微细粒矿物（<10 μm）具有质量低、惯性小、可浮性差以及药剂消耗量大等特点，不仅会增加浮选成本，还会造成矿物资源的大量浪费。山东理工大学陶东平教授团队总结了近年来关于纳米气泡浮选的相关文献，明确了表面纳米气泡与体相纳米气泡的具体概念，介绍了纳米气泡的生成、表征及其在微细粒矿物浮选过程中的行为特征及作用机制，重点讨论了在上述领域取得的最新研究进展。现有研究结果表明，纳米气泡可通过水力空化法进行规模化制备，其表面电位通常呈负值，且受pH 值调控；纳米气泡优先在疏水性表面选择性生成，其稳定时间可高达48 h 及以上。纳米气泡强化浮选机理主要包括：增大矿物的宏观接触角进而增加颗粒与气泡的黏附力；降低溶液表面张力从而优化泡沫的稳定性；通过毛细管作用可增强疏水性微细粒矿物的团聚，提高目的矿物与脉石矿物的分选效率。实际矿石试验结果表明，对于煤泥浮选来说，纳米气泡可使可燃体回收率提高近50%，同时起泡剂用量减少三分之一以上；对于硫化矿浮选来说，纳米气泡可使得黄铜矿回收率增加近20%；在氧化矿应用方面，纳米气泡的引入可在提高目的矿物回收率的同时提高浮选动力学。另外，纳米气泡在固废资源回收利用方面也有广阔的应用前景。总体而言，这种创新方法为超细矿物分离提供了经济可行且环境友好的解决方案，通过将浮选药剂消耗降低30%~50%，并将矿物回收率较传统方法提升15%~50%，有望实现矿物加工经济效益的重要突破。相关成果发表于矿冶期刊群《有色金属（选矿部分）》2025年第9期，题目：微细矿物颗粒纳米气泡浮选研究进展。作者：黄浩，吴中贤，乔波，陶东平。

泡沫浮选法作为矿物分离提纯领域的核心工艺， 因具有分选效率高、宽粒度适应性及运行简便稳定的优势，已成为现代选矿工业的支柱技术。传统矿物浮选中适宜的分选粒度通常在10~100 μm 数量级范围内。然而，随着优质矿石资源的耗竭，我国矿石性质逐渐呈现“贫、细、杂”的特征，导致矿石中有价矿物嵌布粒度日趋微细化。需通过长时间磨矿才能实现矿物充分解离，使得浮选入料矿浆中包含大量<10 μm 的微细粒。在浮选过程中，微细颗粒因其质量低、惯性小、可浮性差等特性导致气泡矿化效率低，使得精矿品位、回收率显著降低。因此，仅通过传统浮选工艺难以实现微细粒有价矿物与脉石矿物的高效分离。

近年来关于微细颗粒难选机理的研究表明，增大颗粒表观粒径和降低气泡尺寸是提高微细粒矿物浮选效率的有效途径。增大颗粒表观粒径技术常采用载体浮选和高分子絮凝浮选，但这两种方法具有以下问题：1）载体材料选择受限，很难找到适合的载体颗粒；2）高分子絮凝剂需精确控制pH、用量等条件，并且其选择性吸附机制复杂，易将有价矿物与脉石矿物非选择性混凝；3）采用絮凝剂形成的絮团稳定性通常较弱，极易在湍流场中被破坏。当前，通过纳米气泡浮选技术的引入减小气泡尺寸是一种创新的解决方案，浮选过程中纳米气泡的存在可以有效强化矿物颗粒和气泡之间的碰撞和黏附，解决了微细颗粒难矿化这一限速步骤。对比前者而言，纳米气泡技术因工艺流程简单、药耗及成本低且效率更高，因而受到国内外学者广泛关注和高度重视。

