1.Investigación sobre la dinámica del proceso de propagación de burbujas

La propagación de burbujas sobre superficies sólidas desempeña un papel importante en aplicaciones naturales e industriales, como la flotación de minerales y las superficies autolimpiantes. En las primeras etapas de propagación, la línea de contacto se mueve rápidamente y a pequeña escala, lo que presenta un desafío sustancial para la investigación experimental. Un equipo de investigación de la Universidad de Minería y Tecnología de China empleó la tecnología de cámara de alta velocidad de mil ojos de lobo para rastrear el proceso de propagación de burbujas sobre sólidos homogéneos (teflón, acrílico, vidrio, acero inoxidable) y sólidos heterogéneos (lignito y antracita), estudiando el comportamiento dinámico de la propagación de burbujas y observando además los patrones de evolución de la morfología de la interfaz gas-líquido. (Para obtener más detalles, consulte "Investigación sobre el comportamiento dinámico del proceso de propagación de burbujas basado en dinámicas de alta velocidad")

2. Método experimental

Para observar con precisión el proceso dinámico de propagación de una sola burbuja sobre una superficie sólida, el equipo de investigación construyó un sistema experimental de visualización, como se muestra en la Imagen 1. Este sistema consta de un tanque de observación, un generador de burbujas, una adquisición de imágenes de alta velocidad y una fuente de luz. La parte de adquisición de imágenes está compuesta por una cámara de alta velocidad Revealer conectada a una computadora.

Imagen 1-- Diagrama esquemático del sistema experimental

Ajuste la bomba de microinyección para generar burbujas lentamente a una velocidad de 1 μL/min, e intente mantener la forma y el tamaño iniciales de la burbuja que se esparce controlando la distancia entre la punta de la aguja y la superficie sólida. Cuando la burbuja esté a punto de entrar en contacto con la superficie sólida, detenga la inyección de gas. Una vez que la burbuja entre en contacto con la superficie sólida, se esparce espontáneamente. Todo el proceso de esparcimiento de la burbuja se graba con una cámara de alta velocidad a una velocidad de captura de 9200 fps, y cada experimento se repite tres veces. Utilice un software para procesar cuantitativamente las imágenes capturadas por la cámara de alta velocidad para obtener parámetros como la longitud L de la línea trifásica de la burbuja que se esparce sobre la superficie sólida, el ancho máximo W y su posición correspondiente H.

3.Análisis experimental

1/3. Proceso de adhesión y propagación de burbujas

Después de que se detiene la inyección de gas, la burbuja en el extremo de la aguja de acero inoxidable en el tanque de agua entra en contacto lentamente con el sustrato sólido bajo inercia, seguido de un comportamiento de expansión. La Figura 2 muestra el proceso de contacto y expansión de las burbujas en diferentes superficies sólidas, donde las líneas roja y verde representan la línea base de la superficie sólida y la línea de conexión del centro geométrico de la burbuja, respectivamente. Después de que la burbuja se acerca a la superficie sólida, primero se somete a un proceso de drenaje de líquido. Cuando la película de líquido entre la burbuja y el sólido se rompe, el proceso de expansión de la línea trifásica comienza inmediatamente. El momento en que la burbuja comienza a extenderse sobre la superficie sólida se selecciona como t = 0 ms. De la Imagen 2, se puede ver que las burbujas en sustratos de teflón, acero inoxidable, acrílico y vidrio se extienden a un área más grande en un tiempo muy corto, y luego la velocidad de propagación se vuelve lenta hasta que se estabiliza.

Imagen 2-- El proceso de propagación dinámica de burbujas en diferentes superficies sólidas.

