气泡-颗粒间相互作用行为在矿物浮选中的应用研究进展.pdf

:18doi:10.3969/j.issn.1671-9492.2024.01.003气泡-颗粒间相互作用行为在矿物浮选中的应用研究进展有色金属（选矿部分）2024年第1期杨舒钧1，刘清侠，任嗣利1（1.江西理工大学江西省矿业工程重点实验室，江西赣州3410 0 0；2.深圳技术大学聚龙学院，广东深圳518 118)摘要：气泡-颗粒间相互作用行为是浮选过程中的重要环节，气泡-颗粒相互作用受到多种因素影响，例如气泡尺寸、接近速度、表面活性剂类型、矿物润湿性、润湿膜的稳定性和诱导时间等。本文综述了浮选中气泡-颗粒间三种典型的相互作用力及现代测量技术与应用，介绍了几种传统的和新型的测力技术及作用行为可视化手段，及其在矿物浮选中的应用。气泡与颗粒间的相互作用力主要包括范德华力、静电力和疏水力，这些力决定着矿物颗粒能否顺利黏附于气泡表面。亲水颗粒与气泡相互作用由经典的DLVO理论描述，疏水颗粒与气泡相互作用由扩展的DLVO理论解释。原子力显微镜（AFM)、表面力仪（SFA)和诱导时间仪已被广泛用于测量相互作用力的大小及诱导时间，为气泡与颗粒的黏附提供重要数据信息。集成薄膜排水装置（ITFDA)可看作诱导时间仪与AFM的结合体，动态相互作用力仪(DIFA)由诱导时间仪与改进的表面力仪组合形成。如今，集成薄膜力仪（ITLFFA)能在液体中测量气泡和颗粒之间的动态相互作用力、变形及时空薄膜厚度，实现在较高接近速度下模拟动态排水过程，这种表征更符合实际的浮选过程。气泡-颗粒的相互作用行为的研究从过去的静态已逐渐转变为更符合实际的动态研究，在复杂液体环境中测试气泡与颗粒相互作用是未来发展的必然趋势，这为矿物浮选提供理论支撑。关键词：相互作用力；表面力仪；原子力显微镜；诱导时间仪；集成薄膜力仪中图分类号：TD923文献标志码：A文章编号：16 7 1-9492(2 0 2 4)0 1-0 0 18-10Research Progress on the Application of Bubble-Particle Interaction in Mineral FlotationYANG Shujun，LI U Q in g x ia，R E N Silil(1.Jiangxi Key Laboratory of Mining Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,Jiangxi,China;2.Julong College,Shenzhen Technology University,Shenzhen 518118,Guangdong,China)Abstract:The interaction behavior between bubbles and particles is a crucial aspect of the flotationprocess,which can be influenced by various factors including bubble size,approach velocity,surfactanttype,mineral wettability,stability of the wetting film,and induction time.A review on three typicalforces involved in bubble-particle interactions during flotation as well as modern measurement techniquesand applications has been provided.Additionally,several traditional and novel force measurementtechniques and visualization methods are introduced to study the interaction behavior along with theirapplications in mineral flotation.The interaction forces between bubbles and particles include van der Waalsforce,electrostatic