顆粒氣泡黏附科學試驗研究進展
——微納尺度下顆粒氣泡黏附

邢耀文，桂夏輝，韓海生，孫 偉，曹亦俊，3，劉炯天,3

(1.中國礦業(yè)大學 國家煤加工與潔凈化工程技術研究中心，江蘇 徐州 221116; 2.中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083;3.鄭州大學 河南資源與材料產業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450000)

自20世紀30年代始，微納尺度下的顆粒氣泡黏附就引起了學者的廣泛關注并逐漸涌現(xiàn)出一系列試驗技術用于研究顆粒氣泡間微納作用力及液膜薄化破裂動力學過程，其總體上可以分為兩類:力測量法及排液法。力測量法是借助原子力顯微鏡(AFM)等技術手段測試顆粒氣泡間相互作用力，通過流體力學排液模型計算液膜薄化動力學行為;排液法則是通過光學顯微干涉技術直接獲得氣液界面變形及排液動力學數(shù)據(jù)，通過耦合擴展DLVO理論及排液方程求解相互作用力信息，如單氣泡撞板顯微干涉技術、薄膜壓力平衡技術及表面力分析儀(SFA)等。2015年，SHI等[1]通過AFM與反射干涉對比顯微鏡(RICM)聯(lián)用首次實現(xiàn)了力、氣泡變形及液膜云圖的同步測試，直接證明了力測試與排液法二者之間的理論統(tǒng)一。在宏觀尺度下顆粒氣泡黏附研究進展的基礎上，系統(tǒng)的對微納尺度下顆粒氣泡間相互作用力及液膜薄化破裂動力學試驗技術研究進展進行綜述。

1 排液法

1.1 單氣泡撞板顯微干涉技術

在氣泡接近固體平坦基板的過程中，中間液膜的厚度可以通過薄膜干涉技術獲得。在膜厚度數(shù)據(jù)的基礎上可計算顆粒氣泡間分離壓力。需要特別指出的是，當基板-氣泡間相互作用力為排斥力(即排斥性分離壓力)時，液膜最終會到達熱力學平衡狀態(tài)，此時液膜分離壓力等于氣泡內部拉普拉斯壓力。因此，可以通過改變氣泡的半徑來獲得不同膜厚度下的分離壓力。然而這種方法僅對排斥性分離壓力有效，當顆粒氣泡間作用力表現(xiàn)為引力時，液膜是不穩(wěn)定的，表面力只能通過動態(tài)排液法來確定。使用高速動態(tài)攝像機記錄膜薄化干涉條紋序列，在總曲率壓力中扣除流體壓力項獲得分離壓力信息。

單氣泡撞板的一種情形是通過在毛細管末端生成一固定尺寸氣泡并驅動氣泡逼近礦物基板。DERJAGUIN 和 KUSAKOV[2]使用單色光顯微干涉技術研究了氣泡-親水玻璃基板間的相互作用力，通過改變氣泡直徑繪制親水玻璃基板與氣泡間的分離壓力等溫線，即DLVO理論的雛形。其中，膜厚度h計算公式為

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單色光顯微干涉的局限在于顆粒氣泡間絕對分離距離的確定，具體表現(xiàn)在牛頓環(huán)求解時如何準確確定干涉條紋的色序。YOON和YORDAN[3]引入了雙波長干涉技術測試了甲基化石英表面潤濕膜的臨界破裂厚度，發(fā)現(xiàn)臨界膜破裂厚度隨甲基化程度的增加而增加。與此同時，親水石英表面的潤濕膜隨十二胺鹽酸鹽DAH的加入同樣變得不穩(wěn)定，當DAH濃度超過其臨界膠束濃度時，不穩(wěn)定膜再次向穩(wěn)定液膜轉變，與誘導時間測試結果保持一致[4]。GAO和PAN[5]進一步使用三波長反射干涉顯微鏡系統(tǒng)研究了氣泡尺寸對顆粒氣泡間潤濕膜排液的影響，三波長反射干涉顯微鏡系統(tǒng)如圖1所示。結果發(fā)現(xiàn)三波長干涉技術在確定液膜厚度時無需額外的物理假設，在200 nm液膜厚度范圍以內的測試誤差小于1 nm，試驗發(fā)現(xiàn)液膜臨界破裂厚度與氣泡尺寸呈正相關關系，氣泡尺寸越小臨界破裂厚度越小。

