原子力顯微鏡(AFM)在礦物浮選中的應(yīng)用研究

于淙權(quán)，徐 超，高騰躍，秦廣林，陳艷波，蔡明明

（山東黃金礦業(yè)科技有限公司選冶實(shí)驗(yàn)室分公司，山東 煙臺(tái) 261441）

在礦物加工學(xué)科中，浮選是最基本的分選礦物的方法，而要研究浮選機(jī)理就需要了解礦物顆粒在礦漿中的浮選行為。傳統(tǒng)的浮選界面表征技術(shù)如zeta電位、動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量、紫外光譜、紅外光譜等方法較為成熟，較多地應(yīng)用在礦物浮選中。

但這些測(cè)試方法大都是對(duì)礦物與藥劑作用前后表面結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行研究，得到的是非實(shí)時(shí)或非原位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而浮選過(guò)程中浮選藥劑與礦物表面的作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，這些測(cè)試手段不能反映藥劑與礦物表面間實(shí)時(shí)的作用過(guò)程。本文著重介紹了原子力顯微鏡AFM(Atomic Force Microscopy)，該方法可以實(shí)時(shí)探測(cè)浮選化學(xué)藥劑的吸附，有助于深入了解礦物浮選過(guò)程機(jī)理。

1 AFM的工作原理

AFM是一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，它通過(guò)進(jìn)行檢測(cè)原子和分子結(jié)構(gòu)之間的相互作用力來(lái)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(gè)小尖。

尖端略微接觸不同樣品材料表面，由于我國(guó)尖端的原子與樣品表面的原子結(jié)構(gòu)之間的排斥力作用非常弱，因此可以通過(guò)內(nèi)部控制系統(tǒng)掃描工作過(guò)程中的恒定力帶有針尖的微懸臂將對(duì)應(yīng)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(fā)展方向起伏運(yùn)動(dòng)。光學(xué)地或通過(guò)檢測(cè)隧道電流檢測(cè)方法可以測(cè)量在對(duì)應(yīng)于掃描點(diǎn)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(shí)時(shí)、原位及納米級(jí)的分析精度，因而在材料科學(xué)、聚合物科學(xué)、電化學(xué)以及生命科學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在礦物浮選中，AFM已被用來(lái)研究藥劑在目的礦物上的吸附過(guò)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(jí)橫向分辨率的浮選藥劑原位吸附信息的技術(shù)。

浮選藥劑在固液界面上的構(gòu)象和表面覆蓋度可以從這些實(shí)驗(yàn)中確定，對(duì)理解泡沫浮選機(jī)理和提高浮選效率具有重要意義。

目前在礦物浮選領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)關(guān)于AFM的應(yīng)用研究較少，國(guó)外利用AFM研究浮選藥劑在礦物表面的吸附機(jī)理方面已有相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)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(dāng)黃銅礦剛剛暴露在乙基鉀黃藥溶液中時(shí)，他們開(kāi)始對(duì)黃銅礦表面進(jìn)行成像。研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(xué)物質(zhì)，表明乙基黃藥對(duì)黃銅礦表面的選擇性。

結(jié)果表明，在浮選中，乙基鉀黃藥及其同系物廣泛應(yīng)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(shí)驗(yàn)說(shuō)明AFM可以作為泡沫浮選過(guò)程中研究礦物表面化學(xué)物質(zhì)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(duì)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(fā)現(xiàn)，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(jīng)形成了雙層的吸附結(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)槭杷Α?/p>

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(duì)于理解絮凝劑的選擇性吸附機(jī)理，從而開(kāi)發(fā)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(jié)果發(fā)現(xiàn)Al(OH)3-PAM呈星形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的形成增強(qiáng)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(fā)現(xiàn)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(qiáng)度遠(yuǎn)高于在瀝青表面的吸附強(qiáng)度，這表明，在瀝青-粘土混合料懸浮液中加入HPAM，可以實(shí)現(xiàn)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(duì)其在滑石和輝鉬礦表面的吸附?jīng)]有太大影響（表面覆蓋率約為25%～30%）。

同時(shí)，羧甲基纖維素的取代度對(duì)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(yōu)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(duì)輝鉬礦浮選的影響，用AFM對(duì)糊精在輝鉬礦表面的形貌進(jìn)行了成像，改性糊精(CM和HP)的表面覆蓋度遠(yuǎn)高于常規(guī)TY，使接觸角降低，從而降低了浮選回收率。

3 結(jié)語(yǔ)

AFM能夠很好地應(yīng)用在礦物浮選中，利用AFM能夠獲得納米級(jí)別的信息，有助于研究人員對(duì)礦物浮選進(jìn)行更深層次的研究工作。

AFM的不足之處是缺乏化學(xué)成像能力。因而有必要開(kāi)發(fā)新的基于AFM的技術(shù)，能夠分析接觸區(qū)域的表面形貌和化學(xué)成分。

但AFM仍是研究表界面物質(zhì)間相互作用的重要手段。在礦物浮選中，可以將AFM與其它測(cè)試手段相結(jié)合，對(duì)礦物表面吸附的藥劑吸附層變化、力學(xué)變化等進(jìn)行實(shí)時(shí)原位的表征，從而為研究浮選過(guò)程提供新的研究思路與手段。