De la Imagen 2(ad), se puede observar que a medida que la burbuja se extiende sobre la superficie sólida homogénea, dentro de t=0~15ms, la línea de contacto trifásica se expande rápidamente, una etapa conocida como la fase de expansión rápida. Posteriormente, el movimiento de la línea de contacto trifásica se vuelve lento hasta la expansión máxima, una etapa conocida como la fase de expansión lenta. De la Figura 2(ef), es evidente que en comparación con las cuatro muestras homogéneas mencionadas anteriormente, la superficie de la muestra de carbón exhibe longitudes de expansión de línea trifásica más cortas y tiempos de expansión significativamente más largos que otras muestras. De las líneas punteadas verdes en la Figura 2(af), es claro que la posición central geométrica de la burbuja sobre la superficie sólida homogénea se mueve gradualmente hacia arriba con la expansión de la línea trifásica, y la forma de la burbuja evoluciona desde una aproximación inicialmente esférica a una forma elipsoidal con el extremo superior truncado. En el caso de materiales heterogéneos, como el lignito y la antracita, hay una ligera fluctuación en la posición central geométrica de la burbuja, pero la forma general de la burbuja sigue siendo aproximadamente esférica.

2/3. Dinámica de propagación de las burbujas

Cuando la película de líquido entre una burbuja y una superficie sólida se adelgaza y se rompe, comienza a formarse una línea de contacto trifásica. Debido al desequilibrio de la tensión interfacial, la línea de contacto trifásica se expande continuamente hacia afuera, lo que da lugar a los fenómenos de expansión de la fase gaseosa y desplazamiento del líquido de la fase sólida. Cuanto más larga sea la línea de contacto trifásica, mayor será la capacidad de la superficie sólida para desplazar el líquido de la burbuja. La evolución de la longitud de expansión L de las burbujas en diferentes superficies sólidas homogéneas a lo largo del tiempo se muestra en la Imagen 3.

Imagen 3-- Evolución de la longitud de la línea trifásica (L) en una superficie sólida homogénea a lo largo del tiempo (t), con una figura insertada que muestra un gráfico logarítmico doble.

En la imagen anterior, se puede ver que el proceso de movimiento de la línea trifásica incluye dos etapas: ① La etapa de expansión rápida (t≤15ms), donde el proceso de expansión de burbujas en diferentes superficies sólidas exhibe un comportamiento autosimilar universal, lo que significa que la línea de contacto trifásica se expande a una longitud mayor en un tiempo muy corto después de que se rompe la película de líquido, y este proceso es independiente de las condiciones iniciales de la superficie sólida; ② La etapa de expansión lenta (t>15ms), donde debido a las diferencias en las propiedades físicas y químicas como la morfología, la composición química, la microestructura y la humectabilidad de la superficie sólida, el proceso de expansión de burbujas tiene sus propias características. La longitud de expansión final de la línea trifásica está en el orden de: Teflón > Acero inoxidable > Plexiglás > Vidrio.

Imagen 4-- Evolución de la longitud de la línea trifásica (L) en las superficies de lignito y antracita a lo largo del tiempo (t), con una figura insertada que muestra un gráfico logarítmico doble.

La evolución de la longitud de propagación de la línea trifásica L en las superficies de lignito y antracita a lo largo del tiempo se muestra en la Imagen 4. La curva de la evolución de la longitud de la línea trifásica en la superficie del lignito muestra diferencias significativas en comparación con los sólidos homogéneos, mientras que el patrón de evolución de la longitud de la línea trifásica en la superficie de antracita es más cercano al de los sólidos homogéneos. La longitud final de la línea trifásica de las burbujas que se propagan de manera constante en las superficies de lignito y antracita es aproximadamente 50% más corta que el promedio de los sólidos homogéneos. Después de múltiples experimentos repetidos, el movimiento de la línea trifásica en la superficie del lignito exhibe múltiples características de fluctuación. Esto indica que el tiempo que tardan las burbujas en propagarse en las superficies de lignito y antracita es al menos dos órdenes de magnitud mayor que en la superficie de los sólidos homogéneos, y las burbujas en la superficie del lignito tienen una mayor volatilidad durante la fase de propagación lenta.

Imagen 5: Diferentes ángulos de contacto aparentes en superficies sólidas

Como se muestra en la Imagen 5, los ángulos de contacto aparentes en superficies sólidas son los siguientes: Teflón > Antracita > Acero inoxidable > Plexiglás > Vidrio > Lignito. Los ángulos de contacto de las gotas de líquido en cuatro superficies sólidas homogéneas siguen el mismo patrón que la longitud de propagación de la línea trifásica, y los ángulos de contacto del lignito y la antracita heterogéneos también corresponden a sus longitudes de propagación de la línea trifásica. Esto indica que la humectabilidad es un factor importante que afecta el proceso de propagación de burbujas en superficies sólidas.