圖1 三波長反射干涉顯微鏡系統(tǒng)[5]Fig.1 Photo and schematic representation of the triwavelength reflection interferometry microscope[5]

KARAKASHEV等[6]借助Image J軟件實現(xiàn)了親水性玻璃與氣泡間潤濕膜的三維空間重構，探索了玻璃基板切向移動速度對潤濕膜時空云圖分布的影響，試驗系統(tǒng)如圖2所示。基板的切向運動會引入額外的升浮壓力使得氣液界面進一步遠離玻璃表面，但在上述復雜條件下，氣泡表面輪廓會呈現(xiàn)非軸對稱分布，這無疑會增加單色光干涉確定顆粒氣泡間液膜厚度的難度，表面力信息的提取同樣會變得更加復雜。

圖2 潤濕膜三維呈像系統(tǒng)[6]Fig.2 Experimental setup for 3D imaging of wetting film[6]

另外一種情形則主要是針對自由氣泡上浮撞板系統(tǒng)。PARKINSON和RALSTON[7]研究了上浮氣泡與親水性二氧化鈦之間的液膜薄化動力學及分離壓力。氣泡在上浮過程中因流體阻力會產生彈性壓扁甚至是漣漪變形。因此，在PARKINSON的試驗中，使用了微米級氣泡(直徑小于100 μm)來避免流體彈性動力壓扁效應，同時微泡小的終端升浮末速可進一步減小流體阻力。無邊界滑移條件下的Taylor模型可準確描述液膜薄化動力學。HENDRIX等[8]進一步使用常規(guī)毫米級氣泡替換微米氣泡，Stokes-Reynolds-Young-Laplace(SRYL)模型可以很好的預測氣泡表面“酒窩”的形成和后續(xù)的排液動力學。MANICA等[9-10]在原有理論基礎上重新構建了用于描述毫米氣泡“撞板-回彈”過程中界面變形及液膜薄化的理論框架，將浮力、流體阻力及附加質量力加入到力平衡方程中。然而如此寬尺度雷諾數(shù)條件下的界面邊界條件的確定仍需進一步研究。自由氣泡上浮技術的主要缺點是試驗過程中難以實現(xiàn)氣泡運動軌跡的精確控制，一方面要求顆粒氣泡碰撞點發(fā)生在相機視場范圍內;另一方面，上置高速相機精準調焦也存在著較大技術困難。

1.2 薄膜壓力平衡技術

薄膜壓力平衡技術最早用于繪制泡沫膜分離壓力等溫線[11-14]。其核心部件為Scheludko槽，膜厚度由光學干涉法確定。美國弗吉尼亞理工大學PAN和YOON[15]對傳統(tǒng)Scheludko槽的中心排液模式進行了改進并將固體基板直接置于改進后的Scheludko槽頂部使其適用于潤濕膜排液研究，其中的一大優(yōu)點是可以實現(xiàn)非光學透明固體表面潤濕膜穩(wěn)定性研究，改進后的薄膜壓力平衡系統(tǒng)如圖3所示。同樣的，對于排斥性膜分離壓力等溫線可以直接通過改變毛細壓力獲得(外界氣氛控制或變化Scheludko槽直徑);而對于吸引性的分離壓力，必須通過記錄液膜薄化破裂動力學過程來確定。PAN和YOON[14]記錄了氣泡與不同接觸角金板表面的潤濕膜排液行為。試驗中起始膜厚度固定在350 nm，液膜半徑固定在70 μm。當金板的后退接觸角為17°時，20 s后液膜最終達到80 nm厚的平衡狀態(tài);而當接觸角增加至79°時，液膜在1.26 s時間內在80 nm臨界厚度處破裂，疏水引力是造成液膜快速薄化并破裂的根本原因。使用Stefan-Reynolds平坦膜排液方程對液膜障礙環(huán)處的薄化數(shù)據(jù)進行擬合得到疏水金板與氣泡間疏水力常數(shù)為2×10-17J，大于體系Hamaker常數(shù)3個數(shù)量級。特別指出的是該試驗首次實現(xiàn)了顆粒氣泡體系疏水力的定量表征，但改進的Scheludko槽中液膜內流場可能呈非對稱分布，影響測試結果準確性。