21 世纪初，LOU等利用AFM在云母表面捕获直径约200 nm 的稳定气泡结构，并证实纳米气泡在固液界面半衰期超过72 h，这为纳米气泡的稳定存在提供了直接证据。纳米气泡主要分为体相纳米气泡（BNBs）和表面纳米气泡（SNBs），体相纳米气泡是指在溶液中形成的尺寸小于1000 nm 的独立球形相结构；表面纳米气泡是指附着在固体颗粒表面的纳米气泡，通过AFM表征显示表面纳米气泡通常呈铆钉状黏附于疏水矿物表面，其高度仅为几十纳米，直径在几百纳米到几微米不等。纳米气泡在农业、医学、环境、生物学和工程领域的应用近年来已被众多学者研究总结，本文将从多个方面综述近年来纳米气泡在浮选中的研究与应用进展。

根据近年来研究报道可知，产生纳米气泡的方法众多，包括水力空化、超声空化、电解、溶液交换、冷水升温和压差法等。

在实际工业应用中，水力空化法因其产生效率高、操作简便等优点而被广泛应用。水力空化法产生纳米气泡的原理基于流体动力学与相变过程的协同作用，其核心是通过压力骤变诱导气核析出并形成稳定纳米气泡。简单来说，是通过文丘里管内部直径渐变创造了局部高流速和低流体压力，减小气体在矿浆中的溶解度，从而实现纳米气泡的有效析出。在水力空化法产生纳米气泡的过程中，由于大量微气泡的生成导致溶液呈现乳白色。但在空化停止后，乳白色会很快消失恢复透明，这是由于微泡在浮力的作用下逐步上升到溶液顶部并发生破裂导致的。研究结果表明，当溶液恢复透明后，体系中纳米气泡的尺寸一般在150~500 nm。

电解法是指将正负电极没入水中，在其周围施加电流从而生成纳米气泡的方法。即通过电流电离水溶液从而产生氢气纳米气泡和氧气纳米气泡。溶液交换法是指在容器中加入溶解度高的溶液润湿基底，再将另一种溶解度低的液体加入与前者互溶。压差法指在等温等压条件下气体在水中的溶解度与气体分压成正比，在减压的过程中气体不饱和水溶液转变为过饱和状态，在其中形成了气体核后转化为纳米气泡。这几种方法都是依赖于气体在水中的溶解性。在实验室研究中，通常采用方便的液体升温、交换溶剂等方法产生纳米气泡。

纳米气泡尺寸是定义及评价纳米气泡特征的关键参数，通常采用动态光散射（DLS）或颗粒跟踪分析仪（NTA）进行测量表征。纳米气泡尺寸通常取决于溶液pH 和表面活性剂浓度等多个方面。ZHANG 等利用DLS（Nano ZS 90，Malvern Instrument，UK）评价了水力空化产生体相纳米气泡的尺寸分布、表面电位、稳定性等重要特征，溶液pH、表面活性剂浓度和空化管内部几何结构对纳米泡尺寸分布的影响，如图1 所示。研究结果表明，在试验的条件参数范围内，体相纳米泡尺寸主要分布在150~650 nm。

NIRMALKAR 等利用NTA研究了在纯水中超声空化产生体相纳米气泡的尺寸范围为30~ 300 nm。并且当超声时间从5 min增加到30 min时，纳米气泡浓度从1.8×10⁸ 个/mL增加到6×10⁸ 个/mL。ZHOU等测试了不同溶液pH 和盐浓度下纳米气泡的浓度，研究结果表明溶液pH对纳米气泡浓度的影响显著于盐浓度，并且纳米气泡浓度随着溶液pH的增加而增加。JIANG等使用AFM、NTA分别表征测量温差法生成的SNBs样品和纳米气泡发生器产生的BNBs样品的气泡数密度及大小，发现在同条件下SNBs的气泡数密度更大且尺寸更小，这合理解释了在矿物浮选实践中SNBs强化浮选效果更好的现象。