La humectabilidad de una superficie sólida está determinada por su morfología microscópica y su composición química. Como se muestra en la Imagen 6(a), en una superficie sólida homogénea y lisa, la burbuja desplaza primero la película de líquido entre el gas y el sólido y, tras la ruptura de la película de líquido, la línea de contacto trifásica se expande gradualmente de manera simétrica hacia afuera hasta que finaliza el proceso de expansión.

Las superficies sólidas heterogéneas, como el lignito y la antracita, son rugosas y agrietadas, y cuando se sumergen en agua, las burbujas de tamaño micro y nanométrico residen en la superficie o dentro de los poros, como se muestra en la Imagen 6(b). A medida que la película líquida entre la burbuja y la superficie de la muestra de carbón se adelgaza continuamente, la burbuja puede fusionarse con burbujas más pequeñas en la superficie o grietas, lo que afecta el movimiento de la línea trifásica. Esta también podría ser la razón del ligero aumento en el área de burbujas en la superficie de lignito mencionada anteriormente. Además, la mezcla de sustancias orgánicas e inorgánicas en la superficie de la muestra de carbón conduce a diferentes sitios hidrófilos/hidrófobos, y la topografía irregular de la superficie causa una rugosidad no uniforme, lo que resulta en efectos de fijación durante el movimiento de la línea trifásica, lo que lleva a un movimiento asimétrico. Por lo tanto, se puede inferir que los efectos combinados de fijación en la superficie de la muestra de carbón y la fusión de burbujas difieren significativamente de los patrones de movimiento de la línea trifásica en una superficie sólida homogénea.

3/3. Deformación de la interfase gas-líquido durante el proceso de expansión

Imagen 7-- Evolución del ancho máximo (W) de las burbujas y posiciones correspondientes (H) durante el proceso de esparcimiento.

A medida que la línea trifásica se expande, tanto el contorno como el centro geométrico de la burbuja cambiarán, principalmente debido a la interacción entre las fases gaseosa y líquida. El ancho máximo W de la burbuja que se extiende sobre una superficie sólida homogénea cambia dinámicamente con el tiempo, como se muestra en la Imagen 7(a). Cuando la burbuja comienza a extenderse rápidamente sobre la superficie sólida, el ancho máximo W disminuye repentinamente. Se puede observar un área cóncava obvia en la Imagen 7(a) después de que la burbuja comienza a extenderse, correspondiente al rápido aumento en la longitud de la línea trifásica durante la expansión. Después de que W alcanza su punto más bajo, el proceso de expansión rápida termina, seguido de una etapa de expansión lenta. Durante la etapa de expansión lenta, el ancho máximo W aumenta gradualmente hasta un valor estable. En superficies de vidrio y acrílico, W alcanza rápidamente el equilibrio y la variación final en W es pequeña, mientras que en superficies de teflón y acero inoxidable, W tarda más en alcanzar el equilibrio y la variación final en W es mayor. La evolución del ancho máximo W de la burbuja indica que la línea trifásica se mueve con la redistribución del fluido dentro de la burbuja.

La evolución del ancho máximo W de las burbujas durante el proceso de expansión dinámica del lignito y la antracita se muestra en la Imagen 7(b). El ancho máximo W de las burbujas en la superficie de la muestra de carbón durante el proceso de deshumectación exhibe fluctuaciones, pero generalmente muestra una tendencia ascendente. Esto puede estar relacionado con la estructura química y la micromorfología de la superficie sólida. Cuanto menor es el rango del carbón, mayor es la rugosidad de la superficie y, cuando se sumerge en agua, hay más burbujas de escala micronanométrica en las ranuras de la superficie y gases adsorbidos en los poros. Cuando las burbujas de escala micronanométrica de la superficie se fusionan con las burbujas que se están expandiendo, esto puede aumentar el volumen de las burbujas, lo que afecta su ancho. Por lo tanto, la no uniformidad de la estructura física o química de la superficie del carbón provoca inestabilidad en la parte más ancha de las burbujas durante el movimiento de la línea trifásica.

