原子力显微镜(AFM)在矿物浮选中的应用研究

于淙权，徐 超，高腾跃，秦广林，陈艳波，蔡明明

（山东黄金矿业科技有限公司选冶实验室分公司，山东 烟台 261441）

在矿物加工学科中，浮选是最基本的分选矿物的方法，而要研究浮选机理就需要了解矿物颗粒在矿浆中的浮选行为。传统的浮选界面表征技术如zeta电位、动态接触角测量、紫外光谱、红外光谱等方法较为成熟，较多地应用在矿物浮选中。

但这些测试方法大都是对矿物与药剂作用前后表面结构和成分进行研究，得到的是非实时或非原位的实验结果，而浮选过程中浮选药剂与矿物表面的作用是一个动态的过程，这些测试手段不能反映药剂与矿物表面间实时的作用过程。本文着重介绍了原子力显微镜AFM(Atomic Force Microscopy)，该方法可以实时探测浮选化学药剂的吸附，有助于深入了解矿物浮选过程机理。

1 AFM的工作原理

AFM是一种新的实验技术，它通过进行检测原子和分子结构之间的相互作用力来观察分析样品的表面形貌。AFM的基本原理是：弱力敏感微悬臂梁的一端是固定的，另一端有一个小尖。

尖端略微接触不同样品材料表面，由于我国尖端的原子与样品表面的原子结构之间的排斥力作用非常弱，因此可以通过内部控制系统扫描工作过程中的恒定力带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面发展方向起伏运动。光学地或通过检测隧道电流检测方法可以测量在对应于扫描点微悬臂梁的位置的变化，从而获得样品表面形貌的信息[1]。

AFM具有实时、原位及纳米级的分析精度，因而在材料科学、聚合物科学、电化学以及生命科学等领域应用广泛。在矿物浮选中，AFM已被用来研究药剂在目的矿物上的吸附过程。

2 浮选药剂与矿物作用的研究

AFM是唯一一种能提供纳米级横向分辨率的浮选药剂原位吸附信息的技术。

浮选药剂在固液界面上的构象和表面覆盖度可以从这些实验中确定，对理解泡沫浮选机理和提高浮选效率具有重要意义。

目前在矿物浮选领域，国内关于AFM的应用研究较少，国外利用AFM研究浮选药剂在矿物表面的吸附机理方面已有相关文献的报道。

2.1 捕收剂与矿物的作用研究

Zhang[2]使用AFM研究了乙基钾黄药在黄铜矿和辉钼矿上的吸附。

当黄铜矿刚刚暴露在乙基钾黄药溶液中时，他们开始对黄铜矿表面进行成像。研究发现，矿物样品在乙基钾黄药溶液中浸泡10min后，在黄铜矿表面出现了成片的吸附物。另一方面，乙基钾黄药溶液中的辉钼矿表面只吸附了微量的化学物质，表明乙基黄药对黄铜矿表面的选择性。

结果表明，在浮选中，乙基钾黄药及其同系物广泛应用于黄铜矿的浮选；而钼矿浮选捕收剂一般采用烃类油，而不是黄药类捕收剂。

实验说明AFM可以作为泡沫浮选过程中研究矿物表面化学物质吸附的有力工具；Mikhlin等[3]利用AFM研究了丁基钾黄药在方铅矿上的吸附。

研究表明，即使对于浓度较低的捕收剂溶液，AFM的成像也足够灵敏，可以清楚地显示出方铅矿表面形貌的变化。随着丁基钾黄药浓度的增加，方铅矿表面覆盖率大大提高；Chennakesavulu等[4]研究了油酸在萤石表面的吸附。

研究发现，在很低的捕收剂浓度下，萤石表面在捕收剂单层完全覆盖之前就已经形成了双层的吸附结构；谢珍[5]利用AFM研究以季铵盐为捕收剂在云母表面的吸附。

研究表明，在不同的药剂浓度下其在云母表面形成不同结构的吸附层，随着药剂浓度的增加，药剂与矿物表面的作用力由静电吸引力转变为疏水吸引力。

2.2 絮凝剂与矿物的作用研究

研究絮凝剂分子与矿物表面之间的作用力对于理解絮凝剂的选择性吸附机理，从而开发出新型的高效絮凝剂具有重要意义。Sun等人[6]利用AFM和SMFS研究了新型杂化聚丙烯酰胺Al(OH)3-PAM与二氧化硅表面之间的作用。结果发现Al(OH)3-PAM呈星形结构，该结构的形成增强了絮凝剂的絮凝性能，由于静电力的作用，Al(OH)3分子链与二氧化硅间的粘附力要大于PAM分子链与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）分子与不同类型表面（二氧化硅、云母和沥青）之间的粘附力。研究发现在去离子水中，二氧化硅、云母和沥青表面的粘附力分别为40pN、200pN和80pN，HPAM与云母的吸附强度远高于在沥青表面的吸附强度，这表明，在沥青-粘土混合料悬浮液中加入HPAM，可以实现云母等粘土颗粒之间的选择性絮凝。

2.3 抑制剂与矿物的作用研究

D.A.Beattie等[8-9]利用AFM研究了羧甲基纤维素在不同矿物（滑石粉、辉钼矿、黄铜矿）上的吸附。AFM图像清楚地表明，羧甲基纤维素的浓度对其在滑石和辉钼矿表面的吸附没有太大影响（表面覆盖率约为25%～30%）。

同时，羧甲基纤维素的取代度对吸附也有重要影响，取代度高的聚合物比取代度低的聚合物覆盖滑石、黄铜矿和辉钼矿表面的吸附层小。

在黄铜矿、磁黄铁矿和氧化铁中，糊精优先吸附在黄铜矿上，而不是磁黄铁矿和氧化铁上；A.Beaussart[10]考察了普通小麦糊精(TY)、羧甲基糊精(CM)和羟丙基糊精(HP)三种糊精对辉钼矿浮选的影响，用AFM对糊精在辉钼矿表面的形貌进行了成像，改性糊精(CM和HP)的表面覆盖度远高于常规TY，使接触角降低，从而降低了浮选回收率。

3 结语

AFM能够很好地应用在矿物浮选中，利用AFM能够获得纳米级别的信息，有助于研究人员对矿物浮选进行更深层次的研究工作。

AFM的不足之处是缺乏化学成像能力。因而有必要开发新的基于AFM的技术，能够分析接触区域的表面形貌和化学成分。

但AFM仍是研究表界面物质间相互作用的重要手段。在矿物浮选中，可以将AFM与其它测试手段相结合，对矿物表面吸附的药剂吸附层变化、力学变化等进行实时原位的表征，从而为研究浮选过程提供新的研究思路与手段。