1.気泡拡散過程のダイナミクスに関する研究

固体表面での気泡の拡散は、鉱物の浮選やセルフクリーニング表面など、自然界や産業用途で重要な役割を果たしています。拡散の初期段階では、接触線が急速に小さなスケールで移動するため、実験研究にとって大きな課題となります。中国鉱業大学の研究チームは、千眼オオカミ高速カメラ技術を使用して、均質固体（テフロン、アクリル、ガラス、ステンレス鋼）と不均質固体（亜炭と無煙炭）上の気泡の拡散プロセスを追跡し、気泡拡散の動的挙動を研究し、さらに気液界面形態の進化パターンを観察しました。（詳細については、「高速ダイナミクスに基づく気泡拡散プロセスの動的挙動の研究」を参照してください）

2.実験方法

研究チームは、固体表面上の単一気泡の動的拡散過程を正確に観察するために、図1に示すような可視化実験システムを構築しました。このシステムは、観察タンク、気泡発生部、高速画像取得部、光源で構成されています。画像取得部は、コンピューターに接続されたRevealer高速カメラで構成されています。

画像1-- 実験システムの概略図

マイクロインジェクションポンプを調整して、1μL/分の速度でゆっくりと気泡を生成し、針先と固体表面の距離を制御して、広がる気泡の初期形状とサイズを維持するようにします。気泡が固体表面に接触しそうになったら、ガス注入を停止します。気泡が固体表面に接触した後、自然に広がります。気泡の拡散の全プロセスは、9200fpsのキャプチャ速度で高速カメラで記録され、各実験は3回繰り返されます。ソフトウェアを使用して、高速カメラでキャプチャされた画像を定量的に処理し、固体表面に広がる気泡の3相線の長さL、最大幅W、および対応する位置Hなどのパラメーターを取得します。

3.実験分析

1/3. 気泡の付着と拡散のプロセス

ガス注入が停止すると、水槽内のステンレス鋼針の先端にある気泡が慣性でゆっくりと固体基板に接触し、その後広がる動作をします。図2は、さまざまな固体表面上の気泡の接触と広がりのプロセスを示しています。赤線と緑線は、それぞれ固体表面のベースラインと気泡の幾何学的中心の接続線を表しています。気泡が固体表面に近づくと、まず液体排出プロセスが行われます。気泡と固体の間の液膜が破裂すると、3相線膨張プロセスが直ちに始まります。気泡が固体表面上で広がり始める瞬間をt = 0msとして選択します。図2から、テフロン、ステンレス鋼、アクリル、ガラス基板上の気泡が非常に短時間でより広い領域に広がり、その後、安定するまで広がり速度が遅くなることがわかります。

画像 2 - さまざまな固体表面上の気泡の動的な拡散プロセス。

図2(ad)から、気泡が均質固体表面上で広がるにつれて、t = 0〜15ms以内に、三相接触線が急速に拡大し、急速拡大段階と呼ばれる段階になっていることがわかります。その後、三相接触線の動きが遅くなり、最大拡大に達します。この段階は、緩慢拡大段階と呼ばれます。図2(ef)から、前述の4つの均質サンプルと比較して、石炭サンプル表面は、他のサンプルよりも三相線の拡大長さが短く、拡大時間が大幅に長いことがわかります。図2(af)の緑の点線から、均質固体表面上の気泡の幾何学的中心位置が三相線の拡大とともに徐々に上方に移動し、気泡の形状が初期の球形近似から上端が切り取られた楕円形に進化していることがわかります。亜炭や無煙炭などの不均質材料の場合、気泡の幾何学的中心位置にはわずかな変動がありますが、気泡の全体的な形状はほぼ球形のままです。

2/3. バブル拡散ダイナミクス

気泡と固体表面の間の液膜が薄くなり破裂すると、三相接触線が形成され始めます。界面張力の不均衡により、三相接触線は継続的に外側に拡大し、気相の広がりと固体相の液体置換の現象が発生します。三相接触線が長いほど、固体表面が気泡から液体を置換する能力が強くなります。さまざまな均質な固体表面上の気泡の広がり長さ L の経時的変化は、図 3 に示されています。