圖 3 改進后的薄膜壓力平衡系統(tǒng)[15]Fig.3 Schematic of the modified TFB apparatus[15]

PAN等[16]進一步在膜排液方程中加入了氣液界面曲率壓力項，同時考察了疏水界面的邊界滑移效應對膜薄化速率的影響，發(fā)現(xiàn)疏水界面邊界滑移難以誘發(fā)如此快的排液速率。使用單指數(shù)衰減疏水力模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合發(fā)現(xiàn)疏水金板與氣泡間的疏水力是一種長程作用力，其衰減長度高達36 nm。雖然目前關于疏水作用力的起源還沒有達成共識，此長程作用力可能是由于固液界面納米氣泡成核或表面雜質污染引起。

1.3 表面力分析儀

表面力分析儀(SFA)最早用于測試氣相或液相下光滑云母間的相互作用力，通過白光干涉獲得等色序干涉條紋獲得表面分離距離，其中下端樣品與力彈簧片相連測試作用力[17-19]。與傳統(tǒng)單色光干涉相比，白光干涉在沒有已知參考距離的情況下可獲得絕對分離距離，縱向分離距離分辨率可達0.1 nm。然而一般只有光學透明的光滑材料才能用于SFA測試。HORN 等[20-24]對傳統(tǒng)SFA進行了改進使其適用于顆粒氣泡間相互作用研究，改進后的SFA系統(tǒng)如圖4所示。使用尾端封閉的毛細管代替下端云母片，白光干涉系統(tǒng)監(jiān)視液膜薄化云圖。然而改進后的SFA不再具備力測試功能，只能通過求解膜排液動力方程才可獲得表面力及流體阻力。因此，從這個角度上講，SFA仍屬于排液法范疇。PUSHKAROVA和 HORN[22]發(fā)現(xiàn)氣泡在靠近云母表面過程中，為了維持恒定的表面電勢氣液界面存在電荷調制現(xiàn)象。在短距離范圍內，這種調制甚至會產生輕微的電荷反轉使得排斥性靜電力變?yōu)槲Γ兜氯A力是最終穩(wěn)定性液膜中的唯一排斥力。CASTILLO等[25]使用SFA進一步研究了云母表面潤濕膜中表面力與流體阻力的耦合作用，在去離子水中，經典DLVO理論可以很好的預測準靜態(tài)接近過程中的長程排斥力，但液膜并沒有在此斥力作用下到達平衡狀態(tài)，相反觀測到了一個輕微的跳入現(xiàn)象，中心液膜進一步靠近而外圍則形成兩個“肩膀”。在1 mmol/L KCl溶液中同樣觀察到了類似的液膜薄化行為。SRYL模型難以預測最終膜云圖中兩個“肩膀”的形成。氣液界面電荷移動可以很好的解釋這種現(xiàn)象，在膜排液過程中，存在著一個由無滑移向滑移界面轉變的過渡點。正如前文所述，改進后的SFA仍然無法實現(xiàn)非透明礦物與氣泡間的液膜薄化動力學測試。

圖4 改進后SFA系統(tǒng)[26]Fig.4 Aschematic of the modified SFA[26]

