1、气泡的参数及其影响

气浮分离技术利用气泡将固体物质浮升分离，气泡的大小、数量以及充气方法都是极为重要的关键。

在大多数情况下(除了某些憎水性强的粗粒的气浮外)，都要求气泡尽可能微细。因为微细的气泡较易被絮凝物捕捉和网络在它的内部(或在表面的凹入处)，形成低比重的颗粒。这种絮凝物中的气泡不易散逸，稳定性高，可使絮凝物迅速浮升，较少因为气泡散失而转向下沉，所形成的浮渣紧密结实而稳定。粗大的气泡则相反。

应当注意，溶液中的气泡在互相接触时会合并成为较大的气泡，液面上的气泡大到一定程度就会破裂而消散。这种变化的速度决定于溶液中是否含有表面活性物质，以及它们的种类和数量。水和纯糖液中的气泡极不稳定，很快就消散。原糖回溶糖浆中的气泡较稳定，榨蔗糖浆形成的气泡最稳定；混合汁形成的气泡也很稳定，但清汁形成的气泡较不稳定。这些情况对糖液的气浮清净有相当大的影响。

气浮所需的气泡数量，一方面决定于所需排除的固相物质的数量，另一方面还在很大程度上决定于气泡的有效率。溶液中需要除去的固体物质的数量通常并不大，一般只为液体重量的万分之几到千分之几。为了将它们浮起所需的理论气泡量是相当小的。不过，液体中的气泡只有小部分能够与固相物质一起浮升，起到有效的作用，大部分气泡是自行存在的，不直接促进固体的浮升。因此，实际所需的气泡量要比理论值大若干倍甚至数百倍，这种情况决定于该系统的物料(包括液体和固体)的性质，以及气浮系统的整体设计：工艺流程、充气方法和气泡的大小等。

在某些废水的气浮处理中，每排除１g固体悬浮物需要数百毫升的气泡。此值比较大，是因为气泡在水中较易消散。saranin研究原糖回溶糖浆的磷浮法(当时未用絮凝剂)，根据实验结果提出，气浮所需的气泡量为糖液中不溶物重量的2～3％，即每1g不溶物需要6～24ml。

我们也进行了大量的试验研究。糖液气浮清净处理在工艺流程与条件适当、充气方法良好、气泡幼细而均匀、并应用性能良好的絮凝剂时，只需相当少的气泡就可以取得良好的气浮效果：浮升稳定，速度高(如20cm/min以上)，溶液清亮透明，浮渣紧密结实而稳定。充气的气泡量约为糖浆体积的0.5～1%已经足够，过多的气泡反而会造成浮渣松散，体积增大。
　　当气泡独立存在时，它的浮升速度不大，在浓糖液中浮升更慢。而且，越细的气泡的浮升速度越低。在水和60ºbx糖液(20～80℃)中，不同直径的气泡的浮升速度如下方左图所示。在60ºbx的糖液中，直径小于50μm的气泡的浮升速度低于2cm/min。
　　然而，加入絮凝剂后形成的含气絮凝物，它的浮升速度要比单一的气泡大很多倍。糖液中充气和絮凝良好的絮凝物的浮升速度常超过10cm/min，甚至达到50cm/min。这是由于物体的浮升速度随它的尺寸增大而迅速增大(浮升速度近似地与颗粒尺寸的平方成正比)。直径为0.1～0.8mm、比重分别为0.9、1.0和1.1的球形粒子，在60ºbx和60℃的糖液中的浮升速度如下方右图所示。非球形物体的运动阻力大于球体，其相应的运动度稍低与球体，但它与有关因素的关系仍基本符合这个规律。

在颗粒尺寸增大时，浮升速度迅速增加。因此，虽然絮凝物颗粒的比重远远大于气泡，但在它的尺寸稍大时，其浮升速度要比单个的气泡大得多。这种现象在实验和生产中很常见，将浮升过程中的糖浆静置于量筒或烧杯中观察，在絮凝物已大部分浮到上面以后，底部还常有许多微细气泡继续缓慢地上升。

