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原子力显微镜在矿物加工领域发挥巨大作用

栏目:行业新闻 发布时间:2022-09-15

在浮选溶液化学中需经常测定范德华力、双电层静电斥力、表面张力、溶剂力、水化力及疏水力等。对于浮选界面化学而言,由于 AFM 的触头可越过液体介质对样品表面进行直接测量,因此,AFM 在测量表面作用力方面意义重大。目前,利用 AFM 研究矿物在空气中或液体中的表面性质以及样品表面间的范德华力、双电层静电斥力、水化力及疏水力等已取得了有意义的成果。

疏水表面之间的引力即所谓的疏水力,对于浮选中颗粒向气泡固着非常重要。Anh.V. Nguyen 等[18]利用 AFM 研究了在水中、乙醇水溶液中的疏水颗粒与疏水表面之间的引力 (见图 8)。可以看出,将乙醇添加到水中时,测出了强的长范围的引力,在引力曲线上,位于很大的间距处有台阶和不连续点存在,随着乙醇含量的增大,台阶变小。在纯乙醇中,强的长范围引力消失。结果表明,疏水引力是由于先前已存在的亚微观气泡的桥联引起的。疏水引力的特性与表面的粗糙度和不均匀性有关,表面上稳定的亚微观气泡在疏水吸引中起着重要作用。在气泡向颗粒固着时,表面粗糙可以促进表面周围液体膜的破裂,有利于浮选进行。疏水表面的不均匀性可作捕获气泡的质点,由于气泡的兼并和桥联,促使疏水表面之间相互吸附表面活性剂可用来控制溶液中颗粒的分散和凝聚,对浮选分离影响很大。为了研究表面活性剂对气泡与颗粒之间表面力的影响,石田尚之[19]等用 AFM 测定了十二胺氯化物 (DAH) 水溶液中球形硅石颗粒与气泡之间的作用力。结果表明,在 DAH 水溶液中,亲水硅石颗粒与气泡之间相互作用在远距离时,先是静电排斥力,接着变为吸引力。即使在低 DAH 浓度时,吸引力在远距离处也会起到作用,随着浓度的增大,引力作用范围越大。对于疏水硅石颗粒,随着 DAH 浓度的增大,硅石颗粒和气泡之间相互作用的排斥力变强,引力作用范围变小。Keqing Fa 等[20]用 AFM 测量了捕收剂与方解石和萤石表面之间的相互作用力。K. Chennakesavulu[21]等利用轻敲模式的 AFM 研究了油酸在萤石表面的吸附。将萤石晶体置于浓度为 10-7 ~ 10-3 mol/ L 的油酸中,分别得到不同浓度下的 AFM 图像。研究表明,甚至在油酸浓度很低时 (1×10-7 mol/ L),也能观察到单分子层和双分子层结构。双分子层能够在矿物表面完全被单分子层覆盖之前形成。当油酸浓度超过 1×10-4 mol/ L 后,能观察到油酸的多层吸附。

P. R.P. Paiva 等利用 AFM 研究了离子浓度对油酸钾在磷灰石表面吸附的影响。结果表明,溶液中Ca2+(1×10-4 mol/ L) 会导致碳酸钙/ 氢氧化钙沉淀形成。当 Ca2+ 浓度较高时,油酸通过生成油酸钙的形式吸附在矿物表面。这些沉淀使磷灰石表面变得更均匀和平滑,是影响磷灰石可浮性的关键因素。某研究者在 2×10-3mol/ L 的 KCl 溶液中利用 AFM 测量了黏附在触头上的 SiO2 球与氧化铝基片之间的作用力。结果表明,当 pH = 11.4 时,测量到很强的斥力,随着 pH 值的降低,斥力减弱;当 pH < 8 时,测量到引力,pH 值越低,引力越强。这种现象可用静电力和范德华引力来解释。范德华引力与 pH 值无关,但静电力与 pH 值有关。氧化铝的零电点 pH = 8,当 pH > 8 时,测量到斥力的原因是由于 2 种物质表面均带负电,受到相互排斥的静电力。当 pH < 8 时,测量到引力的原因是由于两种物质表面所带电荷相反。而 pH = 8 时,是范德华引力的作用。刘晓文等通过对矿物表面的 AFM 力 - 位移曲线的测定,比较了几种矿物在不同捕收剂溶液中的表面黏附力和润湿性。结果表明,一水硬铝石矿物经十二胺溶液和油酸溶液浸泡后,其平均黏附力比在蒸馏水中的平均黏附力小,其顺序为:蒸馏水 > 十二胺 (2×10-4 mol/ L) > 油酸钠 (2×10-4 mol/ L),亦即一水硬铝石矿物在 3 种溶液浸泡之后表面的接触角大小顺序为 θ 蒸馏水 < θ 十二胺 (2×10-4 mol/ L) < θ 油酸钠 (2×10-4 mol/ L),与接触角测试的结果一致。该研究为铝土矿浮选和黏土矿物改性提供了理论指导。

AFM 还被应用到油沙分选中。为了进一步研究油沙分离的影响因素,刘建军等[25]以水基试剂分离工艺为基础,利用 AFM 对沥青与沙,沥青与沥青,沥青与黏土之间的相互作用力进行了测量。考察了 Ca2+ 和溶液 pH 值对各成分间相互作用力的影响,得出 pH 值的升高能减弱沥青与沙,沥青与沥青和沥青与黏土之间的相互作用力,而 Ca2+ 的增加则能提高各成分之间的相互作用力。因此,可通过控制如溶液 pH 值、二价离子浓度等因素来调整胶粒之间的相互作用力,从而达到提高沥青回收率的目的。该研究为油砂分选的工业化操作提供了借鉴。此外,他们还利用 AFM 研究了油砂分选中伊利石与伊利石表面的作用力等。(1) 在矿物加工领域中,AFM 主要用于观察矿物表面结构和微形貌以及测定矿物表面间作用力等。与现有其他显微工具 (SEM、TEM、STM 等) 相比,AFM 拥有足够的空间分辨率来提供诸如原子台阶、晶格缺陷位置、空位、位错以及微裂隙的精细结构图像,制样简单,操作易行,不受环境的限制,能在真空、空气、水及液体的环境下观察。

根据 AFM 的特点和应用情况,认为原子力显微镜将在矿物加工领域有可能发挥更进一步的作用。如利用具有原子级分辨率的特点,对矿物超微形貌进行研究,有可能在从未有过的微观水平上解释矿物表面鲜为人知的现象;对矿物表面动态反应过程,矿物与药剂之间以及矿物之间的作用变化规律的研究,将有可能揭示矿物间相互罩盖等选矿机理。(3) 与国外相比,目前 AFM 在国内矿物加工领域中的应用还不太广泛。随着 AFM 技术的改进和完善,AFM 在矿物加工领域中将具有广阔的应用前景,它将成为未来矿物加工研究的有力工具,在浮选界面化学、浮选电化学、凝聚与分散等研究中得到广泛应用,为研究矿物结构,理解矿物与溶液之间以及矿物之间的作用过程,探讨矿物作用机理提供新的途径。