纳米气泡对浮选过程的强化作用与其生成特性及基本性质密切相关。本节将系统梳理当前广受学界认可的纳米气泡强化矿物浮选机理。

纳米气泡如何在颗粒表面形成及稳定机理是影响矿物浮选指标的关键因素。ZHOU等采用原子力显微镜（AFM）研究了冷水升温过程中亲/疏水性白云母表面的纳米气泡生成特性，发现纳米气泡生成高度依赖于矿物表面疏水性，纳米气泡优先生成于疏水矿物表面，而难于生成在亲水性白云母表面。WANG 等、CHE等和TANG等通过不同矿物体系与表征手段进一步验证了这一规律。图2 揭示了常规浮选与纳米气泡浮选过程及机理的差异。常规浮选中微细颗粒需要与宏观气泡直接碰撞黏附，效率低。纳米气泡在疏水表面直接生成，将微细颗粒凝聚成团，再与宏观气泡高效碰撞黏附后上浮。进一步的研究表明，纳米气泡在矿物表面的生成具有显著的选择性，疏水性更强的表面更易诱发纳米气泡成核，这有利于提高浮选的选择性。

矿物浮选本质是通过调控目的矿物与脉石矿物表面性质，扩大二者疏水性差异以实现分离。因此，纳米气泡在疏水表面的选择性生成特性对有价矿物提取具有显著促进作用。该特性的物理本质可归因于疏水颗粒- 水界面的黏附功（W_a）恒小于水的黏聚功（W_c），其定量关系如式（1）、（2）所示。

式中，γ₁为液体表面张力，θ 为接触角。方程式（1） 和（2）表明黏附功W_a 与接触角大小有关，接触角越大，黏附功W_a值越小。因此，疏水固体与水界面处的分子键更容易断裂，意味着疏水固体- 水界面处会优先出现空化纳米泡。大量的试验研究已经证实了这一理论。WU等采用AFM研究了表面疏水性和气体溶解度差异对纳米气泡在黄铁矿表面生成特性的影响（图3），研究结果表明，较高的表面疏水性和较大的气体溶解度差异更有利于纳米气泡在矿物表面生成。

LIU 等通过分子动力学模拟在原子尺度上证实，表面疏水性是调控纳米气泡成核的关键因素。研究结果表明，在亲水矿物表面-液体界面，纳米气泡很难生成于亲水表面，即使亲水表面的粗糙度较高，纳米气泡通常仅能以体相形式存在于液相中；疏水性表面则极易诱发纳米气泡成核，且其生成速率显著受控于表面粗糙度。

矿物表面电荷性质直接影响浮选药剂吸附选择性，而气泡表面电荷则决定气泡-矿物黏附效率。研究表明，纯水中纳米气泡的Zeta 电位通常呈负值。LEE 等在无表面活性剂体系中测得电位值为-22.81 mV。ZHANG等系统研究了溶液pH、表面活性剂种类及浓度纳米气泡Zeta 电位的影响规律。当MIBC作为表面活性剂时，随着溶液pH 从3 升高至12 时，纳米气泡的表面Zeta 电位由-1.04 mV 负移至-9.04 mV。采用油酸钠作为表面活性剂时， 纳米气泡表面Zeta 电位随pH 的升高也呈现负移的趋势。XIAO 等进一步揭示有无油酸钠情况下溶液pH 对纳米气泡表面Zeta 电位的影响，研究表明，较高的溶液pH 会导致更负的纳米气泡表面Zeta 电位，阴离子表面活性剂油酸钠的存在会增大负电位强度，说明油酸钠在纳米气泡表面的选择性吸附可以有效调控纳米气泡表面Zeta 电位。ZHANG等提出补充机制：OH^- 在纳米气泡表面的过度吸附是高pH 下荷负电的主因。上述特性为纳米气泡的浮选调控提供了理论依据。

溶液表面张力通过调控宏观与纳米气泡的生成与稳定性，影响纳米气泡在矿物表面的存在及浮选泡沫特性。HUANG等对比了有无纳米气泡体系下纯水表面张力随MIBC 浓度的变化，结果表明，纳米气泡的存在可有效降低纯水的表面张力，换言之，纳米气泡可以充当起泡剂，从而在实际矿物浮选中降低起泡剂的用量，这一现象在ZHANG等的研究中得以验证。YASUI 等阐明其物理本质：纳米气泡通过稳定附着于气-液界面（而非化学物质作用）实现表面张力降低。