由此可知，对于气浮分离工艺来说，使用良好的絮凝剂形成粗大的絮凝物是非常重要的。絮凝物的比重对浮升速度也有影响，但相对来说不及直径的影响那么大。

2、絮凝物的比重和充气的关系

絮凝物的比重是影响浮升速度的重要因素。如何使絮凝物含较多的气泡以降低它的比重，是很值得研究的。

不论在实验室或车间生产中，虽然絮凝物已浮升得相当快，但其实际比重并不很小，在绝大多数情况下大于1.0。这很容易检查：将絮凝物放在冷水中，它们通常都很快向下沉。故如果絮凝物的尺寸不大，它在糖浆中的浮升就很慢(直径小于0.3mm的粒子的浮升速度低于6cm/min，小于浮清器中糖液下流的一般速度)。

在实验室内处理得很好的情况下，所形成的絮凝物的比重可小于 1.0，它放入水中立即浮起。这需要整个工艺处理都较好、并静置一段时间使浮渣自然浓集。这种絮凝物是最稳定的，即使在水中放置数小时 (或兼轻微搅拌)，亦不会下沉。有时也会出现另一种情况：絮凝物放入冷水中先下沉，静置几分钟后又浮起，而且浮得相当稳定。这种情况虽然不如前者，还算是较好的。

由于絮凝物的网络结构内部有很多空腔，它们除网络了一些固体微粒及气泡以外，空腔中还有大量的液体。在糖浆中形成的絮凝物内部有大量糖浆，糖浆的比重约为 1.2，故絮凝物即使含有不少的气泡，整体的比重也很难降到 1.0 以下，放入水中就下沉。其后，絮凝物中的糖浆逐渐流出或被水稀释，比重降低；在絮凝物含气泡较多时，它的比重可能逐渐降至 1.0 以下而在水中浮起，这就出现了先沉后浮的现象。至于不能再浮起的絮凝物，其含气泡量显然较少，这种情况是最常见的。絮凝物比重的差别反映了它们所含有效气泡的数量不同。

在絮凝物团块之间亦含有大量气泡，它们与絮凝物及一些糖浆共同组成浮渣。浮渣因含气泡较多，比重较低。那些不与絮凝物附着的气泡并不能直接帮助絮凝物的浮升，但浮渣层底部的气泡会将浮渣向上推动而促进它的浓缩。这种作用在静置的状态下比较明显，但在流动着的物料中，气泡容易脱离，作用较小。

我们曾进行大量实验，试图通过增大充气量来降低絮凝物的比重，但未达到目的。这可能由于絮凝物网络气泡的能力有一定限度，难以超过。为增加絮凝物的含气泡量，较有效的方法是在磷酸钙絮凝前先充入适量很微细的气泡，当磷酸钙絮凝时即将气泡网络在内。然后再加絮凝剂，利用两次絮凝网络气泡的作用，可使絮凝物含气泡较多，比重较低。另一方面，气泡微细均匀也是很重要的因素。应用这种方法，在各种条件适当配合的情况下，能够形成比重低于1.0 的絮凝物。

有些糖厂在试用气浮清净法的初期，以为气泡多浮力大，倾向于多充气。结果，多余的气泡在糖浆中形成大量废泡沫，大大增加了浮渣体积，有时在浮清器上层形成相当厚的白色泡沫。这种情况减少了每单位体积浮渣中絮凝剂的相对数量，削弱了絮凝剂的功能，降低了浮渣的稳定性，还必须增加絮凝剂的用量。气泡多造成浮渣量大、难处理，总的效果较差。

同样，粗气泡对糖浆气浮处理也是有害的。直径超过 100μm的气泡很难与絮凝物附着，它们自行浮起。较大的气泡会在糖液中产生骚动和造成液体对流，产生不良影响。

总之，糖液气浮处理要求气泡幼细而均匀，数量适当。粗泡和过量气泡都是有害的。至于数量的控制，主要观察实际浮升情况，是否快速而稳定，有无过量的废泡，并要结合物料的种类和起泡性能，注意气泡的稳定性(如浮渣的表面是否有明显的气泡破裂现象)来适当处理。

