[科普中國(guó)]-表面力

基本概念

表面力是作用在所研究流體外表面上與表面積大小成正比的力，也就是周圍流體作用于分離體表面上的力。表面力與流體的表面積成正比。作用于流體中任一微小表面上的力又可分為兩類，即垂直于表面的力和平行于表面的力。前者為壓力，后者為剪力（切力）。靜止流體只受到壓力的作用，而流動(dòng)流體則同時(shí)受到兩類表面力的作用。

分類表面力可以分為沿表面內(nèi)法向的法向分力和沿著表面切向的摩擦力。單位面積上的法向力稱為正應(yīng)力，單位面積上的切向力就是流體粘性引起的切應(yīng)力。無(wú)論流體處于靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，法向力始終存在，并且根據(jù)流體性質(zhì)只能是壓力。流體黏性所引起的內(nèi)摩擦力就是切向力，靜止（或者相對(duì)靜止）流體以及處于運(yùn)動(dòng)的理想流體都不存在內(nèi)摩擦力，因而切向力為零。1

表面力與微細(xì)粒礦物分選研究現(xiàn)狀及展望礦物分選體系中，分選區(qū)內(nèi)礦粒所受的作用力很多，如重力、磁力、浮力、離心力、壓力梯度力、流體繞流阻力、虛假作用力、礦粒間的范德華力、礦粒間的結(jié)構(gòu)力、礦粒間的疏水作用力、表面張力等。按本質(zhì)，這些力可以分為兩類：質(zhì)量力和表面力。前者與質(zhì)量有關(guān)，后者存在于分子、原子或分子（原子）集合體之間，與顆粒表面有關(guān)，包括礦粒間的范德華力、結(jié)構(gòu)力、疏水力、表面張力等，作用范圍一般不超過(guò)100nm。因此，當(dāng)?shù)V粒細(xì)至亞微米級(jí)時(shí)，表面力的作用占主導(dǎo)地位；當(dāng)?shù)V粒粒度大于10μm 時(shí)，質(zhì)量力占主導(dǎo)地位；而對(duì)微米級(jí)礦粒，表面力與質(zhì)量力并存?？傊砻媪?duì)微細(xì)粒礦物（通常指小于10μm或20μm）分選具有重要意義。這不僅表現(xiàn)在以表面力為基礎(chǔ)的浮選、聚團(tuán)分選及微粒和超細(xì)粒的過(guò)濾，對(duì)其它方法，如重選和磁選也是如此。2

就一般浮選而言，礦粒與氣泡的碰撞和附著過(guò)程中，表面力起著重要作用。隨著礦粒與氣泡間距逐漸減小，當(dāng)其間距達(dá)到100nm以內(nèi)時(shí)，各種表面力開(kāi)始發(fā)生作用，這些力是范德華力、雙電層作用力、疏水作用力及結(jié)構(gòu)力。

當(dāng)親水礦粒與氣泡作用時(shí)，范德華力、雙電層作用力及結(jié)構(gòu)力起作用，在大多數(shù)情況下，三者均表現(xiàn)為斥力。當(dāng)疏水礦粒與氣泡作用時(shí)，范德華力、雙電層作用力及疏水作用力起作用，前二者表現(xiàn)為斥力，而疏水作用力是疏水礦粒在水中產(chǎn)生的一種很強(qiáng)的吸引力，作用距離為10nm，其數(shù)值通常比范德華力或雙層靜電力大一到二個(gè)數(shù)量級(jí)，故疏水作用力是疏水礦粒與氣泡作用的關(guān)鍵力。2

微細(xì)粒礦物的主要特征是比表面積大，質(zhì)量小。物理特性不顯著，不可能用物理方法分選，甚至浮選方法也難以奏效。微細(xì)粒礦粒由分散狀態(tài)團(tuán)聚以減少表面自由能是熱力學(xué)自發(fā)過(guò)程，互凝是極普遍的現(xiàn)象。但是，微粒礦物的互凝必然影響礦物分選過(guò)程，降低甚至破壞分選的選擇性。因此，就微細(xì)粒礦物的有效分選而言，對(duì)抗互凝使礦粒處于最佳分散狀態(tài)是微細(xì)粒分選成功的必要前提，解決好二者的矛盾便是實(shí)現(xiàn)微細(xì)粒礦物分選的有效途徑。這些途徑包括：（1）選擇性團(tuán)聚浮選法。其中高分子絮凝和疏水性團(tuán)聚浮選是微細(xì)粒礦物回收的有效途徑之一，其實(shí)質(zhì)是利用礦粒間的（固相-固相）表面力的差異分選的過(guò)程；（2）傳統(tǒng)工藝（重選、磁選）與界面分選相結(jié)合的磁種團(tuán)聚-選擇性絮凝-重迭法；磁選與界面分選相結(jié)合的選擇性磁罩蓋-磁選分離新工藝都是利用礦物表面性質(zhì)（力）實(shí)現(xiàn)微細(xì)粒物料有效分選的例證。此外，選擇合適的力場(chǎng)（含復(fù)合力場(chǎng)）和工藝條件（如添加藥劑的化學(xué)作用強(qiáng)化分選，適宜的礦漿pH值）也可以實(shí)現(xiàn)微細(xì)粒礦物的有效分離。2