force,and hydrophobic force,which determine whether mineral particles can adheresmoothly to the surface of bubbles.Hydrophilic particles interacting with bubbles are described by theclassical DLVO theory and hydrophobic particles interacting with bubbles are explained by the extendedDLVO theory.Atomic Force Microscopy(AFM),Surface Force Apparatus(SFA),and Induction TimeApparatus have been widely employed for measuring the magnitude of interaction forces as well as induction收稿日期：2 0 2 2-10-0 9基金项目：国家自然科学基金资助项目（2 2 0 7 8 138，52 17 42 55）；江西省自然科学基金资助项目（2 0 2 0 2 ACBL203009）作者简介：杨舒钧（1998 一），女，重庆人，博士研究生，主要从事矿物浮选中气泡-颗粒间相互作用研究。通信作者：任嗣利（197 4一），男，山东淄博人，博士，教授，主要从事选矿、浮选理论、纳米材料研究。2024年第1期time;these measurements provide essential data for understanding bubble-particle adhesionphenomena.Integrated Thin Film Drainage Apparatus(ITFDA)combines an Induction Time Apparatuswith AFM capabilities whereas Dynamic Interaction Force Apparatus(DIFA)integrates an Induction TimeApparatus with a modified SFA.Nowadays,Integrated Thin Liquid Film Force Apparatus(ITLFFA)enables dynamic measurement of interaction forces between bubbles and particles along with deformationanalysis and film thickness determination within liquid media,this apparatus allows simulation of dynamicdrainage processes at higher approach velocities that more closely resemble actual flotation conditions.Thestudy of bubble-particle interaction has gradually shifted from static research in the past to dynamic studiesin complex liquid environments,reflecting an inevitable trend for future development and providingtheoretical support for mineral flotation.Key words:interaction forces;surface force apparatus;atomic force microscopy;induction timeapparatus;integrated thin liquid film force apparatus气泡与颗粒之间的相互作用行为在很多工业应用过程中发挥着十分重要的作用，例如矿物浮选、废纸脱墨、污水处理和油砂分离等 1I,其中在矿物浮选中表现为直接影响矿物浮选效率。泡沫浮选是利用矿物颗粒的亲疏水性选择性地与气泡附着，从而分离矿石矿物和脉石矿物。