3、加压溶气制泡法
　　充气方法是气浮处理中最重要的实际技术问题之一。在制糖和其他行业，曾经研究和应用过多种充气方法。其中最常用的是加压溶气法和机械制泡法。

国外糖厂的气浮清净常用加压溶气法对糖液充气。它所形成的气泡幼细而均匀，数量可以控制，为气浮清净提供了良好的条件。

这种方法的依据是亨利定律：空气在液体中的溶解度与施加的压力成正比例。将糖浆与空气一起压入“溶气罐”中，空气就逐渐溶解；这种糖浆经过减压阀流出到常压之下，其中溶解的空气又复析出形成微细的气泡。
　　空气在糖液中的溶解度与糖液浓度和温度有关：浓度与温度高时溶解度较低。例如在65ºbx的糖液中，空气在常压下的溶解度(cm³/l)与温度的关系如下表。

在高压力下空气的溶解度与静压力成正比。不过空气的溶解是很慢的，很难溶解到饱和点。实际溶解的饱和度与时间及搅拌状况有关，但即使在激烈搅拌下溶解4～6分钟，也只能达到约80%的饱和度。压力越高，空气溶解量越大，但要溶解到接近饱和所需的时间较长。

按上表，若糖液温度为80℃，空气在常压下的溶解度为4cm³/l，加压到0.4mpa表压，即绝对压为常压的5倍，饱和时的空气溶解量为20cm³/l。按饱和度达到75%计，则溶解空气量为15cm³/l。它在降压至常压时放出的空气量为11cm³/l 。

saranin认为，原糖糖浆加磷酸石灰反应后的不溶物总量约为750mg/l，充气量对不溶物的重量比为0.02～0.03(当时未用絮凝剂)，则每升糖浆需充气12～18cm³。根据上述计算，需将全部糖浆在压力0.4～0.6mpa下与空气接触溶解数分钟。

现代的糖液气浮清净系统都使用絮凝剂，所需的充气量较低。因此，不需要将全部糖液都经过加压溶气处理。取部分糖液加压溶气，再与其他糖液混合，达到适当的充气量即可。这就缩小了加压设备的尺寸。用于加压溶气的糖液有两种选择：一是原来的糖液，另一是浮清后的糖液。用前者的优点是没有增大处理量，缺点是糖液在降压释放时产生的巨大流速会破碎已经形成的磷酸钙颗粒。用后者免除了这种缺点，但部分糖液回流增大了物料量，相关部分的设备体积要增大。

将气体与液体混合的方法有几种：一种是将压缩空气压入泵送糖液的离心泵的入口管道上，利用高速旋转的泵叶将气体打碎成气泡，同时提高糖液的压力；另一种是将泵出的糖液(通常用已经浮清的糖液)部分回流，经过一个喷射抽吸器吸入空气，再接入到待处理糖液的离心泵的入口，与后者混合；还有一种是将糖液经过高位水井，糖液向下流时形成旋涡自动吸入空气(当尾管较长及切线入料时此作用较强)再入离心泵。这些方法都要控制进入的空气量适当。进入离心泵的液体含气量不应超过8％(体积计) ，否则会在泵中产生明显的“气蚀”现象，加速泵叶等部件的损蚀。在使用的溶气压力较高时，要用多级离心泵。这些方法在多个行业中都有采用。

压力溶气罐是一个密封的圆筒形受压容器，装有进出管路、放空管、液位计和压力表。高度要较大，装载容积为每小时充气糖液量的8～10％。为强化溶气过程，器内常装隔板或填料。它在使用时要保持较高的液位，延长溶气的时间。但不可过满，并要防止罐内泡沫冒上罐顶。

水或糖浆在加压下将空气溶解，在降压时即释放出大量微细的气泡，它们的直径大部分在10～120μm之间，呈分散分布状态。具体情况与所用的“降压释放阀”的形式结构有关。后者有多种型式，最简单的是普通的截止阀和针阀，还有专用的wrc注射喷咀、ts型(或tj型)释放器等。新的型式还在研究，希望生成的气泡更幼细而均匀。

