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脂肪酸溶液起泡性及表面活性剂在泡沫与溶液相间转移的研究报告

作者及机构
本研究由加拿大不列颠哥伦比亚大学（The University of British Columbia）Norman B. Keevil矿业工程研究所的Avishan Atrafi和Marek Pawlik共同完成，发表于2017年的《Minerals Engineering》期刊（卷100，页99-108）。研究聚焦于矿物浮选领域的关键问题——脂肪酸类捕收剂的起泡行为及其界面化学机制。

学术背景
在泡沫浮选（froth flotation）工艺中，气泡稳定性直接影响矿物回收效率。脂肪酸（fatty acids）作为常用捕收剂，其链长对泡沫行为的影响机制尚不明确。传统研究多关注气泡在溶液中的分散性（gas dispersion），而忽略泡沫相（foam phase）与溶液相（solution phase）间的表面活性剂分配规律。本研究通过对比不同碳链长度（己酸C6、月桂酸C12、油酸C18）脂肪酸的起泡性（foamability），结合临界聚并浓度（critical coalescence concentration, CCC95）分析，揭示了泡沫稳定性的微观机制。

研究流程
1. 试剂与溶液制备
- 研究对象：钠盐形式的己酸（hexanoate）、月桂酸（laurate）、油酸（oleate），以及对照试剂十二烷基硫酸钠（SDS）和十八烷基硫酸钠（ODS）。
- 溶液条件：调节pH（3.7–10）和离子强度（添加NaCl或CaCl2），模拟实际浮选环境。

1. 起泡性测试

   • 装置：三组并联玻璃柱（高1 m，内径4.3 cm），底部配置多孔玻璃板生成气泡，通过质量流量计控制气流速率（400 mL/min）。
     
   • 方法：记录泡沫体积随时间的变化，计算气体滞留量（total gas volume）和泡沫增长率（foam growth rate）。
     
   • 创新点：同步测定溶液相的总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）浓度，量化表面活性剂向泡沫相的转移率。
     

2. 水含量与吸附分析

   • 通过收集溢出泡沫，测定其水含量（vol.%）及表面活性剂浓度，结合TOC数据计算吸附密度（adsorption density）。
     
   • 对比不同链长试剂在泡沫中的分配差异，验证界面吸附机制。
     

3. 气泡尺寸关联性实验

   • 结合前期研究（Atrafi & Pawlik, 2016）的CCC95数据，分析气泡聚并行为与泡沫稳定性的关系。
     

主要结果
1. 链长依赖性起泡行为
- 短链（C6/C12）试剂生成湿润泡沫（wet foams），水含量达25%–30%，表面活性剂转移率低于20%，表明界面吸附密度低。
- 油酸钠（C18）形成干燥稳定泡沫（dry foams），水含量仅15%，转移率超60%，归因于高吸附密度和薄液膜（<10 nm）的“黑膜”（black films）形成。

1. 临界聚并浓度（CCC95）的决定性作用

   • 所有试剂的起泡性均需溶液浓度高于CCC95。例如，油酸钠在pH 10的CCC95为5.8×10⁻⁵ mol/L，当浓度低于此值时，泡沫迅速坍塌。
     
   • 证明气泡在进入泡沫相前需具备抗聚并稳定性，否则无法支撑泡沫柱。
     

2. 胶体沉淀的抑制作用

   • 酸性条件下（pH<8.1），油酸胶体（colloidal oleic acid）析出完全抑制起泡，即使添加MIBC（甲基异丁基甲醇）也无法改善，说明胶体颗粒无法通过气泡夹带转移。
     

3. 电解质效应

   • 0.01 mol/L NaCl加速油酸向泡沫相转移，但过量Ca²⁺（0.0036 mol/L）因生成油酸钙沉淀导致泡沫完全消失，与工业浮选中钙离子干扰现象一致。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次建立脂肪酸链长-吸附密度-泡沫类型的定量关系，提出“泡沫稳定性源于气泡进入泡沫相前的抗聚并能力”的新观点。
- 揭示CCC95作为预测起泡性的关键参数，弥补了传统表面张力分析的局限性。

1. 应用意义
   
   • 为浮选药剂设计提供指导：长链脂肪酸（如油酸）适用于需稳定泡沫的体系，而短链试剂更适合抑制过度起泡。
     
   • 解释了工业中钙离子导致泡沫崩溃的机理，建议通过pH调控避免胶体生成。
     

研究亮点
1. 方法创新：TOC动态监测技术实现了表面活性剂相间转移的实时量化。
2. 理论突破：提出“黑膜”形成需高吸附密度的长链分子，为薄膜稳定性研究提供新案例。
3. 交叉验证：将气泡分散（gas dispersion）与泡沫稳定性数据关联，构建了从溶液相到泡沫相的完整动力学模型。

其他发现
- 十八烷基硫酸钠（ODS）在50°C下表现出近乎完全的表面活性剂转移（>90%），但其高温需求限制了工业适用性，提示链长与溶解度的权衡需进一步研究。