气泡-颗粒相互作用受矿物颗粒性质（润湿性、大小、粗糙度等）和水相条件（流体动力、表面活性剂等)影响 2-3。由于气泡-颗粒相互作用行为在浮选工艺中起决定性作用，因此全面了解气泡-颗粒间相互作用行为，认识影响机制，有助于改进浮选工艺、提高浮选效率、增加矿产回收价值并创造更大的经济效益。气泡-颗粒间相互作用主要体现在力、界面变形和液膜排液几个方面，本文从三种典型作用力和测量技术手段出发，综述气泡-颗粒间的相互作用行为。1气泡-颗粒间的作用力气泡与亲水颗粒间的相互作用可用经典DLVO理论解释，考虑了范德华力（Fv)和静电力（Fe)：FDLVo=Fv+FE(1)气泡和颗粒间的范德华力一般为吸引力，而静电力由于气泡和矿物颗粒表面一般均为电负性而表现为斥力，范德华吸引力通常远弱于双电层斥力，因此气泡和亲水固体颗粒之间的液膜稳定而不发生黏附行为。但气泡与疏水颗粒易黏附，说明气泡-颗粒间存在DLVO理论以外的作用力一疏水力（F）。因此疏水性表面之间的作用行为可用扩展的DLVO理论进行解释：FEDLVo=Fv+Fe+FH1.1范德华力范德华力以荷兰物理学家JohannesDiderikvan杨舒钧钩等：气泡-颗粒间相互作用行为在矿物浮选中的应用研究进展径为R1、R 2 的球体作用，见图1。R2D气泡颗粒图1气泡与颗粒间的作用示意图Fig.1 Air bubble and particle interaction diagram当二者距离远小于半径时，用公式（3)计算Fv：A(R:R2Fv=6D2(R+R2)式中,A是Hamaker 常数,J;D是两球体间分离距离，m;RiR2分别为两球体半径，m。当Fv0为排斥。两个球体（气泡、颗粒）在介质中相互作用的非迟滞Hamaker常数表达式为：19der Waals名字命名，是一种很弱的分子间作用力，不仅比化学键弱很多，也没有氢键强。它是由邻近粒子的波动极化引起的 5。虽然范德华力是化学力中最弱的，但因为它无饱和性，故当大量叠加时可以支撑整体结构荷载。范德华力是短程力，包括原子、分子以及表面间的排斥和吸引，既是存在于分子和原子间的微观作用力，又是存在于气泡与颗粒等宏观物体间的作用力。在浮选中范德华力常见的形式为两个球体之间、球体与平面之间的相互作用，在范德华力的计算中，不同系统对应不同的Hamaker常数（吸引力强度）。关于颗粒和气泡间的相互作用，认为是两个半R(3)R,R,D20A=元Cp1p2式中，C是范德华分子对作用势系数，p1、p 2 为两个物体单位体积内分子数。为了获得不同体系的Hamaker 常数，包括两种介质在第三种介质中的体系，基于Lifshitz理论计算非迟滞Hamaker常数的近似表达式为：Al=A。+A v o k T(=)(e1+3)(e2+33hve(ni 一n)(n 一n)&2(n+)(n+)(n+)+(n+)(5)式中，A,=o是范德华相互作用的零频率能量，J；Ao是色散能，包括伦敦能的贡献，J;k为玻尔兹曼常量；T为热力学温度，K；h 为普朗克常量；v为电子紫外吸收频率，Hz;1ve2和3是三种介质的静态介电常数;ni、n 2 和n3是三种介质的折射率。对于两个相同的相在介质3中相互作用的对称情况，上述表达式可简化为：A=KT(13)4(e1+3上述关于A的表达式适用于两个原子或小分子两个大分子、一个分子和一个平面、两个平面以及两个圆柱体等几何构型的体系，Hamaker常数在同一体系中保持不变。这些表达式指出在介质中相同物体间，A始终为正，Fv0，范德华力为吸引；不同物体间A可正、可负，范德华力表现为吸引或排斥。因此在无其他力作用情况下，两气泡（相同物体)在液体(介质)中液膜趋向变薄，因为两个气泡表面间呈现吸引的范德华力，而气泡与颗粒在液体中表现为吸引或排斥。1.2静电力在矿物浮选过程中，溶液中的气泡载体和矿物颗粒都是带电表面（所带电荷为定位离子），由于静电相互作用，表面电荷会在周围吸引等量相反电荷（反离子）。定位离子和反离子构成了双电层，18 7 9年Helmholtz提出了平行板双电层模型，19 10 年Gouy和Chaoman提出扩散双电层模型，后来经过Stern简化处理得到 Gouy-Chapman-Stern(GCS)模型理论门。当气泡和矿物颗粒在溶液中靠近时，周围离子和电位分布变得不对称，双电层重叠产生静电双电层力。静电双电层作用势能计算形式并不单一，可以由势能的泊松-玻尔兹曼方程和动量守恒方程求解。