空气从水中析出的过程分为两阶段，即气泡核的形成和气泡的长大。其中第一阶段起决定作用。生成的气泡的大小还与所用压力和液体的成分和性质有关。含有表面活性物质的液体能形成较细和稳定的气泡。

加压溶气法的充气效果是好的，但要有体积较大的压力溶气罐，要控制好罐内的压力和液面，设备和管理都比较复杂；用于处理榨蔗糖浆时，会在溶气罐内形成大量泡沫，难以处理。国内糖厂用此法的不多，但在废水处理中应用相当普遍。

4、机械制泡法

糖厂的物料容易起泡，用搅拌叶在糖液中高速旋转就可生成大量的气泡。国内不少糖厂在试验磷浮法的初期就用这种方法制泡，在一个开口箱中装搅拌叶打泡，但生成的气泡粗大，数量多，悬浮物的凝聚和气浮效果不好，浮升稳定性差，而且大量的粗泡形成很多浮渣，其中有大量糖浆，而沉淀物不多，很难过滤，造成处理困难。

国外的糖厂常应用一种“充气泵”，类似离心泵，泵叶类似国内常用的开盖泵的泵叶，但厚度较大，叶片上的筋条不是弧形曲线，而是十字形。由于泵内空间体积小和泵叶转速高，气泡被打得较细碎，它通常配用在加压溶气法的系统中。

将糖液通过喷射器抽吸空气，并利用喷射液体的强烈湍流将气泡切割，可形成大量的气泡。但气泡仍然偏粗，而且不均匀。国内有糖厂用过，效果不够理想。

糖浆气浮清净要求气泡幼细而均匀，数量适中。根据这个要求，我们设计了一种新的糖浆充气系统和设备，1982年先在广东中山糖厂使用，以后又应用于多个糖厂，效果良好。它的设备较简单，容易制造，使用和管理都很方便。这个系统是将小部分糖浆用高速制泡机处理，生成大量微细而密集的气泡，然后将这些糖浆和其余的糖浆混合，使气泡散布到全部糖浆中。控制前一部分糖浆的数量即可控制全部糖浆的充气量。这个比例主要视糖浆的起泡性质而定。榨蔗糖浆起泡力强，一般只需取10～15%经制泡机处理，即可得到足够的气泡。原糖糖浆起泡力弱，这个比例要较高，如20～40%。在实际运行时，可视浮清器内的气泡多少与浮清状况适当调节。
　　这个系统所用的高速制泡机，在取得成功后改进了几种设计，效果更好。用它处理糖浆(及其粗泡)可生成大量微细而均匀的气泡，气泡直径10～30μm，无粗泡，处理后的糖浆呈乳黄色至乳白色。这种制泡机每台装有20～30把锋利的刀片，在糖浆中以2930r/min高速旋转，形成激烈的漩涡，将空气泡反复斩切破碎成为微细的气泡。刀片用3mm厚的不锈钢片制造，刀长200～300mm，刀的两端屈折成45º角，屈折部分长20mm，以增大切削面积。刀口刨得很锋利，相邻各刀互相交错成十字形排列，装在转轴上。刀距为20mm，旋转时各刀的切削面互相连接，合并成一个圆锥形或圆筒形的切削面。
　　为增强破碎气泡的作用，在制泡机外壳的内壁表面上刨出许多幼细的、有尖锐顶角的纵向坑纹，它与转子刀刃之间的间隙很小，糖浆就在转子刀刃与外壁之间的环形空隙流过，既受到刀刃切削，又与壁面的坑纹搓磨，气泡就越来越幼细。由于切削面的总长比其间隙大得多，糖浆与气泡很少可能走短路，故不会有未充分破碎的粗泡。转子两端还装有“轴封刀”防止糖浆泄漏。一种中等大小的制泡机的结构如下图。

此机在旋转时能自动吸入空气成泡，但其入口需开放(不可封密)。运转时内部要保持适当液面，即为转子高度的1/3～1/2，它是由出汁机构自动控制的。此机最初制成立式，上面开放易于装拆。后来制成卧式结构，左右两端均有轴承支承，运行更加可靠，可长期连续安全运行，采用相等刀长的圆筒形结构以便于制造。