; Quinn, Jarrett

Thesis

Bubble behaviour in frother and inorganic salt solutions

Public Deposited

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Creator

Quinn, Jarrett

Contributors

James A Finch (Supervisor)

Abstract

English

Bubble formation, coalescence and break-up processes coupled with bubble velocity determine gas dispersion properties in a flotation cell. Frothers are typically added to inhibit bubble coalescence (decrease bubble size) and reduce bubble rise velocity. If present at elevated concentration the presence of certain inorganic salts has been shown to have a similar capability to frother.Much of the literature focuses on the role of bubble coalescence on the production of fine bubbles. Researchers have hinted that the presence of frother may also affect bubble break-up. For the most part, little attention has been paid to the role of frother in bubble break-up. A few researchers have noted that bubble-bubble interactions may play a role in bubble break-up processes.The first study in the thesis examines bubble formation in water at a capillary using high-speed photography and reviews the processes which lead to bubble break-up. Several authors have noted bi-modal bubble size distributions (BSD) in flotation systems at low frother or inorganic salt concentrations. The origin appears to be related to bubble-bubble interactions. The study provides visual evidence of coalescence-related and wake-related mechanisms creating fine bubbles and bi-modal distributions. Four coalescence mechanisms are identified: coalescence-induced break-up, droplet formation and collision, liquid jet formation and collision, liquid jet disruption to droplets and collision; and two wake-related events: distortion and break-up of trailing bubble, and premature detachment. Comparing the fine/coarse mode ratio in water only systems (ca. 1/10) the possible relevant mechanisms are suggested. Knowing that frothers produce a mono-modal BSD and act to retard coalescence, the origin of the bi-modal BSD is argued to be coalescence-related.The second study uses a similar technique to quantify the effect of frothers and inorganic salts on bubble regimes at a capillary. High-speed photography was used to determine the transition air flow rate between non-coalescence, coalescence, and coalescence with fine bubble production (break-up). The addition of solute inhibited bubble coalescence and delayed the onset of fine bubble production. The tests allow for frother and salt strength characterization.The third set of experiments uses passive acoustic emission monitoring to study the role of solid particles on bubble coalescence. The systems being opaque argue against the use of optical techniques. The effect of 1 to 10% w/w talc (hydrophobic) or silica (hydrophilic) on air bubble formation and coalescence at a capillary in the presence of MIBC or sodium chloride was determined. Both solids slightly inhibited bubble coalescence while the silica created a larger region of partial coalescence compared to talc. At 10% w/w the silica appeared to promote coalescence at high MIBC concentration.Frothers and certain inorganic salts not only inhibit bubble coalescence but also reduce bubble rise velocity. Upon inspection of high-speed records of rising bubbles, it became clear that the presence of solute affected bubble shape and rise velocity in tandem. A study was undertaken to examine the relationship between bubble shape and rise velocity for a single rising bubble. Individual bubbles ca. 2.3 mm in diameter were produced at a capillary in water containing an inorganic salt (NaClO4, KCl, NaCl, Na2SO4, or CaCl2). Using high-speed photography and image analysis techniques, bubble aspect ratio and rise velocity were measured at 1 ms time intervals over a distance ca. 1.15 to 1.20 m above the capillary. All conditions showed oscillations in bubble aspect ratio and velocity that were related. Increasing concentration, on average, created more spherical bubbles that rose at lower velocities. The same observations were made in the presence of MIBC frother. Results suggest a unique relationship between bubble shape and rise velocity independent of solute type.

French

La première étude présentée met l'emphase sur la formation des bulles au bout d'un tube capillaire immergé dans l'eau en utilisant la photographie à haute vitesse afin de réexaminer les procédés à l'origine de la scission. Plusieurs auteurs ont noté la présence d'une distribution de la taille des bulles (DTB) qui est bimodale pour des systèmes de flottation ayant de faibles concentrations d'agent moussant ou de composé inorganique. Cette distribution semble être reliée à des interactions bulles-bulles. L'étude démontre visuellement des mécanismes reliés à la coalescence et à la trainée d'une bulle créant des bulles plus fines et ainsi une distribution bimodale. La comparaison des modes des petites et grosses bulles (d'un rapport 1/10) révèle les mécanismes potentiels. Sachant que les agents moussants produisent une DTB monomodal et que leurs rôles est de prévenir la coalescence, la création de la DTB bimodal semble être relié à la coalescence.La deuxième étude utilise une technique similaire pour quantifier l'effet des agents moussant et des composés inorganiques sur le type de bulles produites au bout d'un tube capillaire. La photographie à haute vitesse a été utilisée pour déterminer la transition entre la non-coalescence, la coalescence, et la coalescence avec scission. L'ajout d'un soluté inhibe la coalescence des bulles et retarde le début de la production des petites bulles. Les résultats permettent la caractérisation des agents moussants en termes de puissance.Le troisième groupe d'expériences utilise l'enregistrement des signaux sonores passifs pour étudier le rôle des particules (hydrophobes et hydrophiles) sur la coalescence des bulles. Plusieurs études utilisent des techniques optiques pour mesurer directement ou indirectement l'effet d'un soluté sur la coalescence des bulles. Les techniques optiques sont typiquement limitées à l'étude de systèmes biphasés (solution-air) puisque les systèmes triphasés (solution-air-particules) sont généralement opaques. L'enregistrement des signaux sonores passifs a été utilisé pour déterminer l'effet des particules (en concentration de 1 à 10 % m/m de talc ou de silice), sur la formation et la coalescence des bulles produites au bout d'un tube capillaire en présence de MIBC ou chlorure de sodium. Les deux types de particules ont inhibé la coalescence de bulles et la silice a crée la plus grande région de coalescence partielle en comparaison au talc. À 10 % m/m de silice, la coalescence est favorisée s'il y a haute concentration de MIBC.Non seulement les agents moussants et certains composés inorganiques inhibent la coalescence des bulles, mais ils réduisent aussi la vitesse d'ascension. La photographie des bulles ascendantes à montré que la présence de soluté affectait la forme et la vitesse des bulles de façon combinée. Une étude a donc été menée afin d'examiner la relation entre la forme et la vitesse des bulles. Des bulles individuelles d'environ 2.3 mm de diamètre ont été produites au bout d'un tube capillaire immergé dans de l'eau contenant un composé inorganique (NaClO4, KCl, NaCl, Na2SO4, or CaCl2). À l'aide de la photographie à haute vitesse et de techniques d'analyse d'image, le facteur de forme et la vitesse d'ascension de bulles ont été mesurés à un intervalle de 1 ms à une distance d'environ 1.15 à 1.20 m au-dessus du capillaire. Tous les mélanges ont montré des oscillations du facteur de forme et de la vitesse d'ascension reliées. Généralement en augmentant la concentration, on crée des bulles plus sphériques montant à une vitesse plus faible. Les mêmes observations ont été faites en présence de MIBC. Les résultats suggèrent une corrélation unique entre la forme et la vitesse d'ascension des bulles, indépendamment du type de soluté présent.

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