最先考虑两个带电的无限平行板之间单位面积静电相互作用力，进一步推导出两个球体之间的静有色金属（选矿部分）（4)电相互作用能 8 。同范德华力计算相似，将颗粒和气泡视为半径R,和Rz的两个球体。利用Derjaguin近似获得球体间静电相互作用能为：4元R,R2Vsp(H):Ri+R2式中,Ri和R2分别为颗粒和气泡的半径，m；r为介质（溶液)的介电常数；o为介质在真空中的介(E2-E343hve(ni-n)?16/2(ni+ng）号2024年第1期(7)电常数；i和z分别为颗粒和气泡相距为H时的有效表面电势（可用颗粒和气泡的表面电位代替）,V;e为基本电荷（e=1.610-19C）；k 为德拜长度的倒数；H为气泡和颗粒间的分离距离 ，m。德拜长度的表达式为：ereok:T2k-1=e?NAZici式中，kB是玻尔兹曼常量；T是热力学温度,K；zi是化学价;NA是阿伏伽德罗常数；C是溶液的物质的量浓度，mol/L；德拜长度是扩散双电层的有效厚度（气泡-颗粒静电相互作用的衰减长度），m。(6)1.3疏水力在浮选中，疏水颗粒与气泡间的相互作用行为不能用经典 DLVO理论解释，它们之间存在一种更强的吸引力促使颗粒-气泡黏附，这种力被称为“疏水力”,可用来解释气泡与疏水表面间力曲线的“跳跃”行为。疏水力为长程作用力，但是疏水力本身也分为短程和长程，其作用范围大于范德华力，作用强度也远高于范德华力，并且随着颗粒表面接触角的增大而增大 10 。疏水力的强弱很大程度决定着矿物颗粒能否被气泡捕获上升。长程和短程疏水力的来源机制不同 11，疏水力的形成机制尚未准确定义。DERJAGUIN等 12 认为是疏水表面相互靠近时水分子重组导致，YUSHCHENKO等 13 认为是疏水表面附近的空化引起的毛细力，而RABINOVICH等 14 认为与液固界面的流体动力学相关等。由于疏水力的发现，经典DLVO理论被修正为扩展的E-DLVO理论（式2），因此气泡颗粒之间的相互作用力为范德华力Fv、静电力FE与疏水力FH的总和。疏水相互作用计算没有固定公式和模型，研究人员通过对试验数据数值模拟后总结出经验公式，目前主要有三种函数模型可以拟合疏水力-距离曲线 15。1)单指数函数模型F=C exp/-D.)一HR式中肯Fh是标化的疏水作用力，N/m;R是表面（8)(9)2024年第1期曲率半径,m；C。、D。是常数；D。是衰减长度，m;H是颗粒间距,m。2)双指数函数模型R式中,各项参数参考单指数函数模型,其中Ci、Di，C、D 和Co、D。含义相同。3)幂函数模型Fh=-KR6H2该模型与非迟滞范德华力形式相同，K为拟合参数。疏水常数K远大于Hamarker常数，说明疏水吸引力远强于范德华力，在气泡颗粒黏附中占据主导地位。2气泡-颗粒间相互作用的现代测量技术测量气泡与颗粒间相互作用的微纳力学技术及可视化手段有很多，包括表面力仪（SFA）、原子力显微镜（AFM）、诱导时间仪、集成薄膜力仪（I T LFFA）、磁镊、光镊、SEM原位纳米力学法等。下面介绍几种常见的（SFA、A FM、诱导时间仪）和新型的（ITFDA、D I FA、集成薄膜力仪）测量技术手段，为表面力、界面变形及薄膜排液等研究提供参考。2.1原子力显微镜原子力显微镜（AFM）是纳米级别的高分辨率扫描探针显微镜，能在气、液相甚至真空中工作。AFM测量原理如图2 所示，主要有三种功能：力的测量、形貌成像以及在微纳尺度下对材料进行操作。BINNIG等 16-18 在198 6 年发明了AFM，并首次用AFM应用在原子尺度上研究绝缘体表面。原子力显微镜有三种成像模式：接触（静态)模式、非接触模式及轻敲（动态)模式。在接触模式下，探针滑动接触光感应器探针图2 AFM测量原理示意图Fig.2AFM measurement principle schematic杨舒钩等：气泡-颗粒间相互作用行为在矿物浮选中的应用研究进展H激光二极管光路悬臂21样品表面，根据反馈信号测得样品表面轮廓；在非接触模式下，悬臂尖端不接触样品表面，样品和针尖不会损坏，适用于测量有机薄膜等柔性物质或表层吸附液体的样品 19；在轻敲模式下，悬臂上下振动避免(10)了针尖黏到样品表面。AFM具有精确度高、操作灵活和工作环境丰富的优势，目前已广泛用于物理化学、细胞生物学和医学等各大领域 2 0-2 17。DUCKER等 2 2 1在显微镜下将3.5m二氧化(11)硅小球黏在AFM悬臂梁顶端，在氯化钠溶液中测量得到颗粒与表面之间的作用力，并提出其他颗粒和纤维材料也可以黏附到探针上进行表面间力的测量。