2 力測量法

AFM是測試顆粒氣泡間相互作用力的最常用手段。歷史上，蘇黎世聯(lián)邦實驗室BINNIG等[27]發(fā)明了第1臺AFM用于納米尺度下非導電樣品的表面形貌成像。與傳統(tǒng)掃描隧道顯微鏡相比，AFM對樣品材料及成像環(huán)境的要求相對寬松，應用也因此更加廣泛。AFM利用微懸臂針尖感受并放大與樣品間的微弱作用力，通過反饋回路系統(tǒng)保持探針以“恒力”或“恒高”模式進行光柵掃描從而獲得樣品表面的三維形貌圖，如圖5所示。除了最原始的成像功能，AFM也越來越多的被用于測試表面力、摩擦力、黏附力及流體力等。借助光學杠桿系統(tǒng)將力引起的微懸臂形變直接轉化為四象限光強檢測器的電壓信號，根據(jù)胡克定律獲得作用力信息。目前，大部分商業(yè)化AFM均具有力譜(力曲線)測試功能，但針尖的不規(guī)則形狀無疑增加了作用力定量表征的難度。1991年，DUCKER等[28-29]和BUTT[30]將微米級玻璃/石英小球黏附于微懸臂末端制備了“膠體探針”，膠體探針AFM也逐漸成為表界面領域內相互作用力測試的強有力工具。與SFA相比，AFM對樣品配置更加靈活，同時小的相互作用面積使得樣品污染問題得到了有效的解決[31]。

圖5 AFM工作示意[53]Fig.5 Schematic of AFM[53]

在浮選領域，AFM同樣可廣泛應用于研究礦物表界面特征[32]、藥劑吸附[33-38]、顆粒間相互作用力[39-45]及顆粒氣泡間相互作用機制[46-51]。例如，XING等[52]借助膠體探針AFM研究了不同類型黏土礦物(高嶺石與蒙脫石)與煤基板間的相互作用力，發(fā)現(xiàn)在去離子水條件下煤與高嶺石間作用力為斥力，而蒙脫石與煤間則體現(xiàn)為引力。隨著鈣離子的加入，吸引力增加，浮選過程中細泥罩蓋現(xiàn)象加劇。XING等[38]同樣測試了氧化煤顆粒與石蠟和硬脂酸基板間的相互作用力，結果表明:氧化煤與硬脂酸之間的引力作用是脂肪酸類藥劑強化氧化煤浮選的根本原因，極性脂肪酸可以在氧化煤表面親水位點完成吸附進而提高氧化煤可浮性。XING等[53]曾對AFM在礦物浮選領域的應用進行了系統(tǒng)的綜述。

與排液法相比，AFM可以直接獲得顆粒氣泡間相互作用力。1994年，DUCKER等[54]和BUTT[55]首次使用AFM測試了顆粒氣泡間相互作用力。DUCKER等[54]發(fā)現(xiàn)到親水性顆粒與氣泡間存在著吸引力，這可能是由于樣品準備過程中的污染問題;BUTT[55]則發(fā)現(xiàn)只有在疏水性顆粒與氣泡間才存在引力，當引力梯度超過微懸臂彈性系數(shù)時發(fā)生跳入黏附現(xiàn)象。

AFM所獲得的原始數(shù)據(jù)是力-位移(掃描管Z軸伸縮量)曲線而非力-分離距離曲線。分析AFM力曲線最重要的步驟是如何準確確定零距離以獲得力-距離曲線，零距離定義為力-位移曲線中探針與樣品表面的絕對分離距離為零的點。在硬接觸系統(tǒng)中，零距離可以通過原始力-位移曲線中的線性接觸區(qū)域來確定。對于顆粒氣泡相互作用系統(tǒng)，由于氣泡表面的變形效應，很難找到硬接觸點。近年來學者們就如何確定顆粒氣泡間分離距離做了廣泛的探索。DUCKER等[54]認為在外部壓力下氣泡可以近似看作為一根線性彈簧，膠體探針-氣泡系統(tǒng)可以看作是兩根胡克彈簧的串聯(lián)組合，力曲線線性接觸區(qū)斜率的倒數(shù)等于氣泡彈性系數(shù)與微懸臂本身彈性系數(shù)的倒數(shù)之和?；谶@種假設，PREUSS和BUTT[50,56]系統(tǒng)研究了十二烷基硫酸鈉(SDS)和十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)對親水玻璃微球氣泡間相互作用力的影響，發(fā)現(xiàn)陰離子型SDS的加入會進一步增加斥力作用，而隨著陽離子型DTAB的加入會誘發(fā)黏附，DTAB極性頭基與玻璃表面發(fā)生鍵合使得其變得疏水產生疏水力。當DTAB濃度超過其臨界膠束濃度時會形成雙層吸附，排斥力再次主導顆粒氣泡相互作用。

