8.6.1.1 浮选基本原理
微粒表面存在着电荷，水分子在电场作用下以水偶极子的形式按一定方式定向排列 在微粒表面上，形成水化层。微粒的水化性质是决定微粒浮选效果的基础，而这种水化性 质主要取决于微粒的结构及其表面的物理化学性质。气泡表面的液膜上也形成水化层。
在液相非均一系中，微粒与气泡被液体隔离着，即使两者相当接近，也不易冲破各自 水化层而相互黏着。只有在外力作用下彼此发生碰撞，克服水化层的能峰，破坏其间的水 化层，才能实现黏着。微粒与气泡接近时水化层的自由能变化见图8-127的曲线。
微粒与气泡周围的水化层开始接触时(即h1位置时)，夹层h1的那部分水是比较容 易排除的，趋近h2时，排除水的阻力就显著增加，因为这时的水化层自由能是增加的，中 间达到一定的厚度时(如图中h3的位置)就不稳定了，其间水层的自由能将随其本身变薄 而降低。这时，气泡以跳跃的方式迅速向微粒表面黏着，很快形成一个接触面，然后这种 接触面进一步扩大。
从图可以清楚地看出，气泡与微粒黏着时，两者之间还存在着一层残留水化层。这残 留水化层具有特殊的性质，好像是一个特殊的相，这样，在三相L、S、G相接触面又增加了 一个新的相L′(图8-128)，这时气-固界面的表面能σGS将由固-液界面与液-气界面 的自由能之和：σSL′+σL′G来代替。
图8-127 气泡与固体表面接近时 中间水层自由能σ的变化
图8-128 气泡与矿物表 面黏着时存在的残留水层
上面讨论的是用水化层厚度与自由能变化曲线来说明黏着过程。
因此必须注意促进微粒与气泡的碰撞。碰撞的程度直接关系到浮选的分离效果。
(1)
(2)
图8-129 气泡碰撞快慢对
夹水层形状的影响
(1)碰撞快 (2)碰撞慢
微粒与气泡在碰撞时的相对运动速度是决定两者 能否黏着的一个重要因素。如图8-129所示，当气泡 与黏着面比较大的微粒碰撞时，如果碰撞速度过大，残 留水层来不及流出，在黏着的平面中存在一个水包，致 使黏着也不牢固。因此，碰撞的程度不宜过高，也不宜 过低，应控制在最佳范围内。
若微粒的直径大，在浮选过程中，它在气泡上的附着几率小，脱落几率大，浮选性就差。
微粒直径<1μm时，碰撞的几率大。颗粒越小，受布朗运动影响越显著，扩散就 越大。
微粒可浮性的最直观标志就是被水润湿的程度，易被润湿的为亲水性，不易被润湿的 为疏水性。微粒的亲水性或疏水性常用润湿接触角θ来表示。θ越大，表示疏水性越大， 可浮性越好。θ=0表示微粒为完全亲水性，这样的微粒与气泡接近时，系统的自由能逐 渐增加，不能发生微粒与气泡的黏着而一起上浮，如图8-130所示。
浮选的实质是向液相非均一系中通入微小空气泡，使存在于液体中的疏水性微粒黏 附在气泡上，利用气泡-微粒黏合体与液体的较大密度差 在重力场中获得分离。与沉降不同的是，浮选时，分散相 (气泡-微粒黏合体)在连续相(液体)中不是下沉而是上 浮，升至液面，形成富集的泡沫层而实现气-液-固三相界 面分离过程。但从分离的意义上来说，两者在本质上是一 致的。因此沉降的定律、公式也适用于浮选。
实施浮选有两个前提： 一是在液相非均一系中，大量均匀 地充入微小气泡并与微粒黏着在一起;二是已充入微小气泡形 成气泡-微粒黏合体的液相非均一系在浮选罐(槽)中进行分 离。
图8-130 微粒的可浮性
图8-131 机械搅拌充气器
8.6.1.2 液相充气方法
充气是实现浮选的关键，浮选效果在很大程度上取决于充 气的效果。在食品工业中，向液相非均一系充气有机械搅拌充 气、文丘里管充气、特殊结构的充气混合泵充气和电解充气四 种方式。
(1) 机械搅拌充气 在搅拌液体的同时，通入空气使空气 以微小的气泡均匀分布于液体中。图8-131为淀粉工业浮选 淀粉乳用的机械搅拌充气器。
机械搅拌充气器由可转动的搅拌叶轮2和固定不动的定 子1(导向轮)组成。叶轮的形状是一个侧面敞开的涡轮，空气 经管4吸入叶轮而淀粉乳从套管3进入叶轮。
(2) 文丘里管充气 文丘里管是截面由两端向中部逐渐 缩小的管子，其截面最小处为喉颈，如图8-132所示。根据柏 努利原理，液体流过文丘里管时，由于截面的缩小，流速增大而 压力降低。在喉颈处的流速最大，压力最小。液体高速通过文 丘里管并在喉颈处通入空气时，就以微小气泡形式均匀分布于 高速流动的液体中。
图8-132 文丘里管充气器
(3) 特殊结构的充气混合泵充气 充气混合泵是具有特殊结构叶轮的离心泵，能输 送气-液混合物，如图8-133所示。液体和空气同时进入泵的吸入口，在高速旋转的叶 轮中进入，完成充气。从泵的排出口输出的已是含有大量微小气泡的气-液混合物。充 气混合泵主要用于在啤酒生产中浮选去除麦汁中的冷凝固物。
图8-133 充气混合泵
1-麦汁进入管 2-混合泵外壳 3-充气叶轮 4-麦汁输出管 5-端面密封 6-无菌空气
图8-134 电解浮选设备电极配置基本方式
(1) 阳极垂直悬挂在水平阴极之上 (2) 阳极与阴极水平平行 (3) 阳极与阴极垂直平行
1-进料通道 2-浮选泡沫层 3-阳极 4-阴极 5-出料通道
(4) 电解充气 给具有电解质性 质的液体通上低电压直流电，进行水的 电解，在阴极和阳极上各自产生大量氢 气泡和氧气泡，如图8-134所示。氢 气泡的直径为10～30μm，氧气泡的直 径为20～60μm。
由于食品工业中有的物料如葡萄 汁等要求避免与氧的接触，因此可在阴 极与阳极之间设置一能使电流通过但 不让气体通过的隔膜(例如，涤纶纤维 布)。由阳极产生的氧气泡通过专用的 导管排出，在浮选室中则全是氢气泡。
气泡的产生量与电流强度成正比， 气泡产生量易调节。一般电极的间隔10～20mm，电压5～15V。