论文标题：Selective Agglomeration and Separation from Heterogeneous Suspensions of Submicron Particles by Controlling Electrostatic Particle Interactions

论文链接：https://www.mdpi.com/2674-0516/3/3/20

期刊名：Powders

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/powders

在化学、机械和制药工程等诸多领域中，为获得高纯度产品或回收昂贵/稀缺材料，多组分颗粒混合物的分离始终是一项根本性挑战。对于粒径小于 1 μm 的异质多组分体系而言，颗粒界面性质及其相互作用尤为关键。无论是分离均相颗粒体系，还是处理包含亚微米颗粒的非均相混合物，都必须依赖颗粒所具有的某些特性，使其能够直接作为分离依据或用于放大其他可利用的差异。

本研究通过对有机颗粒 AQ 和无机颗粒 ZrO2 的分散、团聚及分离行为进行系统研究，以揭示亚微米颗粒在可控静电作用下的选择性团聚机制。首先，两种材料分别采用搅拌式珠磨机进行湿法细磨，并在 pH = 11 的碱性条件下制备稳定悬浮液。其中 AQ 颗粒利用聚合物-表面活性剂复合物实现电-空间位阻稳定，而 ZrO2 则通过静电排斥获得稳定性。所得样品经 DCS 与 DLS/LD 测量确定颗粒粒径特征。

图示为选择性聚集分离原理。

在团聚实验中，将悬浮液在设定离子强度条件下调节至目标 pH（5–11），并在磁力搅拌下保持 5分钟，以诱导不同程度的颗粒团聚。对于二元体系，通过改变 ZrO2 与 AQ 的体积分数比研究异质体系中的选择性团聚行为。随后，将样品离心并取上清液，经高温灼烧分别测定 ZrO2 与 AQ 的残余质量，以计算各组分的回收率，从而评估团聚后的可分离性。为进一步分析团聚特征，采用 DLS、LD 与 DCS 对颗粒分布进行表征，并利用电声谱法测定不同 pH 条件下颗粒的 ζ 电位。显微形貌与元素分布则通过 SEM/EDX 获得。此外，还通过流变测试评估悬浮液的黏度变化。

在理论分析方面，基于 DLVO 理论，计算 van der Waals 吸引力与双电层相互作用能，结合 Hamaker 常数修正及双电层厚度估算，获得粒子间总作用能 VT。通过绘制能量曲线及计算稳定因子 Wij，对颗粒体系的稳定性、团聚趋势及异质/同质团聚行为进行定量评估。

悬浮液组成和液-粒环境性质的变化表明，ZrO2颗粒的选择性团聚能够实现两种材料的优异分离，分离效率高达97%。特别是，各颗粒组分的数量分数可作为优化团聚过程的有效参数。例如，如果悬浮液的组成特性不匹配，可以通过有意添加待分离物质的小颗粒来调整合适的条件。研究表明，颗粒数分数在0.6-0.8范围内效果最佳。此外，对颗粒相互作用的理论分析有助于缩小参数范围，从而获得理想的选择性团聚效果。这些理论分析能够预测在哪些特征pH范围内，所需的团聚效应最为显著，分离效率也最高。然而，这些研究也表明，计算无法令人满意地描述分离效果与颗粒数分数之间的关系。尽管从工程角度来看，这些方法非常有用，但由此得出的结论本质上是定性的。本文讨论了造成这些结果的原因，以及未来如何整合更先进的计算模型。

Powders期刊介绍

主编：Paul F. Luckham, Imperial College London, UK

主要发表有关粉末合成、处理、加工和表征、粉末系统和颗粒体的科学和工程研究文章。