研磨介质调控菱锌矿晶体形貌与解理过程的表面物理化学性质及可浮性研究

针对菱锌矿(Smithsonite)研磨过程中晶体解理各向异性与表面润湿性关联机制不明的问题，研究人员通过球磨与棒磨介质对比实验，结合XRD、SEM、分子轨道匹配理论等分析，发现棒磨通过线载荷作用优先暴露疏水性(1?0?4)晶面，显著提升油酸吸附效率，为矿物加工中研磨-浮选协同优化提供了晶体表面特性调控新视角。

　　

随着全球锌硫化矿资源的日益枯竭，碳酸盐型锌矿——菱锌矿(Smithsonite)的战略地位日益凸显。然而这种矿物在传统球磨加工中极易产生过粉碎现象，导致微细颗粒形成黏性包裹层，严重制约浮选回收率。更关键的是，菱锌矿晶体具有显著的各向异性特征，不同解理面可能呈现截然不同的润湿性，但这一微观机制尚未被系统揭示。如何通过研磨介质优化调控解理过程，从而改善表面物理化学性质，成为提升资源利用率的关键科学问题。

中南大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，创新性地采用球磨与棒磨介质对比实验，结合多尺度表征手段，揭示了研磨介质形状对菱锌矿解理行为及表面特性的调控机制。通过激光粒度分析、扫描电镜(SEM)形貌观测发现，球磨的点载荷作用导致晶体不均匀解理，而棒磨的线载荷力则促进棱角分明的颗粒形成。X射线衍射(XRD)与接触角测试证实，球磨产物优先暴露亲水性(0?1?2)解理面，其表面不饱和锌原子易形成羟基化合物和水化层，阻碍油酸钠(NaOL)吸附；而棒磨主要暴露疏水性(1?0?4)晶面，显著提升捕收剂吸附效率。分子轨道匹配理论进一步从电子结构层面阐释了不同晶面的反应活性差异。

关键技术方法包括：采用中国云南怒江地区高纯度菱锌矿样本，通过激光粒度分析仪测定-74+38μm和-38μm两个关键粒级分布；利用SEM定量分析颗粒长径比和扁平度；结合XRD解理面指数标定与接触角测量建立润湿性关联模型；基于密度泛函理论(DFT)计算表面电子结构。

主要研究结果：

1. 颗粒形貌特征
   棒磨产物在-74+38μm目标粒级占比达64.21%，显著高于球磨的51.37%，且具有更高的长径比(1.82)和扁平度(0.62)，这种棱角状形貌更利于气泡附着。

2. 解理各向异性
   XRD定量分析显示球磨产物中(0?1?2)晶面占比达43.7%，该晶面暴露的配位不饱和Zn原子易与溶液反应，形成Zn(OH)₂抑制浮选；而棒磨使(1?0?4)疏水晶面占比提升至57.3%。

3. 表面润湿性调控
   接触角测试表明(1?0?4)面接触角达78.5°，较(0?1?2)面提高32.6°，对应浮选回收率提升21.4个百分点。分子轨道分析揭示(1?0?4)面Zn-3d轨道与油酸羧基的O-2p轨道能级匹配度更高。

该研究首次建立了菱锌矿解理特性-表面润湿性-浮选行为的构效关系模型，证实棒磨介质能有效抑制不利解理面的暴露。这一发现不仅为解决菱锌矿过粉碎难题提供了新思路，更开创了通过晶体表面工程优化矿物加工流程的研究范式。从实际应用角度看，该成果可直接指导研磨介质系统的工业设计，预计可降低锌损失率15%以上，同时减少重金属环境污染，兼具显著的经济效益和生态价值。理论层面，提出的分子轨道匹配机制为理解矿物-试剂相互作用提供了普适性分析框架，可拓展至其他碳酸盐矿物的表面改性研究。