接触角是衡量矿物表面疏水性的关键参数，它将直接影响气泡与颗粒的黏附效率。通常黏附效率随着接触角的增加而增加，在浮选中待浮矿物颗粒表面接触角要达到60°~80°以上才能实现高效浮选。大量研究证据表明，纳米气泡的微观接触角比常规尺寸气泡的宏观接触角大得多，更重要的是纳米气泡在固体表面的存在可以有效增加宏观气泡的接触角，从而增强颗粒与常规尺寸气泡之间的相互作用。CALGAROTO等发现纳米气泡的存在使得石英颗粒的宏观接触角从18^° 增加到46^°，导致石英与脉石矿物实现疏水性差异从而实现分离。DING 等使用激光扫描共聚焦显微镜观察发现，相较于接触角10^° 的亲水性表面，纳米气泡优先生成于接触角105^° 的疏水表面，更多更大的纳米气泡有利于纳米气泡与宏观气泡之间的兼并，加速三相接触线扩展，从而获得较高的宏观接触角。WANG等研究了有无纳米气泡情况下二乙基二硫代氨基甲酸钠（DDTC）浓度对黄铁矿及方铅矿接触角的影响，如图4 所示，在相同DDTC浓度药剂用量下进行比较，纳米气泡的存在可更为显著地增强方铅矿表面接触角20°左右，使得方铅矿和黄铁矿表面形成更高的疏水性差异，提高分选效率。

纳米气泡在疏水矿物表面的选择性生成显著影响微细颗粒间的相互作用力，其核心机制在于诱导毛细管桥接效应。纳米气泡在疏水颗粒表面的生成可以有效削弱颗粒与气泡间的静电斥力，范德华力则因气泡的界面特性而增强，从而显著降低临界异相凝聚颗粒半径，并且颗粒和气泡之间的静电和范德瓦尔相互作用力随颗粒表面存在的纳米气泡尺寸和分布而变化。当两个罩盖有纳米气泡的表面接近，相邻的两个表面纳米气泡会发生兼并形成凹形蒸汽毛细管，如图5 所示。毛细管诱导一种特殊的长程吸引力的形成，其作用距离长达230 nm。这种毛细管吸引力源于Laplace 压力差，如式（3）所示。

式中，γ 为液体表面张力，mN/m；r 为毛细管半径，μm。在颗粒- 气泡黏附过程中，毛细管力是驱动气泡捕获颗粒的关键因素。

BIRD 等利用分子动力学模拟了不同粗糙度和疏水性条件下两个平面之间的纳米气泡诱导团聚效果，研究结果表明任何疏水程度和粗糙度表面上的纳米气泡都有通过兼并，形成纳米气泡桥而促使颗粒发生团聚现象，表面纳米气泡（SNBs）可覆盖疏水矿物70%以上面积。SNBs可产生10~100 nN毛细吸引力。纳米气泡可以增强固体和液体之间的边界滑移，并增加颗粒和气泡之间的液膜排出速率，从而增强颗粒团聚。WANG等利用AFM对比了有无纳米气泡情况下方解石颗粒之间的相互作用力，并结合DLVO理论进行拟合分析。研究结果表明，无纳米气泡时，范德华力是方解石颗粒间相互作用的主要作用力。有纳米气泡时，方解石颗粒之间存在一个显著的长程疏水吸引力。由于经典的DLVO理论忽略了疏水力和水合力的附加效应，通过建立扩展的DLVO理论可以解释纳米气泡存在时颗粒之间的长程疏水引力，间接证实纳米气泡是长程疏水引力的来源。REN等利用显微镜观察发现纳米气泡的存在可以促进疏水细粒锡石颗粒团聚，颗粒的D₅₀ 尺寸从18.4 μm 增加至25.5 μm。WANG等和WU等利用FBRM分别研究纳米气泡对方铅矿和黄铁矿团聚状态的影响，研究结果表明，疏水颗粒更容易发生疏水性团聚，并且团聚效果随着纳米气泡在矿物表面的罩盖程度增加而增强。

在泡沫浮选与废水处理等工程应用中，水力空化及声空化是实现纳米气泡规模化制备的主流技术。水力空化过程中，溶液因含大量微气泡呈乳浊状；空化停止后，微气泡在浮力作用下上浮溃灭，溶液恢复透明。动态光散射、激光衍射散射或粒子追踪分析表明，透明溶液中体相纳米气泡的粒径主要分布于150~500 nm，其尺寸受表面活性剂浓度、空化管几何结构等条件调控。

