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礦物表面接觸角測量及其適用性技術(shù)概述
中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院 張睿 2020/3/15 10:11:59
摘要：利用浮選法可以從礦物中分離有價值的部分，為了提高浮選效率，礦物表面的潤濕特性研究起著至關(guān)重要的作用。由于接觸角與礦物的可浮性有著密切的關(guān)系，因此它的值是一個有用的指標(biāo)，故可以用其來表示固體礦物表面的疏水特性。
本文中，將對礦物表面接觸角測量及其適用性技術(shù)進(jìn)行綜述。對于接觸角的測量，主要有兩種技術(shù)是可用的，其中一種適用于光滑和平坦的表面，而另外一組已發(fā)展為適用于非理想的表面或顆粒。在實(shí)際礦物接觸角測量過程中，毛細(xì)管滲透法相比其他測量方法顯得更適用。然而，實(shí)驗(yàn)過程中需要的制樣技術(shù)，以及更重要的是對滯后接觸角進(jìn)行必要的修正，成為這種技術(shù)的主要挑戰(zhàn)。接觸角精確地測量與實(shí)際的（批處理）浮選數(shù)據(jù)的耦合，這還是一個需要繼續(xù)研究的領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：接觸角 疏水性 泡沫浮選
1.介紹
在選礦過程中，礦物質(zhì)經(jīng)研磨后從礦石中解離出來，浮選依據(jù)礦物自然或人工疏水性的差異而被廣泛用于從脈石礦物中快速、高效的分離出有用礦物。疏水性的礦物顆粒更容易粘附氣泡并漂浮到礦漿表面，而親水性的矸石則不會發(fā)生上述行為并留在尾礦中。
總體而言，浮選過程主要可分為三個子過程；顆粒與氣泡碰撞，顆粒粘附到氣泡表面，顆粒最終脫離氣泡。為了使以上過程變得復(fù)雜，可以進(jìn)一步通過向礦漿中加入多種試劑來控制顆粒的表面性質(zhì)和礦漿化學(xué)性質(zhì)。對于浮選來說，主要的必須條件是氣泡取代礦物表面的水，并且這種取代作用可以用后退接觸角來量化。很顯然，掌握礦物表面化學(xué)性質(zhì)和潤濕性在控制泡沫和礦物粘附等子過程起著至關(guān)重要的作用(Wark,1984)。然而，為了改善浮選過程而進(jìn)行的更進(jìn)一步的研究工作，現(xiàn)在還從在一定的差距。我們正在開展不同的方法，包括建模，理論以及實(shí)驗(yàn)研究，并在這些基礎(chǔ)上認(rèn)真努力彌補(bǔ)這一差距。在澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究中心（CSIRO），量化流體動力組織（CFD)目前正在開發(fā)研究機(jī)械攪拌式浮選機(jī)，在開發(fā)過程中，接觸角的輸入量一個重要的輸入?yún)?shù)，它影響著該模型的準(zhǔn)確性和適用性(KohandSchwarz, 2003, 2006)。這種模型的成功之處在于，在現(xiàn)有的設(shè)備和操作改進(jìn)方面，它可以提供顯著地成本節(jié)約，并達(dá)到改善浮選性能的效果。因此，重要的是實(shí)現(xiàn)對礦物樣接觸角準(zhǔn)確地測量，以及精確量化各種因素的影響。
由于接觸角和礦物可浮性之間的密切關(guān)系，所以接觸角是一個有用的指標(biāo)。多年來，已開發(fā)了許多不同的技術(shù)來測量接觸角。然而，爭議仍然籠罩在文獻(xiàn)所提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)質(zhì)量上，以及其是否適合使用楊氏公式，這一點(diǎn)稍后將做討論。而對于實(shí)際的礦物系統(tǒng)，只有少量可用的技術(shù)不受無理的要求和假設(shè)的約束，提供精確的，有意義的和現(xiàn)實(shí)的接觸角值，
本文旨在審查可用的接觸角測量技術(shù)，特別是那些適用于礦物表面，分析它們的優(yōu)缺點(diǎn) ，并確定可能的改進(jìn)方法和使其適應(yīng)實(shí)際礦物表面，以進(jìn)一步了解它們在泡沫浮選過程中的實(shí)際應(yīng)用情況。大多數(shù)主要的接觸角測量技術(shù)及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備已被描述Adamson and Gast (1997), Hunter(2001), Ralston and Newcombe (1992) and Kwok and Neumann(1999)。歸納一下，這些測量方法可以大致分為兩類，其中一種是適用于平坦和光滑表面，而另外一種可用于非理想的表面或顆粒，也可說是更相關(guān)真實(shí)的礦物表面。這里將介紹最新提出，經(jīng)嚴(yán)格審查的技術(shù)。
2.背景
對于三相接觸線的固體表面/水/空氣的接觸角的研究有兩個步驟�？梢园岩坏嗡胖迷诠腆w表面上，如示于圖1（左）；或者，也可以用浸沒的氣泡來探測浸漬于水中的固體，如示于圖的表面1（右）。后一種方法是相關(guān)的，幾乎是強(qiáng)制性的研究礦物浮選中，礦物顆粒在水介質(zhì)中力度大小合適的相互摩擦碰撞的表面反應(yīng)，在原則上，這兩個接觸角是相同的。
如圖所示，1（右），在水性介質(zhì)中，無機(jī)固體表面上的氣泡接觸角θ被定義為在三個界面張力的作用下，氣泡的力學(xué)平衡：固-氣（γs/a）固-液（γs/l）和液-氣（γl/a）。這個平衡關(guān)系被稱為楊氏方程式所示。
圖1.固體表上，空氣中的水滴形成的接觸角（左），水中的氣泡形成的接觸角（右）
楊氏方程的有效性要求固體表面是光滑，平坦的，均勻的，惰性的，不溶性的，非反應(yīng)性的，非多孔的，和非變形的質(zhì)量。這些條件通常是不符合實(shí)際表面的(Kwok et al., 1998; Lam et al., 2002; Tavanaet al., 2004)。理想表面接觸角的測量和實(shí)際礦物表面接觸角的測量之間的差異，以及（未完，下一頁）
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