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        硬質(zhì)高嶺石(巖)的功率超聲剝片及作用機(jī)理

        2012-10-16 03:56:22丁述理徐博會任曉慧
        關(guān)鍵詞:效果

        張 紅,丁述理,徐博會,任曉慧

        (1河北工程大學(xué)理學(xué)院,河北邯鄲056038;2河北工程大學(xué),河北省資源勘測研究重點實驗室,河北邯鄲056038)

        煤系高嶺土中高嶺石主要呈假六邊形狀的層狀結(jié)構(gòu),在外力的作用下易于沿層面平行的方向裂開。通過特定的技術(shù)手段還可使堆垛的高嶺石晶體在層間發(fā)生解離達(dá)到微米級甚至納米尺度,從而提高原礦的價值。在工業(yè)上,高嶺石晶粒(粒徑)達(dá)到2 μm左右時,在紙張的填料、涂布料、陶瓷原料、橡膠和塑料填充料等方面的應(yīng)用就變得相當(dāng)廣泛。目前,國際上對高嶺土解離主要采用物理方法(通過機(jī)械或高速噴射實現(xiàn)剝磨)和化學(xué)方法(化學(xué)浸泡處理后進(jìn)行高速機(jī)械攪拌處理)進(jìn)行處理。前者需要長時間、高強(qiáng)度剝磨,不可避免對晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞;后者工藝雖然簡單,但是2 μm粒級含量一般只能達(dá)到40% -50%,且處理過程中會造成環(huán)境污染[1-4]。隨著超聲技術(shù)的發(fā)展,功率超聲因?qū)μ岣弋a(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、防止環(huán)境污染、提高生產(chǎn)效率等方面有巨大潛力,從而在機(jī)械、電子、化工、醫(yī)藥、材料等領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛研究。上個世紀(jì)中期人們就已經(jīng)提出了超聲粉碎的概念,早在2000年國內(nèi)利用超聲電解法成功制備了100 nm以下的銅粉和鎳粉[5],但目前關(guān)于超聲在高嶺土剝片中的應(yīng)用還鮮見報道。由于超聲效果會受到樣品濃度、體積、超聲強(qiáng)度、樣品溫度等的影響,這些因素的相互制約使得超聲作用較為復(fù)雜,因此有關(guān)超聲剝片的研究目前還處于實驗室階段。本文研究了高嶺石超聲剝片的機(jī)理,給出影響超聲空化的物理參數(shù)的定量關(guān)系,分析這些因素對高嶺土超聲剝片效果的影響,目的是為工業(yè)化生產(chǎn)大徑厚比的超細(xì)高嶺石晶片提供數(shù)據(jù)參考。

        1.超聲剝片機(jī)理

        利用超聲進(jìn)行剝片的主要機(jī)理就是功率超聲的空化效應(yīng)。在液體或者流體系統(tǒng)中傳播的超聲波強(qiáng)度超過液體的空化閥值時,液體中超聲波的稀疏區(qū)域就會被拉斷出現(xiàn)空腔,于是在液體內(nèi)部或液體和固體的交界面上產(chǎn)生大量氣泡,這些氣泡在超聲作用下形成、生長、膨脹、壓縮直到崩潰,此過程被稱為空化。氣泡的崩潰類似于一個小的爆炸過程,極短的時間內(nèi),在氣泡的極小區(qū)域中產(chǎn)生局部高溫、高壓、強(qiáng)烈的沖擊波和快速射流[7-8]。伴隨空化的這些物理效應(yīng)是功率超聲應(yīng)用的基礎(chǔ)。高溫、高壓以及強(qiáng)烈的機(jī)械運動帶來的溫度升高會大大促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),強(qiáng)大的沖擊波和快速射流都會對分子的解聚和剝片產(chǎn)生正面影響。

        空化閥值壓力PB同空化氣泡的半徑Re、流體靜壓力Ph、液體表面張力σ有密切關(guān)系。對于較大的空化氣泡空化泡的表面張力)[9],

        當(dāng)超聲壓力大于空化閥值壓力時,聲波使液體受到的負(fù)壓力超過液體分子間的范德瓦爾斯力而把液體分子拉開,形成空腔(空化泡核);在負(fù)壓力持續(xù)作用下空化泡核膨脹,溶于液體中的氣體或者液體蒸汽將會進(jìn)入空化氣泡;當(dāng)液體由負(fù)壓相轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎合鄷r,如果氣泡外壓力小于空化泡內(nèi)壓力,空化泡將繼續(xù)膨脹直到空化泡外界壓力大于空化泡內(nèi)部壓力,這時空化泡開始收縮。這個過程時間極短,可以看作是絕熱過程,絕熱收縮使得泡內(nèi)的壓強(qiáng)和溫度瞬間上升,當(dāng)空化泡收縮到最小體積時,將會發(fā)生崩潰,崩潰的瞬間會把氣泡中的壓力釋放到液體中。由于泡內(nèi)溫度來不及傳遞,而在此產(chǎn)生局部高溫??栈瘹馀荼罎r的瞬態(tài)壓力和瞬態(tài)溫度都將達(dá)到最大值??栈荼罎r的瞬態(tài)壓力為

        式中Pg-空化泡內(nèi)起始壓力;Pm-空化泡在崩潰時受到的壓力;γ-泡內(nèi)氣體的比熱比。

        崩潰時泡內(nèi)的瞬態(tài)溫度為

        其中Tmin為環(huán)境溫度。氣泡崩潰時周圍的高速液體沖入氣泡形成強(qiáng)烈的局部快速射流??栈萃瓿闪藦某珊?、生長、壓縮和崩潰的全過程。

        超聲在液體中傳播的動態(tài)過程相當(dāng)復(fù)雜,目前最先進(jìn)的模擬方法是近格子-波爾茲曼法(LBM)。定義U為聲速的幅值,ω=2/λ圓頻率,k=/λ波數(shù),ρ0為原始聲強(qiáng)密度,λ為波長,c為聲速,v為運動粘滯系數(shù)為衰減系s數(shù)。采用LBM模擬計算得到壓力梯度[10]

