关于多相系统中矿物颗粒表面化学及润湿特性的实验研究

选择性分离矿物通过润湿性差异及表面化学分析（摘要）

　　
本文聚焦矿物颗粒表面润湿性差异对分离过程的影响，通过多维度实验揭示了细颗粒矿物在油-水界面上的选择性吸附规律。研究团队以磷酸盐和稀土矿物为例，系统探讨了表面化学组成、晶体结构及pH条件对分离效能的作用机制，为开发新型固液稳定乳化分离技术提供了理论依据。

### 关键发现与机制解析
1. **润湿性差异的量化表征**：
实验采用静态/动态接触角测量、溶剂萃取（APSE）和颗粒-滴定覆盖分析三种互补方法。结果显示，目标矿物（磷灰石、氟碳铈矿、氟碳钇矿）的接触角普遍超过55°，显著高于碳酸盐（方解石、白云石）和石英矿物（接触角均低于48°）。这种差异主要源于表面化学组成——稀土矿物表面富含低极性磷酸根和稀土氧化物，形成负电荷层（zeta电位达+45mV），而碳酸盐矿物因羟基官能团暴露呈现强亲水性（方解石zeta电位-24mV）。

2. **pH依赖性的分离机制**：
研究发现pH6是分离的优化条件。此pH下：
- 目标矿物表面电荷接近零点（如磷灰石+5mV→0mV），形成"表面无定形区"（amorphous zone），促进有机相吸附
- 疏水矿物与油相界面张力差（Δγow=50mN/m）驱动高附着力，APSE显示磷灰石有机相转移率达96%
- 亲水矿物表面负电荷增强（石英-32mV），产生排斥效应，有机相转移率低于10%

3. **界面动力学模型**：
通过计算附着能ΔEa（单位：kT×10^8），建立分离选择性模型：
- 磷灰石在硅油中ΔEa=41（-ve），在煤油中ΔEa=60（-ve），表明表面能级差异主导分离
- 氟碳钇矿ΔEa=99（-ve）与氟碳铈矿ΔEa=112（-ve）的数值差异，反映稀土元素对表面能的贡献
- 碳酸盐矿物ΔEa=200（+ve）显示强亲水特性，难以吸附

4. **微纳尺度效应**：
实验发现当颗粒尺寸从14μm降至1nm时：
- 接触角变化率增大3倍（Δθ=5°→15°）
- 界面吸附能提升至10^3kT量级（纳米颗粒ΔEa=2.5×10^8kT）
- 表面曲率对润湿性的贡献权重从15%提升至45%

### 技术创新与工业应用
1. **多级分离体系构建**：
开发基于"表面无定形区"的分离流程，通过梯度pH调节（pH4→10）实现矿物分层：
- pH4阶段：稀土矿物表面正电荷排斥有机相
- pH6阶段：目标矿物电荷中和，形成稳定油膜
- pH10阶段：碳酸盐矿物表面负电荷增强，与油相完全分离

2. **油相选择机制**：
研究对比硅油（PDMS10）与煤油两种有机相：
- 硅油高粘度（10cSt）形成连续油膜，有利于稀土矿物包裹（覆盖率81±3.2%）
- 煤油低粘度（1cSt）更适合磷灰石分离（覆盖率95±4.1%）
- 介质选择原则：油相表面张力γow应与矿物接触角θ满足γow×cosθ < γow/2

3. **工业转化路径**：
建立实验室→中试的参数映射模型，关键控制点包括：
- 颗粒分散度（超声处理功率>500W）
- 油相体积分数（优化值30-40%）
- 界面接触时间（>120s）
- 搅拌速率（600-800rpm）

### 现存挑战与突破方向
1. **复杂矿浆适应性**：
现有体系对团聚体（粒径>5μm）分离效率下降至68%，需开发表面活化技术：
- 采用等离子体处理（功率密度5W/cm2，时间120s）降低团聚能垒
- 引入两亲性表面活性剂（C30H62NO4），表面张力可降低至γow=35mN/m

2. **动态过程建模**：
需建立考虑流体剪切力（τ>0.1Pa）的动态吸附模型，现有APSE方法对>50μm颗粒的预测误差达±18%，需引入：
- 微流控芯片（通道尺寸50μm）
- 原子力显微镜（分辨率<1nm）表面形貌监测

3. **环境兼容性**：
研究显示硅油体系对水生生态影响指数（ECI）为0.32，低于煤油（ECI=0.58）。建议采用生物基硅油（PDMS10生物降解率92%±3%）实现绿色分离。

### 结论
本研究证实矿物表面润湿性差异可达Δγow=75mN/m，在pH6、油相体积分数35%条件下，目标矿物分离选择性达98.7±1.2%。提出的"表面无定形区"理论成功解释了稀土矿物与碳酸盐矿物的选择性吸附机制，为开发新一代固液分离技术奠定了理论基础。后续研究将重点解决纳米级颗粒的润湿性测量校准问题。