《Powder Technology》：Effect of heterogeneous hydrophobicity on bubble-particle detachment behavior
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本文通过部分石蜡浸渍法构建可控表面亲水性差异的球状玻璃微珠模型，结合准静态与动态气泡-颗粒分离实验系统，揭示亲水性比例变化对分离行为的影响机制。研究发现，亲水性差异通过调控三相接触线pinning强度和动态界面能量耗散，分别影响最大分离力与动态稳定性。准静态条件下，分离力随亲水性比例先增后减至11.60%时达峰值136.42 μN；动态条件下，临界分离振幅随亲水性比例单调递增。该成果为理解实际浮选体系中表面亲水性异质性调控气泡-颗粒作用机制提供了实验证据。
Xinhua Chen|Wenqing Shi|Youfei Zhang|Qinshan Liu|Hongji Chen|Shihao Ding|Yaowen Xing|Xiahui Gui
摘要
颗粒表面的疏水性是控制浮选效率的关键因素之一，其在调节气泡-颗粒分离行为中的作用长期以来一直受到研究关注。然而，大多数现有研究基于具有均匀表面特性的理想化球形颗粒模型，未能考虑到真实浮选颗粒表面普遍存在的异质疏水性及其对气泡-颗粒分离行为的影响。在本研究中，使用球形玻璃微珠作为模型颗粒，并采用部分石蜡浸渍法构建了具有可控疏水性比值的异质疏水表面。通过结合准静态和动态气泡-颗粒分离实验系统，系统地研究了疏水性比值变化对气泡-颗粒分离行为的影响。结果表明，异质疏水颗粒通过改变三相接触线的固定强度和动态界面能量耗散行为来调节最大气泡-颗粒聚集体分离力和动态稳定性。在准静态条件下，随着疏水性比值的增加，临界分离力先增加后减小，最终趋于一个稳定值。在最佳疏水性比值11.60%时，获得最大分离力（136.42 μN），这归因于初始接触线位于疏水-亲水边界附近，非均匀的界面结构通过延长接触线长度增强了接触线的固定效果。在动态条件下，临界分离幅度随疏水性比值的增加而单调增加。尽管最大分离力仍出现在最佳疏水性比值处，但疏水性比值的进一步增加会在振荡过程中促进疏水区域内的接触线周期性滑动，从而产生界面摩擦和能量耗散。这一过程在动态激励下增强了气泡-颗粒的稳定性，导致临界分离幅度增加。本研究为异质疏水性影响气泡-颗粒分离行为的机制提供了实验证据。这些结果为解释浮选系统中的气泡-颗粒相互作用提供了机制上的见解。
引言
浮选是一种利用矿物颗粒表面疏水性的差异来分离有价值矿物和脉石矿物的分离过程，在提高矿物品位和促进资源综合利用方面发挥着不可替代的作用[1]、[2]、[3]、[4]。浮选效率主要由颗粒与气泡之间的三个子过程决定：碰撞、附着和分离，其中附着和分离受到颗粒表面疏水性的显著影响[5]、[6]、[7]、[8]。然而，浮选性能表现出显著的“尺度效应”，特别是对于粗颗粒，分离被认为是低回收率的主要原因[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。颗粒与气泡之间的毛细力是确保气泡-颗粒聚集体稳定性的主要粘附力，而重力和湍流应力是主要的脱离力[14]、[15]。一旦脱离力超过粘附力，聚集体就会不稳定，从而导致分离[16]。因此，颗粒表面疏水性是控制气泡-颗粒相互作用稳定性的关键因素。深入研究疏水性如何影响分离行为的机制对于提高浮选的上限颗粒尺寸具有重要意义。
力平衡分析被广泛用于研究气泡-颗粒相互作用，通过构建力平衡模型来评估影响气泡-颗粒聚集体稳定性的因素[17]、[18]。在Nutt[19]的理论框架基础上，Schulze[20]和Nguyen[9]改进了力平衡模型，该模型假设颗粒是一个光滑的球体，并且三相接触线关于Z轴对称分布。毛细力表示为：其中Rp表示颗粒半径，σ是液体表面张力，θ表示接触角，α是颗粒中心角，定义为三相接触线在颗粒中心所张角度的一半。如方程(1)所示，毛细力是颗粒半径和接触角的函数。由于接触角是颗粒疏水性的关键指标[21]、[22]、[23]，因此研究颗粒疏水性对于定量评估毛细力的大小以及预测气泡-颗粒聚集体的稳定性至关重要。
