《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Advancements and prospects in measurement methods for bubble-particle interaction forces in mineral flotation
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气泡-颗粒界面力对矿物浮选效率的影响机制及测量技术研究，系统综述了间接（离心、振动、高速成像）和直接（AFM、压电、电容传感器等）测量方法，分析了各技术的原理、适用范围及局限性，提出当前挑战与未来发展方向。
周博博|桂霞辉|赵新怡|李哲|杨学松|王磊|刘秦山|邢尧文
中国矿业大学焦煤资源绿色开采国家重点实验室，徐州221116，中国
摘要
气泡与颗粒之间的界面力是控制矿物浮选回收效率的基本物理化学因素。三个关键子过程——气泡-颗粒碰撞、附着和脱离——都受这些力的影响，它们共同决定了浮选的选择性和回收率。因此，深入研究气泡-颗粒相互作用对于阐明浮选过程的微观机制至关重要。在这方面，力测量技术已成为不可或缺的研究工具。本综述系统地探讨了量化气泡-颗粒相互作用力的各种实验方法，包括间接方法（如离心、振动和高速动态成像）和直接测量技术，包括原子力显微镜（AFM）、压电双晶系统和电容式力传感器。特别关注基于AFM的气泡-颗粒相互作用力测量的原理和最新进展。此外，还对这些测量中使用的仪器组件、工作原理和力传感器进行了批判性分析，并比较了每种方法的优点和适用力范围。最后，指出了该领域当前面临的挑战和技术限制。这项工作为推进矿物浮选中的气泡-颗粒相互作用力测量技术提供了重要的理论和方法论见解，这对进一步深入研究浮选机制具有重要意义。
引言
浮选是细粒矿物选矿最有效的方法[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，它基于矿物表面物理化学性质的不同来选择性分离有价值的矿物和脉石[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。浮选系统由水、矿物颗粒、气泡和浮选药剂组成的复杂多相混合物[11]，[12]，[13]，[14]，[15]。气泡-颗粒相互作用包括三个关键过程：碰撞、附着和脱离[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]。疏水性颗粒附着在气泡上形成矿化聚集体并进入精矿[22]，[23]，而亲水性颗粒则留在矿浆中作为尾矿排放[24]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]。因此，气泡-颗粒相互作用是浮选的基本行为，直接决定了浮选的效率[31]，[32]，[33]，[34]，[35]。颗粒附着的关键步骤是中间液膜的变薄和随后的破裂[36]，[37]，[38]，[39]。对于疏水性颗粒，这种液膜在热力学上是不稳定的，促进了破裂和附着[40]，[41]，[42]。相比之下，亲水性颗粒在颗粒-气泡界面保持稳定的液膜，从而抑制了气泡对颗粒的捕获[43]，[44]，[45]，[46]。因此，理解这些相互作用对于优化浮选过程、提高浮选效率和最大化经济效益至关重要[47]，[48]，[49]，[50]。系统研究气泡-颗粒相互作用力对于改进复杂矿物的分选过程以及提高矿山企业的质量和效率具有重要的科学和实践意义[51]，[52]。
自20世纪30年代以来，微/纳米尺度上的气泡-颗粒附着现象引起了广泛的研究兴趣[53]，[54]，[55]，[56]，[57]，[58]。1968年，Tabor等人[59]开发了表面力装置（SFA），实现了0.1 μN分辨率的云母表面之间的力测量。Israelachvili和Pashley[60]，[61]随后使用SFA量化了疏水性云母表面之间的界面力，提供了固体表面之间存在长程疏水吸引力的首个直接证据[62]，[63]。Castillo等人[64]进一步使用改进的Stokes-Reynolds-Young-Laplace模型结合SFA研究了气泡-云母相互作用中的表面力和流体动力学，描述了膜轮廓的时间演变。然而，气泡表面的固有可变形性给定量测量疏水力带来了重大挑战，常常影响测量的稳定性。随着时间的推移，出现了一系列新的实验技术来克服这些限制并研究气泡-颗粒相互作用力[65]，[66]。
尽管在相关测试技术的发展上付出了大量努力，但仍然缺乏对现有方法的系统回顾——特别是在其技术演变、适用范围以及各自的优缺点方面。因此，本综述提供了测试气泡-颗粒相互作用力的技术的全面概述，将这些技术分为间接方法和直接方法。回顾的技术包括离心、振动和高速动态成像方法，以及原子力显微镜（AFM）、压电双晶、用于可变形表面的力装置（FADS）、微牛顿天平、电容式微力传感器和电阻桥力传感器。详细阐述了每种技术的力测试原理、装置组件、应用和发展，并对其各自的优点和局限性进行了批判性讨论。最后，总结了当前力测量技术面临的挑战和技术限制，并概述了未来的发展方向。
通过提供各种测试技术的详细介绍和比较，本综述填补了该领域的一个关键空白，并提供了深入的分析和见解。这项工作不仅为学术界提供了理论指导，也为工程实践中的技术选择和创新提供了有价值的参考。此外，预计它将促进气泡-颗粒相互作用力测量技术的创新发展和大规模应用，从而为推进矿物浮选过程的机理研究和其他相关学科的进步奠定理论和技术基础。
部分摘录
固定气泡的方法
在浮选中测量气泡-颗粒相互作用力时，固定气泡至关重要，主要体现在三个方面：首先，固定的气泡通过消除自由气泡运动引起的流体扰动，提供了稳定的机械环境，确保实验的可控性和数据可重复性。其次，固定的气泡为精确测量微观相互作用力提供了基础，为AFM等仪器提供了静态参考框架
间接力测量方法
在研究的初期阶段，力测量仪器的技术限制使得必须使用间接方法来计算和分析气泡与颗粒之间的相互作用力。常见的方法包括离心法、振动法和高速动态成像法。
直接力测量方法
本节系统回顾了六种主要的直接测量气泡-颗粒相互作用力的方法：AFM、压电双晶系统、FADS、微牛顿天平、电容式微力传感器和电阻桥力传感器。表2总结了这些方法的综合比较分析，包括它们各自的工作原理、测量范围和位移/力分辨率。
挑战与展望
测量气泡-颗粒相互作用力的方法存在一系列重要的技术挑战和机遇，需要系统探索。最近，新发明的微牛顿力学测试仪实现了绝对表面分离距离和相互作用力的直接简单测量，通过电容或电阻传感器等电学方法的力测试技术也在出现。当然，仍有很大的改进空间
结论
本文全面回顾了当前最先进的测量气泡-颗粒相互作用力的技术——这些技术在近年来取得了显著进展，现在已成为探索浮选过程中微/纳米尺度机制的关键手段，对解读界面行为和提高矿物浮选系统的回收性能具有关键意义。
CRediT作者贡献声明
周博博：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，资源，方法论，调查，形式分析。桂霞辉：撰写——审稿与编辑，资源，项目管理，资金获取。赵新怡：资源，方法论，形式分析。李哲：撰写——审稿与编辑，资源，形式分析。杨学松：方法论，形式分析，概念化。王磊：资源，方法论。刘秦山：方法论，形式分析。邢尧文：撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52204064、52574331和52553005）、江苏省自然科学基金（BK20240106、BK20240014）以及国家自然科学基金的中德科学家合作与交流项目（资助编号：M-0230）的支持。