図 3 - 均質固体表面上の三相線の長さ (L) の経時変化 (t)。挿入図は二重対数プロットを示しています。

上の画像から、三相線の運動過程には2つの段階があることがわかります。①急速拡散段階（t≤15ms）。異なる固体表面上の気泡拡散過程は普遍的な自己相似挙動を示し、液膜が破れた後、三相接触線が非常に短い時間でより長い長さに拡大し、この過程は固体表面の初期条件とは無関係であることを意味します。②低速拡散段階（t>15ms）。固体表面の形態、化学組成、微細構造、濡れ性などの物理的および化学的特性の違いにより、気泡拡散過程は独自の特徴を持ちます。三相線の最終的な拡散長さは、テフロン>ステンレス鋼>プレキシガラス>ガラスの順です。

図 4 - 褐炭と無煙炭の表面における三相線の長さ (L) の経時変化 (t)。挿入図には二重対数プロットが示されています。

図4は、褐炭と無煙炭の表面における三相線拡散長さLの経時的変化を示しています。褐炭表面の三相線拡散長さの曲線は均質固体と比較して大きな違いを示していますが、無煙炭表面の三相線拡散長さの変化パターンは均質固体のそれに近いです。褐炭と無煙炭の表面で着実に広がる気泡の最終的な三相線拡散長さは、均質固体の平均よりも約50%短くなっています。複数回の繰り返し実験の後、褐炭表面の三相線の動きは複数の変動特性を示しています。これは、褐炭と無煙炭の表面で気泡が広がる時間は均質固体の表面よりも少なくとも2桁長く、褐炭表面の気泡はゆっくりと広がる段階でより大きな揮発性を持つことを示しています。

図5 - 異なる固体表面の見かけの接触角

図5に示すように、固体表面での見かけの接触角は、テフロン>無煙炭>ステンレス鋼>プレキシガラス>ガラス>亜炭の順です。4つの均質な固体表面上の液滴の接触角は、三相線拡散長さと同じパターンに従い、不均質な亜炭と無煙炭の接触角も三相線拡散長さに対応しています。これは、濡れ性が固体表面での気泡拡散プロセスに影響を与える重要な要因であることを示しています。

固体表面の濡れ性は、その微視的形態と化学組成によって決まります。図 6(a) に示すように、滑らかで均質な固体表面では、まず気泡がガスと固体の間の液膜を押しのけ、液膜が破裂した後、三相接触線が徐々に対称的に外側に広がり、広がりのプロセスが終了します。

褐炭や無煙炭などの不均質な固体表面は粗くひび割れており、水に浸すと、図6(b)に示すように、表面または細孔内にマイクロおよびナノサイズの気泡が存在します。気泡と石炭サンプル表面の間の液膜が継続的に薄くなると、気泡は表面または亀裂内のより小さな気泡と融合し、三相線の動きに影響を与える可能性があります。これは、前述の褐炭表面の気泡面積がわずかに増加した理由でもある可能性があります。さらに、石炭サンプル表面の有機物と無機物の混合物は、異なる親水性/疎水性部位をもたらし、不均一な表面トポグラフィーは不均一な粗さを引き起こし、三相線の移動中にピンニング効果をもたらし、非対称な動きにつながります。したがって、石炭サンプル表面のピンニングと気泡の融合の複合効果は、均質な固体表面上の三相線の移動パターンとは大きく異なると推測できます。

3/3. 拡散過程における気液界面の変形

画像 7 - 拡散プロセス中の気泡の最大幅 (W) と対応する位置 (H) の変化。

三相線が拡大するにつれ、主にガス相と液相の相互作用により、泡の輪郭と幾何学的中心の両方が変化します。均質な固体表面上で広がる泡の最大幅 W は、図 7(a) に示すように、時間とともに動的に変化します。固体表面上で泡が急速に広がり始めると、最大幅 W は突然減少します。泡が広がり始めた後、図 7(a) では明らかな凹面領域が観察されます。これは、広がる際の三相線の長さの急激な増加に対応しています。W が最低点に達した後、急速な広がりプロセスは終了し、その後、ゆっくりと広がる段階が続きます。ゆっくりと広がる段階では、最大幅 W は徐々に増加して安定した値になります。ガラスやアクリルの表面では、W はすぐに平衡に達し、W の最終的な変化は小さくなりますが、テフロンやステンレス鋼の表面では、W が平衡に達するまでに時間がかかり、W の最終的な変化が大きくなります。気泡の最大幅 W の変化は、三相線が気泡内の流体の再分配とともに移動することを示しています。