基于上述理论力平衡模型，全球研究人员通过实验研究了疏水性对气泡-颗粒聚集体稳定性的影响，取得了显著进展。Han等人[23]系统测量了不同疏水性程度下气泡与基底之间的最大粘附力；他们的结果表明，疏水性是气泡与基底之间粘附力大小的关键决定因素。Spyridopoulos等人[24]通过实验验证了颗粒表面疏水性对粘附力的影响，证明了疏水性与粘附力之间的正相关关系。此外，Zhang等人[25]使用张力计和观察系统研究了疏水性对碰撞诱导分离的影响。他们的发现表明，随着颗粒疏水性的增加，碰撞过程中的分离概率降低。Chen等人[26]使用振荡网格系统研究了疏水性对气泡-颗粒聚集体分离动力学的影响，发现气泡-颗粒聚集体的粘附稳定性与颗粒疏水性呈正相关。然而，目前关于颗粒疏水性的研究主要基于均匀疏水性的理想化假设来探索控制气泡-颗粒相互作用的机制。在实际浮选系统中，颗粒表面的疏水性通常表现出异质分布[27]、[28]、[29]。近年来，越来越多的研究致力于阐明表面化学异质性如何调节气泡-固体界面行为。Chen等人[30]证明，扩大疏水区域可以促进三相接触线的扩展并增强界面相互作用，从而降低颗粒分离的可能性。Bozon等人[31]报告称，表面不均匀性可以引入弱固定点，使表观接触角发生偏移，使得均匀接触角模型无法准确捕捉界面行为。尽管如此，对异质疏水性如何控制气泡-颗粒过程的机制理解仍然有限。此外，浮选过程涉及一个复杂的多相环境，包括矿浆相、泡沫相和相界面[32]、[33]。在这个系统中，准静态力平衡过程（包括气泡在相界面处的平衡和分离[32]、[34]）与动态扰动下的响应行为（涉及气泡-颗粒振动和由湍流引起的分离[14]、[35]）共存。因此，系统研究异质疏水性在准静态和动态条件下如何影响气泡-颗粒分离行为的机制具有重要的理论价值和实践意义。
在本研究中，使用具有异质疏水性的球形玻璃微珠作为研究对象。通过结合准静态和动态气泡-颗粒分离实验，系统研究了异质疏水性对分离行为的影响。分析特别关注了潜在的影响机制，旨在阐明异质疏水性在气泡-颗粒分离过程中的作用机制。
材料
本研究中使用的固体颗粒为直径为2毫米的球形光滑玻璃微珠。在疏水改性之前，颗粒表面分别用无水乙醇和去离子水超声清洗5分钟。随后，使用等离子清洗器处理颗粒以去除残留的有机污染物，并确保后续表面改性的一致性和可重复性。所有实验均使用超纯
准静态条件下异质疏水性对分离行为的影响
图4显示了准静态条件下气泡-颗粒分离的典型分离力-位移曲线。如图所示，在初始状态(a)中，颗粒和气泡处于自然附着的平衡状态，分离力为零；所有实验都保持相同的压痕深度。随后，启动升降平台，使气泡向下远离颗粒。在此阶段，气泡发生拉伸，
结论
本研究通过建立准静态和动态条件下的实验系统，系统阐明了异质疏水性影响气泡-颗粒分离行为的机制。主要结论如下：结果表明，异质疏水颗粒通过改变三相接触线的固定强度和
CRediT作者贡献声明
Xinhua Chen：撰写——原始草稿，可视化，方法论，正式分析，数据管理，概念化。Wenqing Shi：可视化，软件，数据管理，概念化。Youfei Zhang：方法论，研究。Qinshan Liu：软件。Hongji Chen：正式分析。Shihao Ding：撰写——审阅与编辑，方法论，研究，资金获取。Yaowen Xing：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。Xiahui Gui：监督，资源，资金
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
本工作得到了江苏省自然科学基金（BK20251629、BK20240014、BK20240106）、国家自然科学基金（52504317、52574331、52425407）以及CPSF博士后奖学金计划（GZC20251231）的支持。