NGUYEN等[57-58]研究了接近速度對顆粒氣泡相互作用的影響，親水性玻璃小球與氣泡間的排斥作用力隨著碰撞速度的增加而增加，當速度小于0.6 μm/s時，流體阻力的貢獻可以忽略而表面力則起主導作用;當速度進一步增加時，斯托克斯方程可以很好的預測長程范圍內的斥力行為。盡管如此，氣泡在外部壓力的作用下并非一直遵守線性響應，氣泡彈簧假設不能獲得整個作用區(qū)域內的界面輪廓和液膜排液動力學。另一方面使用膠體探針AFM測試顆粒氣泡間相互作用需要試驗人員具備精致的試驗技巧，通過步進電機和Z軸掃描管的組合獲得完整的力曲線。

GILLIES等[59-60]指出軟物質在足夠小的作用力下可以表現(xiàn)出與堅硬表面類似的力學響應，長程范圍內的弱靜電力不足以使得氣泡表面發(fā)生明顯變形?；诖耍ㄟ^擬合長程范圍內的靜電斥力獲得了分離距離信息。TARAN等[61]借助此方法研究了氣泡靜置時間對親水性石英小球與氣泡相互作用的影響。但此方法的局限性在于需要單獨測試顆粒氣泡的表面電位，尤其是如何獲得氣泡表面電位仍存在一定挑戰(zhàn)。

CHAN等[62-64]提出了一種基于力平衡的分析模型(CHAN-DAGASTINE-WHITE模型)用于預測膠體探針和變形界面相互作用。ENGLERT等[65]使用此模型研究了疏水性及表面電性對瀝青顆粒和氣泡間相互作用的影響。CHAN[66]進一步推導了增益型SRYL模型用于預測動態(tài)AFM試驗中膠體探針與變形界面間相互作用力及液膜時空演化規(guī)律。通過SRYL模型擬合力曲線數(shù)據(jù)獲悉作用過程中必要的物理信息。MANOR 等[67-68]使用AFM直接測試了氣泡與固體基板間的相互作用力，非邊界滑移條件下的SRYL模型很好的預測了液膜分離壓力及液膜云圖演化。與傳統(tǒng)膠體探針技術不同的是，其將微米級氣泡黏附與微懸臂末端(氣泡探針)[69-72]。使用氣泡探針的優(yōu)點是氣液界面屬于絕對光滑表面，放寬了對固體材料的限制。傳統(tǒng)膠體探針技術中，一般只有表面光滑的石英及玻璃小球等才能用于AFM試驗。SHI等[73]則同樣使用氣泡探針技術測試了氣泡與不同疏水性的OTS覆蓋的云母間相互作用力，AFM下針速度恒定為0.1 μm/s。結果發(fā)現(xiàn):當云母表面接觸角為45°時，氣泡在7.5 nm處發(fā)生跳入黏附。當額外考慮0.8 nm的疏水力衰減長度時，SRYL模型能夠很好的擬合力曲線,如圖6所示;當接觸角增加至85°時，跳入黏附距離和疏水力衰減長度均呈現(xiàn)增加趨勢，說明疏水力隨著接觸角的增加而增加。疏水分離壓力是液膜破裂的主要原因。

圖6 0.5 mol/L NaNO3溶液中80 μm氣泡探針與45°接觸角云母間相互作用[73]Fig.6 Interaction between a bubble probe with radius of 80 μm approaching hydrophobized mica in 0.5 mol/L NaNO3 aqueous solution[73]h為液漠厚度；r為液膜徑向坐標