胶体探针技术的出现实现了研究矿物颗粒与基底之间的相互作用行为 10，随后应用到颗粒与气泡间的相互作用 2 3,颗粒被胶黏在悬臂尖端，悬臂与下方可变形气泡构成两个串联的弹簧 2 4。早期研究侧重于表面活性剂的类型和种类对水溶液中气泡颗粒间力的影响 2 5，我们在这方面也做了相关研究，发现不同类型(阴离子、阳离子)表面活性剂吸附在气泡表面影响其表面的荷电特征，从而产生不同性质的静电力 2 6 。此外，气泡和颗粒大小、亲疏水性质及离子强度等都会对力有很大影响。气泡尺寸越小、颗粒粒径越小、颗粒疏水性越强，颗粒与气泡间黏附概率就越大，越容易形成三相接触线（固体颗粒表面、后退液相、前进气相)2 7 。用AFM研究了气泡与沥青包覆的二氧化硅球在不同pH(3.5、5.7、10)K C 1溶液中的相互作用行为 2 8 ，气泡与沥青表面靠近时的长程作用力曲线显示，在液膜破裂导致的跃人之前，存在排斥作用。随着pH值降低，这种排斥作用逐渐减小，这归因于沥青-水界面处天然表面活性剂电离作用的减弱，表明这种相互作用是由静电（双电层重叠）所引起。随着pH增大，疏水衰减长度逐渐减小，说明沥青-水和空气-水界面在较高pH值下表面疏水性降低，这是由于沥青中天然表面活性物质随着pH升高电离增强所致。利用White开发的模型对力曲线进行了分析，以解释液膜破裂前气泡变形和形状的变化，理论和试验数据之间取得了令人满意的一致性，表明用于描述相互作用力模型的适用性。进一步应用该模型预测了影响气泡-颗粒间作用的因素，发现疏水衰减长度、介质离子强度以及气泡与颗粒的粒径大小和表面电位是影响作用力的最重要的影响因素。邢样品耀文等 2 9 用AFM和动态润湿膜分析仪（DWFA)进行排液试验，分别用微米级和毫米级气泡对同一疏水基板相互作用，研究发现大气泡作用下液膜临界22破裂厚度更大，引力作用距离更长，说明气泡尺寸会影响疏水力。同时，纳米气泡的加入能在矿物表面形成疏水层产生长程疏水力，已作为常规浮选的辅助手段应用于工业生产中，这能提高超细粒的浮选效率和品位 30 。气泡接近速度也是重要参数，它能影响水动力，在一定速度下水动力和表面力共同影响气泡-颗粒间相互作用。XIE等 31I改进胶体探针技术，利用AFM气泡探针技术研究气泡与闪锌矿的相互作用，在50 0 mM NaCl溶液中以1 m/s 的接近速度靠近，高盐浓度和低接近速度可以忽略静电力和水动力的影响，因此颗粒附着的吸引力主要来自疏水力。而当接近速度提高到10 m/s时，液膜薄化受水动力和表面力的共同作用，接近过程中没有发生跳入现象，在悬臂回缩后出现气泡-闪锌矿黏附。接近速度达到30 m/s后接近-缩回周期中没有观察到黏附现象，液膜即使在最小膜厚也未能破裂，说明在较高的气泡接近速度下，水动力比疏水力作用更强。XIE等 32 1用AFM气泡探针技术测量气泡与沥青涂覆固体表面相互作用，发现在Na+、C a+高盐浓度下沥青表面变得粗糙且疏水吸引力增强，促进了沥青-气泡间的黏附。高盐浓度下双电层斥力受到显著抑制，疏水引力起关键作用，但由于沥青在高pH条件下亲水性增强,所以疏水引力随着pH增大而减弱。尽管AFM已广泛用于试验测量，揭示了气泡与矿物间的作用机制，但能否应用在实际浮选中还存在争议。因为AFM测量尺度大多以纳米尺度表示，与实际浮选中的毫米级别尺寸存在一定差距 332.2表面力仪表面力仪SFA(SurfaceForcesApparatus)是通过压电定位元件和多光束干涉仪（MBI）测量两个表面靠近和远离时的相互作用力并实时检测两个表面的距离，SFA在2 0 世纪6 0 年代由 David Tabor和R.H.S.Winterton发明 34，直到2 0 世纪7 0 年代，经过J.N.Israelachvili调整可用于溶液中工作 35-36 。使用SFA测量两个表面相互作用力时，其中一个表面固定在刚性支架上，另一个表面固定在轻悬臂弹簧上，利用弹簧的偏转计算施加的力。考虑到表面力仪的光学限制等特性，在大多数直接测力时都采用云母表面进行，因为云母表面光滑并具有光学透明性质。SFA同原子力显微镜测量胶体探针与表面之间相互作用力类似,但 SFA准确测量的距离更远，并适用于高黏度作用，因此更适合表面与表面间相互有色金属（选矿部分）作用的测量。表面力仪经常用于测量表面之间的物理力，例如范德华力、静电力、水合力等 37 。