纳米技术浮选技术研究进展

魏鑫

内蒙古科技大学 内蒙古自治区包头市 014010

摘要: 随着社会的快速发展，全球可利用的矿产资源日益减少，杂、贫、细已经成为矿石资源分布的明显特征。由于纳米技术的自身优势，在矿物加工当中十分适用，在未来的矿山生产活动中，广泛应用纳米技术是大势所趋。

关键词：纳米技术；浮选技术；进展

引言

选矿事业的发展在纳米技术的支持下，得到了一定程度的便利，但由于不具备成熟的应用技术，还具有较大的发展前景和上升空间。因此需要积极挖掘纳米技术的潜能，为我国矿选事业实现长久健康的发展提供有力保障。

1纳米技术概述

纳米技术，顾名思义，就是指以0.1 ～ 100nm 的范围为基础，针对分子、原子和电子中的种种性质加以剖析，并在多项新型技术中心加以应用的技术。从当前纳米技术的发展现状来看，可应用的范畴十分广泛，其中以纳米材料、纳米粒子和纳米气泡作为该项技术研究的主要对象。其中以材料的合成与性质的改变等方向作为技术应用的重要方面。纳米材料意味着材料存在于三维空间内，且至少有一维的尺度在纳米范围内。纳米材料也可以是由在纳米范围内的某种物质组合而成的材料。因此，尺寸特征和其特殊性能是纳米材料的特点，即满足这两项特点的物质，都可称之为纳米材料。碳纳米材料由于其大的比表面积而在氧化处理后的原子结构层上含有大量的含氧官能团，例如羟基和羧基，从而增强其离子交换能力和与水中重金属污染物络合，是一类高效重金属去除剂。研究表明，碳纳米管对各种重金属离子具有良好的去除效果，如 Pb²⁺、Cd²⁺、Cr⁶⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Hg²⁺，As³⁺ 和Ni²⁺ 等。

2纳米药剂的合成

可对纳米粒子的表面进行改性，以增强其对微细矿粒的捕收性和选择性，因此，研究纳米粒子的合成方法是非常重要的。乳液聚合反应是纳米粒子剂的合成的基础。纳米粒子的制备方法可分为液相法、气相法和固相法。

固相法主要包括机械球磨法、高温燃烧法和离子注入法。机械球磨法主要是通过对物料的粉碎和研磨等获得纳米级材料，该法可以获得纳米级材料、纳米合金和纳米复合材料。

燃烧合成法是由外部提供不低于系统内物质的化学反应所需的能量来诱导物料发生变化。系统中的不均匀热量导致系统局部产生热量，并继续使得化学反应持续进行，随着反应在整个系统中扩散，从而获得最终所需产物。

气相化学反应法是在保护气氛中快速冷凝挥发性的金属化合物来制备纳米颗粒的方法。它包括气相合成法和气相分解法。气相合成法是选用两种或两者以上物质在高温气相环境下经过快速冷凝而制备纳米粒子，其特点是具有互换性和灵活性。气相分解法是在气相中通过加热、蒸发和分解将待分解的化合物分解成不同的纳米颗粒，该方法可广泛应用于所有金属氧化物，特别是纳米薄膜材料的制备。

液相法是制备纳米粒子的有效方法，可分为水热法、还原法、沉淀法、乳化法和热分解法。化学沉淀法是将沉淀剂添加到金属盐的水溶液中，然后控制条件以获得沉淀物，再通过过滤、洗涤和加热获得金属纳米颗粒。水热法需要在高压釜中进行。乳化法是指用乳化剂将相互不相溶的单体和溶剂制成纳米乳液。

固相热分解法获得的纳米产物易于结块，纯度不高，成本高。优点是机械粉磨控制方便，产率高。气相反应法需要在良好的封闭环境中进行，所得纳米颗粒具有较高的纯度，分散性好，粒径小等。 液相法设备简单，操作方便，制备条件可控，但溶液中的副反应较多，机理较复杂。