Durante el proceso de expansión de la línea trifásica, el ancho máximo W refleja las características laterales de la burbuja. Para explorar las características longitudinales de la burbuja, la posición H de la burbuja se define como la distancia entre el punto de ancho máximo y la línea base sólida. Para sólidos homogéneos, la posición H de la burbuja disminuye bruscamente con el tiempo antes de disminuir gradualmente hasta un valor estable, que se alinea con los patrones de cambio de la longitud L de la línea trifásica y el ancho máximo W de la burbuja. En las superficies de lignito y antracita, los cambios en la posición H de la burbuja a lo largo del tiempo son menos pronunciados, mostrando generalmente un descenso lento fluctuante con una pequeña amplitud. Como se muestra en la Imagen 8, al extraer la línea de contorno de la burbuja mediante software, se puede observar intuitivamente que a medida que la línea trifásica se expande, la posición H de la burbuja se mueve gradualmente hacia arriba en dirección a la superficie sólida, con el mayor movimiento ascendente en superficies de teflón y acero inoxidable, y el menor en superficies de lignito y antracita.

La interacción en la interfaz gas-líquido cambia a medida que se extiende la línea trifásica, lo que está estrechamente relacionado con las propiedades humectantes de la superficie sólida. Cuanto más fuerte sea la hidrofobicidad de la superficie sólida, más estable será la película de hidratación, mayor será su capacidad de expansión, más se desplazará la película líquida, por lo tanto, más larga será la extensión de la línea trifásica y mayor será la deformación de la interfaz gas-líquido. Sin embargo, las superficies sólidas no homogéneas tienen diferentes sitios hidrófilos e hidrófobos y diferencias microestructurales locales significativas, lo que conduce a patrones complejos en el movimiento de su línea trifásica y la evolución de la interfaz gas-líquido.

4. Conclusiones experimentales

(1) Durante el proceso de propagación de burbujas, la línea trifásica experimenta principalmente fases de propagación rápida y lenta. La fase de propagación rápida exhibe características de comportamiento autosimilar, mientras que la fase lenta está influenciada por propiedades como la morfología de la superficie sólida, la composición química, la microestructura y la humectabilidad.

(2) La humectabilidad de la superficie sólida es un factor importante que afecta el comportamiento de propagación de burbujas. La humectabilidad no uniforme de las superficies de las muestras de carbón es la razón fundamental por la que su comportamiento de propagación de burbujas difiere significativamente del de los sólidos homogéneos. La longitud de propagación de la línea trifásica en las superficies de las muestras de carbón es aproximadamente 50% más corta que en los sólidos homogéneos, y el tiempo de propagación es al menos dos órdenes de magnitud mayor.

(3) Para superficies sólidas homogéneas, la fase de expansión rápida de la línea trifásica sigue un modelo de ley de potencia con un exponente b = 1/2, dominado por la tensión superficial y las fuerzas inerciales; la fase de expansión lenta sigue un modelo de ley de potencia con un exponente b = 1/10, dominado por la tensión superficial y las fuerzas viscosas. Para superficies de muestras de carbón, la fase de expansión rápida de la línea trifásica también se ajusta al modelo de ley de potencia con un exponente b = 1/2.

(4) Con la expansión de la línea trifásica, la interacción entre las fases gaseosa y líquida provoca cambios en la interfaz gas-líquido, especialmente en superficies sólidas homogéneas. La superficie de la muestra de carbón, debido a la heterogeneidad estructural física o química, produce efectos de integración y fijación de gases, lo que provoca fluctuaciones de pequeña escala en la interfaz gas-líquido.

5. Conclusión

En este experimento se utilizó una cámara de alta velocidad para visualizar el proceso de propagación de las burbujas, se examinó el impacto de las propiedades de la superficie sólida en el comportamiento de propagación de las burbujas, se investigó el mecanismo de movimiento de la línea trifásica y las reglas de evolución de la morfología de la interfaz gas-líquido. Esto sienta las bases teóricas para una comprensión más profunda de los procesos de adhesión entre partículas y burbujas y la estabilidad de las estructuras de la interfaz flóculo entre partículas y burbujas.