TABOR等 34 借助等色条纹（FECO)的多光束干涉测量法(MBI)实时测量表面分离和变形等。根据胡克定律，利用弹簧形变直接测量两个圆柱状云母曲面之间的范德华力，将圆柱轴互成9 0 度“交叉圆柱体”等效为半径R的球体与平面之间的相互作用。对530 nm分离距离使用不同刚度悬臂梁，指出普通范德华力的作用范围小于10 nm，大于2 0 nm时为迟滞范德华力。如图3a所示，表面力仪最早只能用于测量两个光滑云母之间的相互作用36.38 ，经过学者不断改进后，表面力仪有了更广泛的适用情形。(a)FECO光谱摄像机镜子衍射光栅棱镜光路过硅磁盘常态弹簧双压电晶片、驱动器(b)白光口分束器银一云母一水封闭式毛细管Fig,3 SFA measurement principle schematic37-381COONOR391改进表面力仪用于研究气泡与平面的相互作用，如图3b所示，原本下层云母片改装为封闭式毛细管以固定气泡，毛细管上方的镀银云母表面连接微分弹簧装置，通过移动上层固体表面2024年第1期凹面镜光谱仪狭缝观察端口目镜棱镜显微镜物镜接收机mm镜子银与气-液界面干涉后反射的光从光谱仪中观察离散波长(FECO)气泡用干涉条纹计算表面分离和下降轮廓h()图3SFA原理示意图 37-38 光源2024年第1期改变与气泡间的距离，测量气泡形变及水膜厚度，但不能直接测量相互作用力（排液法）。PUSHKAROVA等 40 使用COONOR39和BRISCOE等41 改进的SFA，通过求解液膜排液动力学方程实现研究气泡和固体表面之间的相互作用力，测定了纯水和1mMKCI溶液中气泡与云母之间的作用力，发现同为负电性的气泡和云母存在一个吸引力，排除疏水引力后认为这是双电层吸引。气泡和云母表面电位符号一致但大小不同，它们相互接近时，低电势表面(气泡)为了恒定表面电势稳定被强制施加反离子而改变了表面电性，气泡表面经过电荷调节由负变正，导致在较小分离距离时双电层力变为吸引。用SFA研究气泡与颗粒作用时，气泡变形会导致难以精准测量相互作用力。目前，表面力仪随着表面技术的发展在不断改进，已被科学家组合开发出各种新的设备。2.3诱导时间仪诱导时间最早由SVEN-NILSSONL42在1934年提出,并用三维操作平台驱动毛细管末端的气泡靠近和远离矿物表面测量诱导时间。诱导时间是指气泡和颗粒相互靠近时，空气-水和固-水界面间的润湿薄膜逐渐变薄到临界薄膜厚度，直至破裂并形成稳定气泡颗粒聚集体的最短时间。诱导时间是系统化学和流体动力学的函数，所以能提供动力学信息的诱导时间，被认为是比纯热力学量化的接触角更好的黏附效率评估参数 43。在给定的水动力条件下，诱导时间越短，浮选回收率越高 4-45。YOON等 43 以1X10-5mol/L十二烷基氯化铵(DAH)作为捕收剂研究对石英颗粒浮选的影响，结果显示，诱导时间起初随着pH值增大而逐渐减少，说明润湿膜向着不稳定的趋势发展，在pH=10.5时诱导时间达到最小值，这归因于矿物表面的铵离子吸附密度随着pH值增大而增大，但随后pH值增大导致诱导时间也急剧增长，这是由于捕收剂离子以中性胺的形式析出。在pH=10.5时诱导时间最小，同时对应浮选回收率最大，这也说明诱导时间是评估浮选效率的一个有效参数。矿物颗粒的润湿性决定了浮选能力，一般通过测定接触角判断润湿性。矿物润湿性的研究热点过去主要集中在化学性质部分，如矿物组成和官能团。CHEN等 46 从物理性质出发，测量了气泡与不同粗糙度的煤块表面接触角，发现煤的接触角随着表面粗糙度的增加而减小，诱导时间也随着表面粗糙度的增加而剧增，说明煤的粗糙度达到一定程度后则杨舒钩等：气泡-颗粒间相互作用行为在矿物浮选中的应用研究进展2.4集成薄膜力仪(ITLFFA)集成薄膜力仪能在液体中测量气泡和固体之间的动态相互作用力、变形及时空薄膜厚度。ITLFFA的双晶片测力机制与集成薄膜排水装置（ITFDA)相同 48 ，高速摄像机拍下的时空干涉条纹通过代码分析可获得薄膜厚度和轮廓。过去，人们用干涉法测量薄膜厚度，但无法确定气泡-颗粒间相互作用力，如今集成薄膜力仪器可以实现力与薄膜同步测量。ITLFFA测量气泡的接近速度可控制在2 m/s50mm/s，因此，可在较高接近速度下模拟动态排水过程。与只适用低雷诺数流体动力学条件下的AFM和SFA相比，ITLFFA可在广泛的流体动力学边界条件下进行系统研究。