研究表明，纳米气泡生成后可稳定数小时、数天甚至一个月。但对于纳米气泡存在的稳定性在理论上一直广有争议，一方面是根据拉普拉斯方程可计算出直径100 nm的气泡在水中的压力可达到2.86 MPa，更小的气泡还会具有更大的压力。基于经典的Epstein和Plesset气体溶解理论，ALHESHIBRI等认为小于1000 nm 的气泡的寿命仅为约0.02 s，这表明纳米气泡将因不稳定而无法存在。但是，上述理论预测与试验观测存在显著矛盾。AFM和其他手段已经充分证明，纳米气泡确实可以稳定存在数小时甚至数天。这也表明了上述气泡热力学以及气体扩散理论并不适用于纳米气泡。

WANG等在不使用高压的情况下，通过不同时间的周期性压力变化成功生成了尺寸分布68~397 nm 的大量N² 纳米气泡。他们观察到纳米气泡在超过48 h 后仍具有良好的稳定性和接近恒定的负Zeta 电位。图6 的AFM图像显示了不同温度的纳米气泡存在时间，可以发现只有一些极小的气泡会在第三天左右消失，而绝大多数纳米气泡可以在溶液中稳定存在数天。

目前纳米气泡已被广泛应用于微细粒矿物浮选。纳米气泡在浮选体系中的引入可以显著提高精矿指标（回收率和品位）、浮选速率、减少药剂消耗量。本节将综述纳米气泡在煤和几种典型矿物浮选中的应用。

SOBHY等和郭思瑶等通过细粒煤柱浮选证实：纳米气泡的引入不仅显著提高了可燃体回收率，而且减少了浮选药剂的消耗。在最优条件下，可燃体回收最多可提高50 个百分点，起泡剂用量减少30%，LI 等结合AFM、流变学测量、颗粒-气泡相互作用可视化技术阐明纳米气泡强化煤颗粒浮选的关键机制是纳米气泡在疏水表面的罩盖增强表面疏水性，同时通过毛细管力诱导微细颗粒煤团聚。SOBHY等基于浮选柱中泡沫稳定性研究证实了纳米气泡的存在降低了煤颗粒与气泡附着的诱导时间，增强了煤颗粒表面疏水性，从而强化了煤颗粒-气泡之间的高效黏附，有效解决了微细颗粒难回收的难题。在上述研究基础上，QIAO 等借助FBRM和SEM研究发现：空化纳米气泡可缓解煤颗粒表面黏土罩盖，其机制源于纳米气泡破裂时产生的冲击波和空化引起的强湍流场，且消除罩盖的效果随着空化流速的增加而增强。另一方面黏土罩盖的消除增加了煤油在煤颗粒表面的吸附位点，进而提高了煤浮选回收率。SOBHY等亦发现了类似规律：在提高可燃体回收率的同时，纳米气泡使浮选时间从4 min 缩短至2.25 min，显著提升浮选速率。WANG等利用微纳米气泡的表面荷电特性实现了煤岩显微组分的高效浮选分离，纳米气泡的存在使得镜质组回收率提高了77.28 个百分点。ZHANG等证明纳米气泡可将鳞片石墨回收率从88.15% 提高至92.81%，DENG等研究进一步表明纳米气泡可以同步提升石墨精矿品位和回收率。

研究表明，在微细粒氧化矿浮选分离过程中，浮选药剂用量过高是导致分选成本增加的主要原因。经试验证实，纳米气泡的引入可显著降低药剂消耗并同步提升分选效率。ZHANG等探究了纳米气泡对微细粒金红石浮选效果的影响，研究表明纳米气泡能诱导金红石颗粒团聚，在减少浮选药剂用量的同时，使金红石浮选速率常数提高25%。TAO等在赤铁矿反浮选过程中证实，在精矿TFe 品位稳定维持在67% 的条件下，纳米气泡可使回收率从68% 提高至84%（增幅达16 个百分点）；同时浮选时间由3 min缩短至约1 min，浮选动力学特性得到显著增强。

