Nanomorphology effects on the bioactivity and chemical activity of metal oxides, sulphides, and silicates

Gruveindustrien står nå ovenfor utfordringer knyttet til bærekraftig utvinning av stadig mer komplekse og fattige malmer. Dette krever kunnskap om hvordan svært små mineralpartikler vil reagere under prosessering av malmen. Dette gjelder spesielt under flotasjon. Modellene som er tilgjengelige forklarer ikke fullt ut hva som skjer på grenseflaten mellom mineralfasen og flotasjonsvæskene under flotasjon og bioflotasjon. Prosjektet svarer på behovet for en bedre kunnskapsbase, målet er en modell som bedre kan forutse interaksjonene mellom submikron- og nanopartikler og overflateaktive makromolekyler eller bakterier som er relevante for prosessering av malm. Hovedmålet er å forstå hvorfor og hvordan morfologiske egenskaper i nanoskala (størrelse, fasong, porøsitet, nanostrukturer på overflaten) til metalloksid, -sulfid og -silikater påvirker om mineralpartiklene blir separerte ved flotasjon eller bioflotasjon. Vi ønsker å finne svar på to grunnleggende spørsmål: Først, hvordan og hvorfor påvirker nanomorfologien (størrelse, fasong og nanoporøsitet) til partiklene adsorpsjonsegenskaper, syre-base-egenskaper, løselighet og utfelling under gitte flotasjonsparametre? Videre, hvordan og hvorfor påvirker disse egenskapene interaksjoner mellom nanopartikler og bakterier? Svaret på spørsmålene over vil hjelpe oss til å utvikle flotasjonsprosedyrer som både kan være mer økonomiske og bedre for miljøet. I tillegg vil denne kunnskapen være verdifull for å kunne forstå nanotoksisitet og for bruken av nanopartikler til å fjerne miljøgifter. Resultater: Egenskapene i interfasen mellom finmalte mineralpartikler (< 20 microns) og to soforolipid (laktonform og syreform) er utført. Analysene har inkludert infrarød spektroskopi (FTIR), analyser av skummet, måling av zeta-potensial, kontaktvinkel og statisk overflatespenning sammen med flotasjonstester. Resultatene ble sammenlignet med kjente miljøvennlige reagenser: N-Dodecyl-B-maltosid (sukkerbasert molekyl) og natrium-oleat (fettsyre). Mineralpartiklene ble karakteriserte med XRF, BET, DLS og ved å måle zeta-potensialet. På bakteriesiden er det arbeidet med bakterien Rhodococcus opacus og hvordan den kan tilpasse seg nanopartikler med jern og med kopper. Mikroskopering viste at bakteriene bandt seg bedre til partiklene, og de fikk en endring i zeta-potensialet. Forbedring i binding av nanopartiklene fører til økt utfelling av partikler fra løsning (kvantifisert ved ICP-MS). Videre arbeid består i å publisere disse resultatene og arbeide videre med å studere hvordan bakterielle polysakkarider og soforolipidene interagerer med CeO2 og andre mineraler ved hjelp av metodene nevnt over.

-

Processes at nano-biointerfaces are at the cutting edge of research towards innovations in many society-formative technologies ranging from nanomedicine to ore processing, recycling, and the environment protection. The proposed research program is the first attempt to carry out a systematic fundamental study to determine the effect of changing the physical (particle size, shape, surface roughness/porosity) and chemical properties (surface energy, crystallinity, surface charge, structure of adsorption sites, hydrophobicity) of nanoparticles (NPs) on adsorption of selected surfactants, exopolysaccharides and proteins as well as on interaction of bacteria based on direct molecular-level in situ spectroscopic data about reactivity of NPs. Results of this study will advance fundamental understanding of the parameters that govern (bio)chemical activity and the environmental impact of nanostructured materials. The acquired knowledge is the key to designing selective interactions of minerals with reagents and will ultimately end in developing new environmentally sound and cost-effective (bio)chemical schemes of flotation and the environment remediation/ detoxification. We are aiming at establishing correlation between nanomorphology (nanosize, shape, and nanoporosity) of NPs and their adsorption properties and their interaction with different classes of surfactants, biomolecules, and bacteria from a perspective to overcome the problem of changed floatability of minerals when their size is submicron and/or their surface has nanoirregularities (pits, hills, and nanopores) or even employ this effect as a novel source of enhanced and selective reactivity of minerals. The project will promote innovations in adapting existing research methods and developing new characterization tools for probing the amount, binding mode, and packing of molecules adsorbed on nanoheterogeneous substrates, especially using in situ spectroscopic techniques.