研究者在这方面也做了相关研究工作 50，验证了接近速度和固体表面润湿性对相互作用力和薄膜排水具有重要影响，对理论模型计算中选取参数具有重要作用。通过研究1.2 mm气泡以不同速度接近亲水石英表面，发现液膜轮廓均形成凹陷，这是由于流体动压大于气泡内部压力使气泡表面局部内陷造成。1 mm/s接近速度下的液膜轮廓凹陷明显，0.01 mm/s接近速度时液膜轮廓凹陷较小，但二者最终均趋于平坦。二者平衡膜厚相同说明与接近速度无关，但初次形成凹陷的膜厚受接近速度影响。23不能与气泡黏附，原因可能是部分水被截留在煤表面间隙使其变得更亲水而不能与气泡附着。但粗糙度与矿物接触角并无绝对相关性,KOH等 47 研究颗粒形状和粗糙度对浮选影响时发现，同尺寸磨碎玻璃颗粒比球形玻璃颗粒疏水性更强，粗糙颗粒浮选率更高，这是因为粗糙表面水膜变薄和破裂速度更快。颗粒疏水性越强则与气泡的疏水吸引力越大，诱导时间会相应减少，但超过临界疏水程度会导致泡沫失稳和颗粒聚集，从而降低浮选效率 46 。诱导时间的缺点是只能揭示气泡-颗粒的相互作用差异，但不能描述和解释造成差异的原因 32 。科学家在诱导时间仪的基础上，开发新的设备用于测量气泡与颗粒间相互作用的定量信息。WANG等 48 I研发出一种集成薄膜排水装置（ITFDA),可用于揭示固定颗粒与气泡间相互作用。ITFDA可看作诱导时间仪与AFM的结合体，能在流体动力学条件下测量相互作用力、薄膜排水时间、动力学阻力以及其他物理参数。ZHANG等 49 设计出一种动态相互作用力仪（DIFA)研究气泡-颗粒分离过程，DIFA由诱导时间仪与改进的表面力仪组合开发，能直接测量脱离过程的力并观察动态界面行为。24对比疏水石英表面测试，发现表面疏水性对凹陷的程度和气泡变形影响显著。集成薄膜力仪能在流体动力学条件下表征气泡与颗粒间的宏观作用力及界面变形，更符合实际浮选过程。3气泡-颗粒作用行为在矿物浮选中的应用气泡-颗粒间的相互作用行为在矿物浮选中获得了重要的应用，为提高矿物浮选效率提供了重要的理论依据。如前文所述，大部分的研究都致力于气泡-颗粒间相互作用行为中各种参数如何影响浮选过程，具体体现在气泡-颗粒间的相互作用力大小、气泡与颗粒的性质（粒径、接触角）、水相条件（表面活性剂、金属离子、pH)、气泡与颗粒间液膜排水时间等。同时，与实际浮选过程相结合，还需考虑到流体动力学等因素的影响。有关相互作用行为影响浮选效率的机理解释如下：浮选效率（E)是气泡捕获或收集颗粒的效率，决定浮选回收率的高低。浮选过程的核心是上升的气泡捕获下降的矿物颗粒。颗粒-气泡相互作用分为碰撞、黏附和分离三个过程。在流体动力学条件下，浮选柱中上升气泡与下降颗粒有一定机率相遇发生碰撞，颗粒沿着气泡表面向下滑动，部分颗粒滑动一段时间后颗粒-气泡间水膜破裂而黏附于气泡上形成稳定的聚集体。黏附的颗粒气泡聚集体受到重力影响或流体扰动也可能发生分离。浮选效率是流体动力作用下的碰撞过程、界面力作用下的黏附过程和气泡-颗粒聚集体的稳定过程，三个独立过程决定浮选效率 3。浮选效率可定义为：E=E.E.E,式中，E。是颗粒与气泡发生碰撞的概率，%；E。是颗粒与气泡发生黏附的概率，%；E，为颗粒与气泡形成稳定聚集体且不发生分离的概率，%。矿物在浮选前要加工碾磨分离脉石矿物，但细颗粒和粗颗粒的回收率往往很低 51-52 。浮选中有颗粒粒度范围对应最优浮选效率区间，超过这个范围浮选效率显著降低，这可以用YOON等 53 推导的碰撞概率方程解释：F-%+1()上式是气泡雷诺数的函数（适用于中间雷诺数范围），R。是雷诺数；Dp是颗粒的半径，m；D，是气泡的半径，m。因此，细颗粒粒度太小，与气泡碰撞概率较低，所以导致浮选回收率下降。RALSTONL27推导出比较通用的计算黏附概率有色金属（选矿部分）方程可以解释粗颗粒回收率低的问题。E。=2Vp+V)+(V,+V.sin2arctanexp其中，12D.PF=DP-PR式中，V和V.分别为颗粒和气泡的速度，t为诱导时间，Pf、Pp 分别表示流体密度和粒子密度。上式表明E。随着D，的增加而降低，说明粗颗粒更难附着到气泡上 541。气泡与颗粒的相互作用行为涉及到浮选中碰撞、黏附和稳定性三个过程，因此可以通过相互作用行为的各个参数来考虑对浮选的影响。1)微量的表面活性剂足以固定气液界面 55，在气泡-颗粒碰撞过程中，由于表面活性剂或杂质的吸附,通常认为气泡表面是固定的，当颗粒直径和密度较大时，在固定表面条件下气泡的碰撞效率比移动表面条件下更大；而一般情况下移动表面的气泡能增加颗粒与气泡间水化膜的临界破裂厚度，并能增强气泡-颗粒的碰撞 56 2)气泡-颗粒黏附的研究一般聚焦在宏观尺度下的诱导时间，只有颗粒在气泡表面的“滑移时间”大于“诱导时间”时，才会形成气泡-颗粒聚集体。