电解活性氢气微泡是通过电解水原位产生表面荷电的微纳米气泡，其阴极产生的氢气气泡具有化学活性强、表面活性高和气泡粒径小的特点，称为“活性氢气微泡”。武汉理工大学宋少先教授团队研究考察了电解工艺参数（电解质类型、浓度、电流、电极材料）以及起泡剂对活性氢气微泡产生（气量和粒径分布）的影响，设计并组装了原位电解浮选装置，开展了活性氢气微泡浮选微细粒石墨的试验研究。结果表明，经过调控的活性氢气微泡有较理想的微泡粒径分布：-10 μm 气泡占36%，10~20 μm 气泡占58%；与传统电解浮选相比，活性氢气微泡浮选显著提高微细粒石墨回收率。通过测量表面张力、包覆角、Zeta 电位和FT-IR，研究了活性氢气微泡- 药剂-石墨的相互作用。结果表明电解活性氢气微泡强化微细粒石墨浮选的主要原因在于活性微泡可以降低石墨表面电位，减弱颗粒间的静电斥力，改善气泡与矿物的附着从而提高碰撞概率。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：电解活性氢气微泡浮选微细粒石墨的研究。作者：陈凤，练伟，曾龙颜，宋少先，贾菲菲。

浮选是通过调控气-液-矿三相界面实现目标矿物快速高效回收的重要技术手段。然而，浮选对矿物的粒度要求较高，当矿物粒度降至微细粒级别时，传统浮选技术面临严重挑战。其中，因微细粒矿物动能较低导致的颗粒-气泡碰撞概率和黏附力降低是导致微细粒矿物难浮选回收的主要原因。微泡浮选可以通过降低气泡粒径、改善表面活性强化颗粒与气泡的碰撞概率和黏附力。

微泡浮选常见的产气方式有机械搅拌法、射流发泡法、溶气法、超声空化法、微纳米气泡发生技术等。这些方法存在气泡粒径分布范围大、充气量小、操作复杂等问题。例如机械搅拌法、射流发泡法、溶气法产生的最小气泡直径为30~50 μm，难以实现10 μm 及以下矿物的有效回收；超声空化法的气泡产量低、产气稳定性差。电解浮选凭借电解发泡气体分布均匀、产气密度高的特点，产生粒径更小的活性微泡，已经在氰化尾渣、细粒萤石、硫化矿、细粒煤、锡石等微细粒矿物浮选中展现出高回收率、低能耗的优点。常规电解浮选采用氢氧混合气泡，但是氧气气泡因其气泡粒径较大、表面荷电差异会对活性氢气微泡浮选产生不良影响。因此高效分离氢氧气泡、强化活性氢气微泡是提升微细粒浮选的技术关键。

本文研究了不同电解条件、起泡剂对活性氢气微泡充气量及粒径的调控，并以D₅₀=10.71 μm 的鳞片石墨为研究对象，进一步研究了微细粒石墨回收率与活性氢气微泡、氢氧混合气泡及捕收剂的关联。最后通过Zeta 电位、包覆角、粒径和FT-IR 特征谱等测试深入研究了电解活性氢气微泡对微细鳞片石墨的浮选机理。

试验样品来自青岛海硕石墨有限公司纯度99.7%的高纯鳞片石墨，测试显示D₅₀ 为10.705 μm。样品经乙醇搅拌浸泡8 h、去离子冲洗、过滤、干燥脱除表面药剂。图1 为石墨的XRD和SEM分析结果，结果表明石墨纯度高，且呈现微细鳞片状。

电解浮选所用阳极和阴极分别为碳棒和钌钴镍磷电极材料，电催化剂以泡沫铁为基底，用CV电沉积方法制备，具体参数见文献。

试验药剂Na₂SO₄、NaCl、CH₃COONa、K₂SO₄、仲辛醇均为分析纯，柴油为工业纯，试验用水为电阻率18.2 MΩ 的去离子水。

试验所用装置为改进的浮选柱，采用RXN-303D 型直流稳压电源供电，采用蠕动泵（BT100M+ YZ1515x）控制矿浆流速，如图2 所示。底部阳极和阴极以fumasep 阴离子交换膜（型号FAB-PK-130）隔开，电解质由阳极进水口流入，在阳极出水口流出时将氧气排除且电解质进入阴极进水口，电解质在阳极pH 呈现酸性经蠕动泵到阴极时能中和阴极的碱性使得浮选pH 值维持在9~11，由钌钴镍磷电极材料单独产生的活性氢气微泡与微细粒矿发生碰撞进行浮选。

电解活性氢气微泡浮选试验矿浆配比为石墨矿1.5 g、电解质75 g，预先在烧杯中高速搅拌浸润2 min（1800 r/min），并加入捕收剂柴油2 min，起泡剂仲辛醇2 min，然后将矿浆从浮选柱中部匀速加入，矿化后的微细粒通过顶部溢流回收精矿，尾矿则通过重力沉降至底流，其中电解浮选5 min（搅拌强度500 r/min），蠕动泵转速50 r/min。分别收集精矿和尾矿，经过滤、干燥、称量后计算浮选回收率。