纳米气泡对硫化矿浮选同样具有强化效应，且在硫化矿体系中会对矿物表面氧化特性及捕收剂吸附行为产生特殊影响。AHMEDI等将纳米气泡引入到黄铜矿浮选，使黄铜矿回收率提高16%~21%。WU等基于前述研究基础，研究了水力空化强化黄铁矿浮选机理。结果表明，纳米气泡不仅能提高黄铁矿回收率，还可显著增加黄药在黄铁矿表面的吸附量，且吸附量随空化时间延长呈上升趋势。WANG等发现纳米气泡的存在可以有效提升各粒级中辉钼矿回收率，成功解决粗、细颗粒浮选回收难的弊端。

除前述矿物体系外，纳米气泡在硅酸盐与碳酸盐类矿物浮选中同样展现出良好应用前景。ZHOU 等研究表明，白云母浮选体系中，纳米气泡的引入使白云母回收率提高10%，同时将浮选速率常数从1.2 min ^-1 提高至1.51 min ^-1，该效应主要归因于纳米气泡在白云母表面的罩盖作用显著增强了矿物疏水性。WANG等通过AFM测试技术证实，纳米气泡可诱导微细粒方解石发生凝聚，进而提高浮选回收率。LI 等研究了纳米气泡与石墨黏液浆料的相互作用，表明纳米气泡通过促进颗粒- 气泡碰撞来提高浮选回收率。值得注意的是，纳米气泡不仅能提升矿物回收率，还可有效抑制脉石夹带，LU等发现纳米气泡能显著缓解蛇纹石脉石矿物的机械夹带现象。HUANG等在粉煤灰残炭浮选中通过优化捕收剂用量、起泡剂用量及冲洗水速率等参数，证实纳米气泡可使可燃体回收率提高10%，尾灰烧失量降低3.5%，同时浮选药剂用量减少近50%。DENG等采用超声- 空化耦合预处理煤气化粗渣，通过纳米气泡堵塞残碳孔隙减少药剂吸附，同步增强残碳疏水性与可浮性，最终使精煤灰分从36.88%降至25.51%，可燃体回收指数由79.84% 提升至92.91%，表明纳米气泡在固废资源化利用方面也有着巨大潜力。

1）纳米气泡具有选择性生成特性，优先在疏水表面成核，该特性强化了浮选过程中目的矿物与脉石的选择性分离。接触角是疏水性差异的直观表征，纳米气泡使矿物宏观接触角系统性增加15°~28°，这是细粒浮选强化的关键界面机理。纳米气泡Zeta 电位呈负值并受pH 和表面活性剂种类和浓度调控。OH^- 在气液界面的选择性吸附是荷电的主要原因，纳米气泡电位可调控这一特性可优化阴离子捕收剂吸附效率。

2）毛细管桥接促进颗粒团聚，表面纳米气泡（SNBs）可覆盖疏水矿物70% 以上面积。SNBs 可产生10~100 nN 毛细吸引力，使得微细颗粒形成稳定团聚体。AFM直接观测到纳米气泡桥接疏水性矿物颗粒的现象，解释其提升浮选回收率的物理机制。纳米气泡附着气-液界面使溶液表面张力降低20%~30%，且具有较长时间的稳定性。

3）纳米气泡浮选技术应用于煤、硫化矿、氧化矿及石墨等矿种均获成功。纳米气泡浮选技术通过增大颗粒-气泡碰撞概率与黏附强度，有效解决<10 μm 微细粒回收难题。试验结果表明，纳米气泡可使煤浮选可燃体回收率提升24~50 个百分点，硫化矿回收率提高16%~21%，浮选药剂消耗降低30%~50%，兼具高效性与经济性。另外，在固废领域，粉煤灰残炭回收率提升10%，煤气化渣可燃体回收指数从79.84% 增至92.91%，也拓展了固体废物资源化路径。

4）纳米气泡在浮选应用中已展现出极大潜力，也已通过试验数据证实其可靠性。但纳米气泡强化浮选理论研究相对还较为薄弱，尤其是它对泡沫相行为的影响研究很不深入，纳米气泡浮选理论需要有新的突破。