郑州大学彭伟军教授：纳米气泡强化微细粒矿物浮选过程的研究现状

研究

背景

随着经济社会的高速发展，矿物原料的需求不断增长。我国虽然矿产资源丰富，但资源品质、开采条件并不理想，规模小、有用矿物嵌布粒度微细的难选资源占比非常高。嵌布粒度微细矿物难选的原因在于其自身质量小、比表面积大，在浮选过程中一方面容易被水流带走，另一方面与气泡发生碰撞的概率低、捕集困难，再者粒度微细会改变矿物颗粒的表面性质（如亲水性或疏水性），不利于浮选药剂的作用，且微细粒矿物在矿浆中容易发生絮凝，导致已经解离的微细粒无选择性团聚，影响浮选分离效果。

针对微细粒矿物回收利用率低的问题，国内外学者主要从增大矿物颗粒表观粒径和减小气泡尺寸两方面开展研究，以改善微细粒矿物颗粒的浮选行为，提高回收效果。WEI等报道，在浮选系统中引入纳米气泡后，粒径小于20 μm的黑钨矿颗粒回收率提高了12.04个百分点。REIS等研究了气泡粒径分布对细粒磷灰石浮选的影响，发现当气泡直径小于300 μm时，精矿P含量最高达60%。这表明细颗粒与小气泡的碰撞和粘附概率更大，有利于提高对细粒矿物浮选的选择性。大量学者的研究成果表明，与常规浮选相比，微纳米气泡浮选具有提高产品指标、减少药剂消耗等优势。

基于上述研究背景，在“河南省重点研发与推广专项（科技攻关）（编号：232102320329）”的支持下，彭伟军教授将重点从“细粒矿物的可浮性与浮选研究进展”“微纳米气泡的特点及产生原理”“微纳米气泡强化微细粒矿物浮选过程的机理及应用”等三个方面展开介绍，以期为微细粒矿物的高效分离回收提供理论指导和技术支持。

主要观点

及展望

（1）微纳米气泡具有极小的尺寸、高比表面积、缓慢的上升速度、稳定的表面电荷等物理化学特性，在提高微细粒矿物的浮选效率和效果方面具有显著优势。微纳米气泡的高比表面积可增加气泡与矿物颗粒间的接触机会，缓慢的上升速度能为矿物颗粒提供更充足的吸附时间；微纳米气泡表面稳定的负电荷有助于吸引带正电荷的矿物颗粒，促进气泡-颗粒复合体的形成。

（2）采用微纳米气泡技术浮选可以有效提高有用矿物的浮选回收率、减少药剂用量等，这对于资源的高效利用和环境保护具有重要意义。将微纳米气泡技术引入微细粒矿物浮选将有利于解决我国微细粒矿物浮选困难的问题，可为微细粒矿物的高效浮选提供一种高效、低成本、环境友好的解决方案。

（3）随着矿物嵌布粒度的减小，多相流体动力学和微泡浮选流变学的研究变得尤为重要。尽管过去数十年中已有大量研究关注此领域，但多数工作仍停留在两相流体力学模拟上，与实际工业应用存在差距。因此，有必要深化对微泡浮选过程的三相流体动力学模拟和流变学研究。

（4）已有众多研究致力于开发新型捕收剂和絮凝剂，以提升微细粒矿物的浮选性能。然而，微气泡与浮选药剂的协同作用对于新型药剂和工艺的开发至关重要，但这一领域的研究还相对较少，未来需进一步开展微纳米气泡与浮选药剂在微细粒矿物浮选中的协同作用研究。

（5）微纳米气泡与矿物颗粒相互作用的机制尚不完全清楚，需要更深入研究以掌握其作用原理，从而更有效地控制和优化浮选过程。同时，对纳米气泡的环境影响和安全性也需进一步评估，以保障其在矿物加工中的可持续应用。

（6）微纳米气泡的生成和稳定化技术需要进一步优化，开发新型高效微纳米气泡发生装置，优化微纳米气泡的生成和稳定化技术，可以确保在工业层面上高效且稳定地生成纳米气泡。

（7）微纳米气泡技术在微细粒矿物浮选领域的应用前景广阔。随着纳米技术的不断进步，预计将有更多创新的纳米气泡生成器和稳定化技术开发出来，这将有助于克服当前的技术障碍。通过跨学科的合作，结合表面科学、材料科学和环境科学等领域的研究，可以更深入地理解纳米气泡与矿物颗粒间的相互作用，进而设计出更高效、更环保的浮选工艺。

主要

图件

图1 微细粒矿物颗粒对浮选行为的影响

图2 改善微细粒矿物浮选效果的方法

图3 不同规格的气泡在水中的不同进程

图4 浮选中纳米气泡形成过程原理

图5 纳米气泡间桥联作用示意

图6 微气泡(＜50 μm)桥接细颗粒(50～71 μm)示意

图7 常规气泡与微纳米气泡附着在固体表面接触角的变化

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引用格式

彭伟军，姚佳，黄业豪，等.微纳米气泡强化微细粒矿物浮选过程的研究现状[J].金属矿山，2025(2)：86-94.

作者简介

彭伟军

郑州大学教授、博士、博士研究生导师，智能矿山重型装备全国重点实验室副主任，工学博士，河南省高层次人才C类（省内一流人才）。担任国家重点研发计划项目绩效评价专家、国家自然科学基金委评审专家、河南省工信厅专家库专家、河南省科技厅资源环境与社会事业领域专家、河南省地质系统专家库专家、第二届中国非金属矿专家委员会委员、中国颗粒学会第四届青年理事等。主要从事战略性矿产资源高效分选、非金属矿选矿与提纯和化工、选冶固废资源化利用等方面研究。主持完成国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题等省部级以上纵向和横向项目10余项；获得中国非金属矿工业协会非金属矿科技二等奖2项（排名1和2），河南省教育厅科技成果一等奖和二等奖各1项（排名1）；以第一或通讯作者发表学术论文70余篇，其中SCI收录论文约50篇（中科院一区论文13篇，二区论文24篇）；以第一发明人申请发明专利23项，已获授权12项，有2项专利合作转化1000万元；合作出版中文（排名2）、英文（排名2）专著各1部；入选2023和2024年全球前2%顶尖科学家榜单。团队代表性研究成果如下：

（1）构建了低品质铜钼矿高效回收与深度分离技术体系。通过设计与开发新型的功能型絮凝剂、微细粒钼矿捕收剂和铜钼分离抑制剂等，揭示了其构-效关系与作用机理，厘清了矿物颗粒、药剂和气泡等多相间胶体与界面化学作用原理及精准调控机制，构建了基于胶体界面化学和过程强化的低品质复杂铜钼矿高效回收与深度分离技术体系。

（2）开发了尾矿中有价非金属矿物资源化回收与高值化利用技术体系。研发了基于流体动力学和界面化学协同的尾矿分散和脱药同步的调浆技术，探究了基于矿物微界面化学性质差异的云母、长石和石英高精度选择性浮选分离药剂制度，开发了尾矿中有价非金属矿物高效梯级回收与高值化利用技术体系。

（3）研发了磷石膏浮选除杂提质增白与高值化利用技术体系。开发了新型耐酸性磷石膏浮选药剂，研究了基于界面调控的高效调浆改质技术，揭示了常压水热反应体系下石膏晶相转变以及晶体形貌调控机制，探究了磷石膏复杂杂质反应体系的高效调控机理与方法，研究了反应介质循环利用工艺等，构建了磷石膏浮选除杂提质增白与α-高强石膏和石膏晶须制备技术体系。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

供稿：杨 婷

编排：戴颖熠

审核：王小兵

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