بررسي تجربي برخورد ذره كروي آب‌گريز با سطح مشترك هوا - آب

فيلم فلوتاسيون يك روش براي جداسازي ذرات معدني آب‌گريز از ذرات آب‌دوست است. در اين مقاله به منظور شبيه‌سازي اين روش، برخورد ذرات آب‌گريز كروي با سطح مشترك هوا – آب، مورد آزمايش قرار گرفت. هدف پژوهش حاضر، به دست آوردن سرعت بحراني برخورد است كه ذره آب‌گريز در آن روي سطح مايع شناور مي‌ماند طوريكه در سرعت‌هاي بالاتر از سرعت بحراني به طور كامل در مايع نفوذ مي‌كند. براي پيش‌بيني سرعت بحراني، يك مدل رياضي بر اساس موازنه انرژي ارائه شده است. ذرات از جنس تفلون در اندازه‌هاي 3 – 5 ميلي‌متر مورد استفاده قرار گرفتند. از آب مقطر با چگالي 1000/71 kg/m3 به عنوان سيال آزمايش استفاده شد. با استفاده از يك دوربين پرسرعت 4500 فرم در ثانيه، سقوط ذرات در مايع عكس‌برداري شد. از آزمايش‌ها براي ذرات كروي آب‌گريز تفلون دو رژيم شناوري و نفوذ مشاهده شد و سرعت‌هاي بحراني براي همه اندازه‌ها محاسبه گرديد و پس از پردازش تصاوير متوالي چگونگي حركت ذره درون سيال به دست آمد. براي اولين بار ماكزيمم عمق نفوذ، عمق برگشتي، ارتفاع برگشتي و عمق شكست براي هر ذره تعيين شد و از مقايسه آ نها مشخص شد كه در سرعت‌هاي بحراني و نزديك آن نفوذ ذره با نوساناتي همراه است و هرچه سرعت از مقدار بحراني بيشتر شود تعداد نوسانات كاهش يافته تا اين كه در سرعت‌هاي بالاتر، ذره بدون هيچ نوساني از سطح مايع جدا مي‌شود. وابستگي ماكزيمم عمق نفوذ به ارتفاع سقوط مورد بررسي قرار گرفت و مشاهده شد كه با افزايش ارتفاع سقوط، ماكزيمم عمق نفوذ نيز افزايش مي‌يابد. همچنين به بررسي تأثير اندازه ذرات بر سرعت بحراتي پرداخته شد و مشاهده شد كه با افزايش اندازه ذرات سرعت بحراني كاهش مي‌يابد. علاوه براين تغييرات سرعت ذره و سرعت خط تماس سه فازي طي نفوذ در سيال در شرايط بحراني رسم شد. مشاهده شد سرعت ذره در حين نفوذ، كاهش مي‌يابد تا اينذكه در بيشترين عمق نفوذ، به صفر مي‌رسد و ذره شروع به حركت به سمت بالا مي‌كند. در حين حركت به سمت بالا، مقدار سرعت تا رسيدن به يك مقدار ماكزيمم افزايش يافته و مجددا كاهش مي‌يابد و ذره تا يك ارتفاع مشخص پيش مي‌رود تا اين كه در نهايت سرعتش به صفر مي‌رسد و نيروي گرانش، ذره را دوباره به سمت پايين هدايت مي‌كند. مدل رياضي توسعه داده شده با مشاهدات آزمايش مقايسه شد و مشخص شد كه در محدوده مدل‌سازي با مقادير داده‌هاي به دست آمده هم‌خواني خوبي دارد.