原子力顯微鏡(AFM)在礦物浮選中的應用研究

于淙權，徐 超，高騰躍，秦廣林，陳艷波，蔡明明

（山東黃金礦業科技有限公司選冶實驗室分公司，山東 煙臺 261441）

在礦物加工學科中，浮選是最基本的分選礦物的方法，而要研究浮選機理就需要了解礦物顆粒在礦漿中的浮選行為。傳統的浮選界面表征技術如zeta電位、動態接觸角測量、紫外光譜、紅外光譜等方法較為成熟，較多地應用在礦物浮選中。

但這些測試方法大都是對礦物與藥劑作用前后表面結構和成分進行研究，得到的是非實時或非原位的實驗結果，而浮選過程中浮選藥劑與礦物表面的作用是一個動態的過程，這些測試手段不能反映藥劑與礦物表面間實時的作用過程。本文著重介紹了原子力顯微鏡AFM(Atomic Force Microscopy)，該方法可以實時探測浮選化學藥劑的吸附，有助于深入了解礦物浮選過程機理。

1 AFM的工作原理

AFM是一種新的實驗技術，它通過進行檢測原子和分子結構之間的相互作用力來觀察分析樣品的表面形貌。AFM的基本原理是：弱力敏感微懸臂梁的一端是固定的，另一端有一個小尖。

尖端略微接觸不同樣品材料表面，由于我國尖端的原子與樣品表面的原子結構之間的排斥力作用非常弱，因此可以通過內部控制系統掃描工作過程中的恒定力帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面發展方向起伏運動。光學地或通過檢測隧道電流檢測方法可以測量在對應于掃描點微懸臂梁的位置的變化，從而獲得樣品表面形貌的信息[1]。

AFM具有實時、原位及納米級的分析精度，因而在材料科學、聚合物科學、電化學以及生命科學等領域應用廣泛。在礦物浮選中，AFM已被用來研究藥劑在目的礦物上的吸附過程。

2 浮選藥劑與礦物作用的研究

AFM是唯一一種能提供納米級橫向分辨率的浮選藥劑原位吸附信息的技術。

浮選藥劑在固液界面上的構象和表面覆蓋度可以從這些實驗中確定，對理解泡沫浮選機理和提高浮選效率具有重要意義。

目前在礦物浮選領域，國內關于AFM的應用研究較少，國外利用AFM研究浮選藥劑在礦物表面的吸附機理方面已有相關文獻的報道。

2.1 捕收劑與礦物的作用研究

Zhang[2]使用AFM研究了乙基鉀黃藥在黃銅礦和輝鉬礦上的吸附。

當黃銅礦剛剛暴露在乙基鉀黃藥溶液中時，他們開始對黃銅礦表面進行成像。研究發現，礦物樣品在乙基鉀黃藥溶液中浸泡10min后，在黃銅礦表面出現了成片的吸附物。另一方面，乙基鉀黃藥溶液中的輝鉬礦表面只吸附了微量的化學物質，表明乙基黃藥對黃銅礦表面的選擇性。

結果表明，在浮選中，乙基鉀黃藥及其同系物廣泛應用于黃銅礦的浮選；而鉬礦浮選捕收劑一般采用烴類油，而不是黃藥類捕收劑。

實驗說明AFM可以作為泡沫浮選過程中研究礦物表面化學物質吸附的有力工具；Mikhlin等[3]利用AFM研究了丁基鉀黃藥在方鉛礦上的吸附。

研究表明，即使對于濃度較低的捕收劑溶液，AFM的成像也足夠靈敏，可以清楚地顯示出方鉛礦表面形貌的變化。隨著丁基鉀黃藥濃度的增加，方鉛礦表面覆蓋率大大提高；Chennakesavulu等[4]研究了油酸在螢石表面的吸附。

研究發現，在很低的捕收劑濃度下，螢石表面在捕收劑單層完全覆蓋之前就已經形成了雙層的吸附結構；謝珍[5]利用AFM研究以季銨鹽為捕收劑在云母表面的吸附。

研究表明，在不同的藥劑濃度下其在云母表面形成不同結構的吸附層，隨著藥劑濃度的增加，藥劑與礦物表面的作用力由靜電吸引力轉變為疏水吸引力。

2.2 絮凝劑與礦物的作用研究

研究絮凝劑分子與礦物表面之間的作用力對于理解絮凝劑的選擇性吸附機理，從而開發出新型的高效絮凝劑具有重要意義。Sun等人[6]利用AFM和SMFS研究了新型雜化聚丙烯酰胺Al(OH)3-PAM與二氧化硅表面之間的作用。結果發現Al(OH)3-PAM呈星形結構，該結構的形成增強了絮凝劑的絮凝性能，由于靜電力的作用，Al(OH)3分子鏈與二氧化硅間的粘附力要大于PAM分子鏈與二氧化硅表面的粘附力；Long等人[7]研究了部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）分子與不同類型表面（二氧化硅、云母和瀝青）之間的粘附力。研究發現在去離子水中，二氧化硅、云母和瀝青表面的粘附力分別為40pN、200pN和80pN，HPAM與云母的吸附強度遠高于在瀝青表面的吸附強度，這表明，在瀝青-粘土混合料懸浮液中加入HPAM，可以實現云母等粘土顆粒之間的選擇性絮凝。

2.3 抑制劑與礦物的作用研究

D.A.Beattie等[8-9]利用AFM研究了羧甲基纖維素在不同礦物（滑石粉、輝鉬礦、黃銅礦）上的吸附。AFM圖像清楚地表明，羧甲基纖維素的濃度對其在滑石和輝鉬礦表面的吸附沒有太大影響（表面覆蓋率約為25%～30%）。

同時，羧甲基纖維素的取代度對吸附也有重要影響，取代度高的聚合物比取代度低的聚合物覆蓋滑石、黃銅礦和輝鉬礦表面的吸附層小。

在黃銅礦、磁黃鐵礦和氧化鐵中，糊精優先吸附在黃銅礦上，而不是磁黃鐵礦和氧化鐵上；A.Beaussart[10]考察了普通小麥糊精(TY)、羧甲基糊精(CM)和羥丙基糊精(HP)三種糊精對輝鉬礦浮選的影響，用AFM對糊精在輝鉬礦表面的形貌進行了成像，改性糊精(CM和HP)的表面覆蓋度遠高于常規TY，使接觸角降低，從而降低了浮選回收率。

3 結語

AFM能夠很好地應用在礦物浮選中，利用AFM能夠獲得納米級別的信息，有助于研究人員對礦物浮選進行更深層次的研究工作。

AFM的不足之處是缺乏化學成像能力。因而有必要開發新的基于AFM的技術，能夠分析接觸區域的表面形貌和化學成分。

但AFM仍是研究表界面物質間相互作用的重要手段。在礦物浮選中，可以將AFM與其它測試手段相結合，對礦物表面吸附的藥劑吸附層變化、力學變化等進行實時原位的表征，從而為研究浮選過程提供新的研究思路與手段。