        由上式可以推導(dǎo)出在任意x位置的聲壓

        2 高嶺石的功率超聲剝片

        2.1 材料與方法

        原料:高嶺巖樣采自陜西省平魯?shù)V區(qū),屬晚二疊系山西組煤層夾矸。高嶺巖中高嶺石礦物組分占98%以上?;瘜W(xué)成分為:SiO246.38%,Al2O30.29%,TiO20.48%,CaO 0.1%,MgO 0.2%,K2O 0.55%,Na2O 0.1%,燒失量為 14.29%。

        測試:功率超聲采用中國科學(xué)院聲學(xué)研究所生產(chǎn)的88-1型超聲乳化強(qiáng)化處理機(jī)。粒度分析采用Marlvern2000型激光粒度分析儀。

        實驗方法:1)復(fù)合體的制備:稱取一定量<325目高嶺石放入燒杯中,加入飽和醋酸鉀溶液,常溫下放置7 d,得到高嶺石-醋酸鉀復(fù)合物體。2)超聲剝片:將盛有不同濃度和體積的高嶺石-醋酸鉀復(fù)合物漿液的燒杯放到超聲波儀器的托盤上,調(diào)節(jié)托盤高度,使超聲變幅桿頭進(jìn)入復(fù)合物漿液中一定深度,調(diào)整超聲頻率進(jìn)行超聲剝片(圖1)。

        2.2 試驗結(jié)果和分析

        將濃度為5%的高嶺土漿液分為a,b,c三組樣品,體積分別為 100 ml、200 ml和 500 ml,在超聲工作時間為5 min、pH值為7.0的條件下對樣品進(jìn)行測試(圖2)。從結(jié)果中可以看到,a,b樣品中粒度小于1 μm的粒子含量分別為72.74%和75.3%,明顯高于樣品c的67.92%。這是由于液體中超聲能量衰減造成的。聲壓公式P=給出:隨著距聲源距離的增加,聲強(qiáng)將呈指數(shù)衰減。樣品體積的增加,意味著作用區(qū)域x的取值范圍增大,遠(yuǎn)離聲源位置,聲強(qiáng)迅速減弱,從而導(dǎo)致500 ml樣品的剝片效果最差。雖然隨著體積的增大空化效應(yīng)衰減,但并非體積越小超聲剝片效果越好。從圖中可以看出體積為200 ml樣品的剝片效果要優(yōu)于體積為100 ml的剝片效果。這是因為,除了超聲強(qiáng)度的影響,粘滯系數(shù)v和表面張力σ也會影響空化效果。100 ml樣品中較容易達(dá)到較好的剝片效果,細(xì)粒含量迅速增加,但相應(yīng)的表面張力σ和粘滯系數(shù)v也隨之增大。進(jìn)而導(dǎo)致空化閥值P=P+和聲壓衰減系數(shù)α

        Bh的增大,兩者共同的影響會使空化作用減弱,在空化作用較弱的持續(xù)超聲作用下,溶液中的顆粒更容易發(fā)生團(tuán)聚,最終影響剝片效果。

        為了測試濃度對剝片效果的影響,改變樣品濃度分別為5%、10%、20%、50%,其它條件一致即:體積均為200 ml,超聲作用5 min,對樣品剝片效果進(jìn)行分析。依據(jù)上面的分析,濃度的增加會提高σ和v的數(shù)值,σ將增加PB,而v使P衰減增強(qiáng),PB和P的共同影響導(dǎo)致空化效應(yīng)減弱,因此濃度越大剝片效果越差。圖3所示的試驗結(jié)果和理論分析一致。)圖4給出的是濃度為5%、體積為200 ml的樣品,超聲作用時間分別為5 min、15 min和30 min的情況下得到的粒度累計分布曲線。從結(jié)果中可以看出,三種樣品中小于1 μm的顆粒含量最多的是作用時間為5 min的樣品,其次是15 min,最少的是作用時間為30 min的樣品。超聲作用5 min后,由于樣品顆粒的細(xì)化會增加樣品的表面張力σ和粘滯系數(shù)v,從而使得值PB增大、聲壓P衰減增強(qiáng),空化作用減弱。超聲持續(xù)作用到15 min時可以看到,小于1 μm的顆粒由75.3%降到72.28%,而小于2 μm 的顆粒含量由92.78%增加到了95.66%,也就是說小的顆粒向較大的顆粒粒度轉(zhuǎn)變,團(tuán)聚開始發(fā)生,但同時細(xì)化仍然進(jìn)行。當(dāng)作用到30 min時,團(tuán)聚持續(xù)進(jìn)行,小于1 μm的顆粒由72.28%進(jìn)一步降到71.1%,小于2 μm 的顆粒含量也開始由95.66%降到91.29%。

        3 結(jié)束語

        高嶺石的功率超聲剝片實驗表明,剝片過程中的漿液濃度、漿液體積以及超聲作用時間對剝片效果影響顯著,它們之間有著較為復(fù)雜的非線性關(guān)系,只有三者之間達(dá)到合理的分配才能達(dá)到較佳的剝片效果。運用理論模型分析空化閥值壓力PB、液體表面張力σ、空化氣泡崩潰時的瞬態(tài)壓力和瞬態(tài)溫度等的數(shù)值關(guān)系,對高嶺石功率超聲剝片的參數(shù)優(yōu)化具有理論意義和實用價值。

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