摘要：

本文通過分析典型離子型與非離子型起泡劑的界面行為，探討其對泡沫性能的影響機(jī)制。結(jié)果表明，離子型起泡劑在相同濃度下表現(xiàn)出更低的表面張力和更高的泡沫擴(kuò)張模量，因而具有更強(qiáng)的起泡能力和更優(yōu)的泡沫穩(wěn)定性。隨著濃度增加，離子型起泡劑的表面張力逐漸降低，擴(kuò)張模量持續(xù)升高，泡沫的起泡能力與穩(wěn)定性同步增強(qiáng)；而對非離子型起泡劑而言，盡管表面張力隨濃度上升而下降、起泡能力提高，但其擴(kuò)張模量卻隨之減小，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性降低。該差異源于兩類起泡劑分子在氣液界面的吸附動(dòng)力學(xué)與膜力學(xué)行為的不同。

引言

泡沫浮選是一種基于礦物與脈石表面潤濕性差異的選礦技術(shù)，其過程發(fā)生在固-液-氣三相交界區(qū)域。浮選藥劑通過調(diào)控界面性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)礦物的選擇性分離。其中，起泡劑主要作用于氣液界面，影響氣泡的生成、尺寸分布及壽命，從而決定浮選效率。起泡劑的作用不僅體現(xiàn)在降低溶液表面張力以促進(jìn)氣泡形成，還體現(xiàn)在增強(qiáng)泡沫膜的機(jī)械強(qiáng)度，提升泡沫穩(wěn)定性。

已有研究表明，起泡劑濃度變化會顯著影響泡沫半衰期、表面張力及界面流變特性。泡沫穩(wěn)定性的本質(zhì)與氣液界面的粘彈性密切相關(guān)，而界面擴(kuò)張模量是衡量界面抵抗形變能力的重要參數(shù)。因此，深入理解不同類型起泡劑在不同濃度下的界面行為，對于優(yōu)化浮選工藝具有重要意義。

本文選取典型的離子型起泡劑十二烷基硫酸鈉（SDS）與非離子型起泡劑仲辛醇作為研究對象，利用界面流變技術(shù)系統(tǒng)分析其表面張力與擴(kuò)張模量的變化規(guī)律，揭示起泡劑類型與濃度對泡沫性能的影響機(jī)制。

1.實(shí)驗(yàn)方法

采用上升氣泡法測定溶液的表面張力，利用界面流變儀結(jié)合小幅低頻振蕩技術(shù)測量氣液界面的擴(kuò)張模量。實(shí)驗(yàn)過程中，通過控制正弦擾動(dòng)改變氣泡表面積，記錄相應(yīng)的表面張力響應(yīng)，并根據(jù)公式計(jì)算界面擴(kuò)張模量：

其中$E$為擴(kuò)張模量，$gamma$為表面張力，$A$為界面面積。該方法可有效反映界面膜在動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下的恢復(fù)能力，進(jìn)而評估泡沫穩(wěn)定性。

2.結(jié)果與討論

2.1離子型起泡劑（十二烷基硫酸鈉）的界面行為

十二烷基硫酸鈉作為一種陰離子表面活性劑，在水溶液中能夠有效降低表面張力。隨著濃度的增加，其分子逐步富集于氣液界面，導(dǎo)致表面張力持續(xù)下降。當(dāng)濃度接近臨界膠束濃度（CMC）時(shí)，界面趨于飽和吸附，表面張力達(dá)到最低值并保持穩(wěn)定。該趨勢表明，SDS分子在界面的有序排列顯著降低了體系的表面能，從而增強(qiáng)了起泡能力。

與此同時(shí)，SDS溶液的界面擴(kuò)張模量隨濃度增加而增大。這歸因于其較強(qiáng)的界面膜強(qiáng)度和快速的分子擴(kuò)散與再吸附能力。當(dāng)泡沫界面受到外界擾動(dòng)時(shí)，高濃度下的SDS分子能迅速從體相遷移至界面，補(bǔ)償因面積擴(kuò)張引起的表面濃度下降，從而維持較高的表面張力響應(yīng)，表現(xiàn)出較大的擴(kuò)張模量。這一特性賦予其生成的泡沫良好的抗破裂能力，提升了整體穩(wěn)定性。

此外，由于SDS分子帶有電荷，其在界面形成的雙電層結(jié)構(gòu)也增加了相鄰氣泡間的靜電排斥作用，進(jìn)一步抑制了泡沫聚并，延長了泡沫壽命。

2.2非離子型起泡劑（仲辛醇）的界面行為

仲辛醇作為非離子型起泡劑，同樣具備降低表面張力的能力。隨著濃度升高，其分子逐漸吸附于氣液界面，使表面張力下降，并在達(dá)到一定濃度后趨于平臺，表明界面吸附趨于飽和。

然而，與離子型起泡劑不同的是，仲辛醇溶液的界面擴(kuò)張模量隨濃度升高而呈現(xiàn)下降趨勢。這一現(xiàn)象可能與其分子結(jié)構(gòu)及界面動(dòng)力學(xué)有關(guān)。仲辛醇分子缺乏電荷相互作用，界面膜主要依賴范德華力和氫鍵維持結(jié)構(gòu)完整性。在高濃度條件下，體相中分子濃度過高可能導(dǎo)致界面分子排列過于密集或發(fā)生局部堆積，反而削弱了界面膜對外界擾動(dòng)的響應(yīng)能力。同時(shí)，高濃度下分子擴(kuò)散速率受限，界面修復(fù)機(jī)制變慢，導(dǎo)致擴(kuò)張模量降低。

盡管仲辛醇能有效降低表面張力并提升起泡能力，但由于其界面膜的粘彈性較差，泡沫在受到剪切或擾動(dòng)時(shí)更容易破裂，因此泡沫穩(wěn)定性相對較弱。

比較兩類起泡劑可見，離子型起泡劑在相同濃度下通常具有更低的表面張力和更高的擴(kuò)張模量，因而兼具優(yōu)良的起泡性和穩(wěn)泡性；而非離子型起泡劑雖能有效起泡，但在高濃度下存在泡沫穩(wěn)定性下降的風(fēng)險(xiǎn)。

3.結(jié)論

1.起泡劑濃度的增加普遍有助于降低表面張力，提升起泡能力。

2.對于離子型起泡劑（如十二烷基硫酸鈉），隨著濃度上升，界面擴(kuò)張模量增大，泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)，體現(xiàn)出優(yōu)異的綜合泡沫性能。

3.對于非離子型起泡劑（如仲辛醇），雖然起泡能力隨濃度增加而增強(qiáng)，但其擴(kuò)張模量隨濃度升高而減小，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性下降。

4.離子型起泡劑因其較強(qiáng)的界面吸附能力和電荷效應(yīng)，在起泡能力和泡沫穩(wěn)定性方面均優(yōu)于非離子型起泡劑。

本研究從界面物理化學(xué)角度揭示了不同類型起泡劑的作用機(jī)制，為浮選藥劑的選擇與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。