褐炭と無煙炭の動的拡散過程における気泡の最大幅 W の変化を図 7(b) に示す。脱湿過程における石炭サンプル表面の気泡の最大幅 W は変動を示すものの、概ね上昇傾向にある。これは固体表面の化学構造と微細形態に関係している可能性がある。石炭のランクが低いほど表面粗さが大きくなり、水に浸漬すると表面溝内のマイクロナノスケールの気泡や細孔に吸着されたガスが多く存在する。表面のマイクロナノスケールの気泡が拡散気泡と融合すると、気泡の体積が増加し、幅に影響を与える可能性がある。このように、石炭表面の物理的または化学的構造の不均一性により、三相線の移動中に気泡の最も広い部分が不安定になる。

三相ラインの膨張プロセス中、最大幅 W は気泡の横方向の特性を反映します。気泡の縦方向の特性を調べるために、気泡の位置 H は最大幅の点と固体ベースラインの間の距離として定義されます。均質固体の場合、気泡の位置 H は時間の経過とともに急激に減少し、その後徐々に安定値まで減少します。これは、三相ラインの長さ L と気泡の最大幅 W の変化パターンと一致します。亜炭と無煙炭の表面では、気泡の位置 H の経時変化はそれほど顕著ではなく、一般に小さな振幅で変動する緩やかな減少を示します。図 8 に示すように、ソフトウェアを使用して気泡の等高線を抽出すると、三相ラインが膨張するにつれて、気泡の位置 H が固体表面に向かって徐々に上方に移動し、テフロンとステンレス鋼の表面で上方移動が最も大きく、亜炭と無煙炭の表面で上方移動が最も小さいことが直感的にわかります。

気液界面の相互作用は、三相線の広がりとともに変化し、固体表面の濡れ性と密接に関係しています。固体表面の疎水性が強いほど、水和膜はより安定し、その膨張能力は大きくなり、液膜はより遠くまで移動します。したがって、三相線の広がりはより長くなり、気液界面の変形はより大きくなります。しかし、不均質な固体表面には、親水性と疎水性のサイトが異なり、局所的な微細構造の違いが顕著であるため、三相線の動きと気液界面の進化に複雑なパターンが生じます。

4. 実験的結論

（１）気泡拡散過程において、三相線は主に急速拡散相と緩速拡散相を経る。急速拡散相は自己相似挙動特性を示し、緩速拡散相は固体表面形態、化学組成、微細構造、濡れ性などの特性の影響を受ける。

（２）固体表面の濡れ性は気泡拡散挙動に影響を与える重要な因子である。石炭サンプル表面の不均一な濡れ性が、均質固体の気泡拡散挙動と大きく異なる根本的な原因である。石炭サンプル表面上の三相線拡散長さは均質固体上よりも約50%短く、拡散時間は少なくとも2桁長くなる。

（３）均質な固体表面の場合、三相線の急速な拡散段階は、表面張力と慣性力によって支配される指数b=1/2のべき乗則モデルに従います。また、低速拡散段階は、表面張力と粘性力によって支配される指数b=1/10のべき乗則モデルに従います。石炭サンプル表面の場合、三相線の急速な拡散段階も指数b=1/2のべき乗則モデルに従います。

（4）三相線の拡大に伴い、気相と液相の相互作用により、特に均質な固体表面上で気液界面に変化が生じる。石炭サンプル表面は、物理的または化学的構造の不均一性により、ガスの統合とピンニング効果を生み出し、気液界面に小規模な変動を引き起こす。

5。結論

この実験では、高速カメラを使用して気泡拡散プロセスを可視化し、固体表面特性が気泡拡散挙動に与える影響を調べ、三相線の動きのメカニズムと気液界面形態の進化ルールを調査しました。これにより、粒子と気泡の接着プロセスと粒子と気泡のフロック界面構造の安定性をより深く理解するための理論的基礎が築かれました。