CUI等[74]進一步研究了溶液pH和鹽離子濃度對疏水云母-氣泡間疏水力的影響，疏水力衰變長度始終維持在1.0 nm左右，其大小與pH和鹽離子濃度無關。XIE等[75-76]則測試了閃鋅礦和輝鉬礦與氣泡間的黏附機理，在上述體系中同樣發(fā)現(xiàn)了短程疏水力作用。需要指出的是在上述氣泡探針AFM試驗中所測到的疏水力作用程遠遠小于PAN等[15]使用薄膜壓力平衡技術所獲得的力作用程(36 nm衰減長度)，造成這種差異的原因至今仍不明確。

3 力與液膜排液同步測試

3.1 AFM-RICM聯(lián)用

隨著光譜技術的發(fā)展，涌現(xiàn)出了眾多新穎的AFM基光譜聯(lián)用技術用于測試分離距離。TABOR等[77]搭建了激光共聚焦熒光-AFM聯(lián)用系統(tǒng)，借助共聚焦的原位三維重構實現(xiàn)了微米油滴間的分離距離測量，試驗測試值與理論計算值有著較高的吻合度，但氣液界面的透鏡效應限制了激光共聚焦在顆粒氣泡系統(tǒng)中的進一步應用。美國卡耐基梅隆大學PRIEVE教授發(fā)明了全內反射熒光顯微鏡用于測量膠體離子和表面之間微弱相互作用[78],通過衰逝波散射光強記錄布朗運動狀態(tài)下膠體離子在固體平板上方的平均間距。CLARK等[79]利用全內反射技術搭建了衰逝波-AFM系統(tǒng)，借助衰逝波在固液界面垂直方向的衰減特性獲得了膠體探針顆粒與基板間的分離距離，然而這種技術僅在200 nm分離距離內有效。同時氣泡界面變形進一步增加了散射光強求解的難度。

SHI等[1]創(chuàng)新性地將RICM與AFM結合對氣泡和云母基板間的相互作用力和液膜云圖進行了同步測試。固定于微懸臂末端的微米級氣泡在AFM步進電機和掃描管的協(xié)同配合下慢慢接近云母表面，AFM獲得納牛級分辨率的作用力，RICM則獲得納米級膜厚度。與傳統(tǒng)顯微干涉鏡的不同在于RICM將界面本身的曲率耦合入光強計算公式中，尤其適用于微米級彎曲界面形狀重構。最近，CONTRERAS-NARANJO和UGAZ[80]對復雜的RICM算法進行了改進使其能夠適用于任意凸起物體的輪廓成像。

研究發(fā)現(xiàn):在500 mmol/L氯化鈉溶液下，氣泡與親水性云母間形成穩(wěn)定性液膜，非邊界滑移條件下的SRYL模型很好的預測了作用力與液膜的動態(tài)演化規(guī)律。當云母表面接觸角增加至45°或90°，力曲線觀測到了明顯跳入黏附現(xiàn)象，同時，跳入黏附距離(臨界液膜破裂厚度)隨接觸角的增加而增加。當在SRYL模型中考慮疏水力作用時，模型可以對膜排液動力學及臨界膜破裂厚度做出很好的預測。試驗發(fā)現(xiàn)疏水力衰變長度在1 nm左右范圍，說明顆粒氣泡間疏水力僅為一種短程作用力。

3.2 變形體系力分析儀

PAN和YOON[81]開發(fā)了一種適用于同步測試氣泡-固體基板間相互作用力及液膜薄化的變形體系力分析儀(FADS)，如圖7所示。在FADS中，目的礦物可以直接濺射或黏附在自制的毫米寬微懸臂上，氣泡則固定在疏水石英玻璃上。在懸臂接近氣泡表面的過程中，其纖維激光干涉單元可直接測量懸臂的形變獲得相互作用力，在下部配置的光學干涉單元測試動態(tài)液膜云圖。與此同時，F(xiàn)ADS配置了側視相機記錄懸臂與氣泡作用過程中的動態(tài)接觸角。與AFM-RICM不同的是，F(xiàn)ADS對固體基板的材料限制更少，對于光學不透明的硅、金、銀等礦物同樣適用。另一方面，試驗過程中同樣可以更靈活的改變氣泡尺寸，AFM-RICM體系下的氣泡尺寸因受微懸臂本身的直徑限制通常僅在100 μm范圍左右。PAN和YOON[81]使用FADS研究了金板表面接觸角對其表面潤濕膜排液行為的影響，觀察到了與薄膜壓力平衡技術相一致的實驗現(xiàn)象。親水性金板表面潤濕膜在排斥性膜分離壓力下最終到達熱力學平衡態(tài);疏水性金板表面在長程疏水力的作用下在快速薄化并發(fā)生破裂。需要指出的是，F(xiàn)rumkin-Derjaguin等溫線表明長程疏水力加速排液動力學而液膜的破裂是短程疏水力導致的。