浮选中表面力和流体力协同控制着气泡与颗粒的黏附过程，如果二者能发生黏附，则颗粒必须克服范德华作用、静电双电层作用及流体阻力等。液膜薄化破(12)裂和气液界面变形都需要通过力的作用定量分析，因此各种直接测力手段和理论模型的建立显得尤为重要。随着学者的研究不断深人以及技术的发展改进，量化的手段从诱导时间仪、AFM、SFA 到集成薄膜力仪等不断演变，实现了在复杂流体中研究气泡颗粒相互作用行为，对提高浮选效率具有重要意义。3)颗粒与气泡的脱附可通过直接测力和直接观察进行研究，测力手段的量化和高速摄像的可视化足以表征气泡-颗粒的相互作用。一般认为作用在(13)颗粒的脱附力超过黏附力，则导致颗粒从气泡表面分离。同黏附过程相同，高速相机能直观展示颗粒的动态接触角变化及气液变形，可以考虑颗粒性质和水相条件对相互作用的影响。目前各种研究结果都表明颗粒大小、形状、粗糙度、接触角、气泡大小、运动速度、溶液电解质浓度、2024年第1期DD.+DD,+Dpt28(1+)(14)1(15)2024年第1期表面活性剂类型以及流体雷诺数等，均对气泡-颗粒界面变化、相互作用力产生重要影响。气泡-颗粒的相互作用行为的研究从过去的静态已逐渐转变为更符合实际的动态研究，碰撞-黏附-脱附过程可通过力的测量定量表征，也可通过可视化手段直接观测，结合已开发并修正的理论模型可实现对浮选效率的预测。4结论气泡-颗粒相互作用行为的研究可为浮选技术提供重要的理论指导，对其他涉及气泡与固体之间相互作用的技术过程（废水处理、沥青质提取）也具有重要意义。1)综述了气泡-颗粒间作用力的性质及现代测量技术与可视化手段，传统仪器已实现对气泡-颗粒相互作用力的精确测量和浮选效率评估，但不能实时表征气泡动态形变和液膜薄化过程，实验室测量技术仍停留在理想液体环境中，与实际矿物浮选时复杂流场不能高度吻合。2)新开发的集成薄膜力仪可以解决以上问题，未来研究方向可以将技术手段与理论计算结合、将现有技术手段交叉联合，实现在复杂液体环境（端流、高温、高压)中测量气泡-颗粒间的相互作用行为，为矿物浮选等工业工程提供理论指导。致谢：这项工作得到了国家自然科学基金资助项目（2 2 0 7 8 138，52 17 42 55）；江西省自然科学基金资助项目（2 0 2 0 2 ACBL203009）的支持，特表示感谢！1XIE L,SHI C,CUI X,et al.Probing the interactionmechanism between air bubbles and bitumen surfaces inaqueous media using bubble probe atomic forcemicroscopyJJ.Langmuir,2018,34(3):729-738.2CUI X,SHI C,ZHANG S,et al.Probing the effect ofsalinity and pH on surface interactions between airbubbles and hydrophobic solids:implications forcolloidal assembly at air/water interfaces JJ.Chemistry-An Asian Journal,2017,12(13):1568-1577.3MANICA R,LIU B,LI M,et al.Hydrodynamiccollisions involving bubbles and mineral particlesJ.Canadian Journal of Chemical Engineering,2022,100:3270-3287.4ISRAELACHVILI J N.Intermolecular and surfaceforces M.3rd ed.USA:Academic Press,20ll:107-497.5ABRIKOSOV A A,GORKOV L P,DZYALOSHINSKI杨舒钩等：气泡-颗粒间相互作用行为在矿物浮选中的应用研究进展京：化学工业出版社，2 0 16：2 0 9-2 14.LIU Hongguo,SUN Dejun,