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利用AFM对矿物表面结构进行观察

栏目:行业新闻 发布时间:2022-09-08

光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜等一系列先进显微技术的应用为人类科技和社会进步做出了巨大贡献。Gerd.Binning和C.F.Quate在扫描隧道显微镜(STM)的基础上,于1986年合作发明了原子力显微镜(AtomicForceMicroscope,AFM),它是为观察非导电物质经改进而发展起来的分子和原子级显微工具,具有分辨率高、制样简单、操作易行等优点。

AFM不但可观测样品在纳米尺度、分子水平上的表面形貌,达到接近原子分辨率,还可测定极微弱的表面力,从而可研究表面的弹性、塑性、硬度、黏着力以及摩擦力等性质,研究分子间的弱相互作用力。AFM在有机与无机材料、化学、生命科学及生物学中得到了广泛应用,并已经渗透到矿物加工领域,在推动矿物加工以及浮选化学深入发展上起到了积极作用。

AFM图像是通过样品扫描时测量微悬臂受力弯曲程度得到的。检测微悬臂弯曲的方式有隧道电流法、光束偏转法、光学干涉法和电容检测法4种。光学干涉法因其测量精度高而最常用,它是利用光学干涉的方法探测微悬臂共振频率的位移及微悬臂变形偏移的幅度。当微悬臂发生微小变形时,探测光束的光程发生变化,进而使参考光束和探测光束间的相位出现位移,相移的大小反映了微悬臂变形的大小。

在矿物加工领域中,不仅可以利用AFM对矿物表面结构进行观察,分析其表面性能,研究矿物在空气中或在液体中的表面性质,而且可以研究样品表面间的范德华引力、双电层静电斥力、水化力及疏水力等,测量矿物表面与气泡以及吸附药剂的矿物表面之间的相互作用力。因此,AFM在矿物加工领域中具有广阔的应用前景。近年来,国内外不少学者开始将AFM技术应用于矿物加工领域,为矿业的深入发展起到了积极推动作用。 

观察矿物表面结构和微形貌由于矿物表面结构和微形貌直接影响着矿物表面的物理化学性质,因此,了解矿物表面结构和微形貌有利于分析矿物加工过程中的行为,如矿物在溶液中的界面化学性质行为,矿物表面与药剂作用机理(润湿性、电性和吸附性)等。通常矿物的表面结构不同于内部结构。

观察矿物表面微形貌Huamin等用AFM研究了云母、蒙脱石等黏土矿物吸附Cr3+、Cr6+、Pb2+等重金属离子后的表面结构与形貌变化。AFM图像表明,在低pH值条件下,铅饱和与铬饱和的云母表面都未发生反应,在高pH值条件下,铬饱和的云母不仅在表面形成沉淀物,还形成复层的形貌。蒙脱石吸附Cr6+后会在其表面发生氧化还原反应,Cr6+被还原为Cr3+,在其表面形成新的表面化合物,还原态的表面呈紧缩的结构,而氧化态的表面呈扩张的结构。谭文峰等利用AFM探讨了黑云母经Pb2+处理后的表面形貌,进而分析了黑云母表面电荷分布特点。王建绒等利用AFM获得了一水硬铝石的表面形貌,发现一水硬铝石矿物{010}解理存在约为12nm高度的解理台阶,同时在{010}解理面存在许多晶体生长小丘,因而大大增大了一水硬铝石解理断面的比表面积和活性点。陈明莲等在研究微生物对黄铜矿表面性质的影响时,通过AFM观察了吸附在黄铜矿表面的细菌形态图及矿物表面的腐蚀形貌图,直观地观察了细菌与黄铜矿间的相互作用。可以看出,A.ferrooxidans菌不均匀地分布在矿物表面,且更倾向于吸附在矿物表面的缺陷、裂缝、位错等区域。细菌浸蚀黄铜矿7d后,擦去表面附着的细菌,观察到的黄铜矿表面的腐蚀形貌,黄铜矿表面已经受到严重腐蚀,表面凹凸不平,呈不均匀状态。比较A.ferrooxidans菌与A.caldus菌对黄铜矿表面的腐蚀程度可知,A.ferrooxidans菌对黄铜矿表面的腐蚀程度更强,表明浸出初期A.ferrooxidans菌对黄铜矿具有更高的浸出率。