圖7 FADS工作示意[81]Fig.7 Schematic of the FADS[81]

3.3 薄液膜力分析儀

對于AFM-RICM及FADS系統(tǒng)，其共同的缺點是僅僅能在低氣泡雷諾數(shù)條件下(<10-2)進行試驗。例如，AFM下針速率僅在0～50 μm/s變化。在實際浮選中，顆粒氣泡碰撞接近速度遠大于此。加拿大阿爾伯塔大學XU等開發(fā)了一種可以在中等氣泡雷諾數(shù)條件下(10-2

ZHANG等[88]進一步利用薄液膜力分析儀對不同疏水性固體表面的邊界滑移狀態(tài)進行了研究。不同疏水性石英基板與一毫米級氣泡間的液膜演化云圖如圖8所示。結果發(fā)現(xiàn)固液界面邊界滑移長度隨著接觸角的增加而增加，這種滑移現(xiàn)象產生的原因是由于固體表面的納米粗糙度。同時對于特定的疏水性石英基板，存在著臨界的接近速度誘發(fā)邊界滑移。

圖8 不同疏水性石英基板與一毫米級氣泡間的液膜演化云圖[88]Fig.8 Evolution of spatiotemporal film thickness between a millimeter bubble and silica surface with different surface hydrophobicity[88]

3.4 浮選黏脫附微力測試儀

上述力與排液同步測試技術均屬國外學者開發(fā)，國內學者因試驗設備和技術的限制在顆粒氣泡間相互作用力及液膜排液方面的研究鮮見報道。國家煤加工與潔凈化工程技術研究中心一直致力于浮選黏脫附微力測試儀(FADFA)的研制開發(fā)。在現(xiàn)有浮選液膜分析儀的基礎上，通過額外增加微力測試模塊實現(xiàn)了顆粒氣泡相互作用力和液膜薄化動力學的同步測試。與現(xiàn)有技術相比，浮選黏脫附微力測試儀在力測試性能方面顯示出了更大的技術優(yōu)勢，在保證力學分辨率的前提下最大可能的擴大了力學量程。其中設備力學分辨率達0.5 nN，力學量程±200 mN。在實現(xiàn)黏附過程研究的同時，同樣可實現(xiàn)后續(xù)的脫附單元研究，相關試驗研究成果將在后續(xù)文章進行報道。

4 結 語

對微納尺度下顆粒氣泡間相互作用力及液膜薄化破裂動力學試驗技術研究進展進行了綜述。技術總體上可以分為兩類:力測量法及排液法。排液法則是通過光學顯微干涉技術直接獲得氣液界面變形及排液動力學數(shù)據(jù)，通過耦合擴展DLVO理論及排液方程求解相互作用力信息，如單氣泡撞板顯微干涉技術、薄膜壓力平衡技術及SFA等。力測量法是借助AFM等技術手段測試顆粒氣泡間相互作用力，通過流體力學排液模型計算液膜薄化動力學行為。隨著AFM-RICM、FADS和ITLFFA等技術的問世，作用力和液膜排液的同步測試已經成為一種技術趨勢，充分助力了浮選顆粒氣泡黏附基礎研究。但目前顆粒氣泡體系疏水力的長程及短程來源機制仍不明確，基于現(xiàn)有研究進展，應進一步開展顆粒氣泡間疏水力的系統(tǒng)研究，通過借助不同檢測技術的優(yōu)勢互補及分子動力學模擬等手段，有望從根本上闡明這一科學問題。