3纳米技术浮选技术研究

3.1纳米粒子在矿物浮选中的应用

在各行各业中，纳米材料的应用都十分常见，相对于传统材料而言，纳米材料在粒子表面积、表面的活性矛自由能方面都具有十分显著的优势。除此之外，优良的吸附性能和光催化性能，也为纳米材料的应用提供了更多的方向。在模拟实验中，部分技术工作者将矿山中的矿物用玻璃珠代替，在对试验物品加以捕收和吸附时应用了纳米材料。铁元素的氧化物在自然界中是一种天然的矿物材料，其中具有的活性功能团不但数量巨大，而且吸附能力极强。若能够实现铁元素的氧化物与纳米材料的有机结合，即纳米铁氧化物，并在矿物加工中予以应用，作为一种捕收剂，将为有效提升回收微颗粒矿物的整体效率提供有力保障。

3.2纳米气泡材料在矿物浮选中的应用

在矿物浮选过程中，纳米材料的工作原理如下：首先，将空气通入液体内，形成大量气泡。一般情况下，技术人员还会辅以适量的捕收剂和起泡剂。至此，矿物中的物质发生分离，并附着在气泡上，气泡上升，并在液体表面浮动。其次，技术人员刮出气泡，并将需要分离的精矿加以提取。相对于普通气泡而言，纳米气泡的捕收能力较强，在矿石的浮选过程中，十分适用。而在固液界面上留存的纳米气泡又被称为超疏水。简而言之，矿物的接触角在纳米气泡的作用下明显提升，疏水性也就发生了显著的变化。在这种差异性的辅助下，技术人员的分离工作更加便捷，成本得到了有效的控制。

高速摄像机捕获气泡特征，然后经图像处理软件统计计算，可以确定纳米气泡的大比表面积和长寿命周期。图像分析发现气泡矿化过程可分为矿粒与气泡的碰撞、矿粒与气泡的粘附、气泡 - 矿粒复合物的漂浮和稳定的矿化泡沫层的形成几个阶段。溶解在液体中的气体量、外部压力、温度和矿粒粗糙的疏水表面都影响纳米气泡的形成：预先脱气的水中产生的气泡很少，这表明水中的气体溶解氧含量促进纳米气泡的产生；外部压力增大不影响气泡尺寸和形状。当外部压力降低时，水中气体的溶解量减少，而水中气体过饱和可促进纳米气泡的形成。疏水性颗粒表面的粗糙可促进纳米气泡的形成，而当表面光滑时纳米气泡的形成需要气体过饱和。微观角度分析表明，矿粒表面的凹陷处所形成的空隙正是纳米气泡形成的有利条件，气泡的弧度也直接影响气泡的稳定性：通过降低弧形曲率，可以提高气泡稳定性；气体在粗糙疏水表面上的强附着能力也可促进纳米气泡的形成。纳米气泡的存在可以使得微细粒级的白钨矿浮选回收率和浮选速率得到提升，这得益于纳米气泡和细粒矿物的碰撞几率增加。研究表明，纳米气泡可以在合适的油酸钠溶液中稳定存在1 h 以上，气泡稳定性好；随着油酸钠浓度的增加，纳米气泡的尺寸减小，并随着pH 值的增大而增加。

3.3纳米技术在选矿设备配件中的应用

由于在实际的工作过程中，选矿厂的磨矿衬板更换频率比较高，不仅大大限制了矿厂的生产质量，还导致整体费用提升。因此，利用纳米陶瓷材料替代传统的衬板材质，将大大降低衬板更换的频率。与此同时，陶瓷材料在衬板中的应用，还能够发生化学反应与摩擦电化学作用，促进能量与物质的交换。在设备的表面融入自修复纳米材料颗粒，以机械设备不解体为前提条件，将实现金属磨损位置的自主修复，大大降低摩擦系数，从而延长设备使用寿命。

结束语

利用纳米技术解决目前存在的微细粒矿物处理难题具有广阔的前景，应在以下三个方向突破：（1）将纳米材料特性与界面浮选理论结合起来，对纳米粒子进行改性，以改善浮选药剂对微细矿粒的捕收性能和选择性。（2）深入研究纳米气泡在浮选矿浆中的形成过程、形貌特征以及疏水矿粒在纳米气泡上的附着机理。（3）进一步研究纳米药剂的合成方法，合成新型浮选药剂，拓展其应用范围。

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