充气量以H型密封电解槽采用排水集气法测试5 min 内每分钟充气量并求取平均值（单位， m³/（m² · min））得到。系统研究了Na₂SO₄、NaCl、CH₃COONa、K₂SO₄四种电解质在不同电解质浓度（0.25、0.5、0.75、1.0 mol/L）、不同电流（0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 A）和不同基底材料密度（30、60、90、110 ppi， 即每英寸的孔数）下的充气量，并在上述最佳单因素条件下研究了仲辛醇及添加量（0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mmol/L）对充气量的差异。气泡粒径测试采用充气量相同装置测试，用Mega Speed MS130K高速摄像机对气泡进行拍照，并采用Python 的图像识别技术进行气泡分割及粒径统计，识别及统计图如图3 所示。

使用德国K100C Krüss 表面张力仪测试添加起泡剂后四种电解质溶液的表面张力。将25 mL制备好的溶液置于样品杯中并插入张力环，测试温度控制在（25±1） ℃。每次测量前，用蒸馏水和丙酮清洗样品杯和铂环，并用酒精灯将铂环燃烧至红色以去除残留物。

用Zetasizer ZEN3690 电位分析仪对矿物表面电位进行测试。每次测试称取50 mg 矿物加入到100 mL烧杯中，电解5 min 之后调节pH 值，之后使用磁力搅拌器进行搅拌，使矿浆混合均匀。取少量液体进行测试，每组条件测试3 次，取平均值作为最终结果。

利用高速摄像机进行包覆角的测试，用于研究气泡类型与捕收剂的协同效应对矿粒-气泡黏附稳定性的影响。每次测试称取50 mg 石墨与100 mL超纯水于60 mm×60 mm×60 mm石英电解池中搅拌10 min。用微量进样器制备活性氢气泡/空气泡并置于混合液中与矿物相互作用3 min 后对气泡进行拍摄，通过图片信息进行包覆角计算等。

样品制备采用溴化钾（KBr）压片法，即将适量石墨原矿、电解浮选石墨及电解-柴油浮选石墨分别与高纯度的溴化钾粉末混合并压片。压片后的样品在红外光谱仪中进行扫描，测量范围为4 000~400 cm ^-1。得到的红外光谱图谱用于分析样品的官能团特征和分子结构。

图4 研究了电流0.2 A、电极材料密度60 ppi 条件下，电解质种类及其浓度对充气量和氢气微泡粒径的影响。

由图4（a）可知，随着电解质浓度的增加，不同电解质的充气量呈现不同的变化趋势。随Na₂SO₄ 浓度增加充气量呈现大幅度增加趋势，从0.010 升至0.014 m³/（m² · min）；NaCl 和K₂SO₄浓度增加对产气量影响不大；CH₃COONa则呈现下降趋势。图4（b~d）进一步研究了不同电解质的气泡在-10、10~20、20~30 μm 分布状态，结果表明Na₂SO₄浓度增大可以将-10 μm 微泡占比从2.37%增至11.29%，10~ 20 μm 微泡占比从17.18% 增至35.48%。K₂SO₄在浓度增大时，-10 μm 气泡由1.57% 升至9.67%， 10~20 μm 气泡由28.61% 升至33.65%，小气泡占比增大，与Na₂SO₄类似。这是因为K+/Na+ 离子优异的载流能力与SO₄^{2 -} 离子微泡化效应的协同作用增加总气体产量，同时高离子强度通过静电屏蔽效应降低微泡表面张力，加速微泡成核速率，抑制气泡聚并促进微泡稳定存在。而NaCl 和CH₃COONa体系下，则分别因为氯离子对活性位点毒化作用和醋酸根离子局部缓冲作用导致微泡成核、脱附难度增大。据此， 选择Na₂SO₄、NaCl、K₂SO₄用1 mol/L，CH₃COONa用0.25 mol/L 作为最佳工作浓度。

电流是对氢气微泡充气量和气泡粒径调控的重要手段，图5 在不同电解质最佳浓度条件下进一步研究了电流对充气量和氢气微泡粒径的影响。

由图5（a）可知，电流对不同电解质溶液的充气量影响显著。随电流增大，Na₂SO₄体系的充气量从0.014 增至0.071m³/（m² · min），增幅达407.14%，呈现良好的线性增长趋势。NaCl 体系在高电流下充气效率受到限制，最大充气量仅为0.047 m³/（m² · min）。图5（b~d）进一步研究了不同电解质在不同电流下的气泡粒径分布。Na₂SO₄体系中，随着电流增加，10~20 μm 微泡占比从35.48% 增至59.13%，20~30 μm 气泡占比整体呈现下降趋势，表明高电流有利于微小气泡的形成和稳定。而NaCl 体系表现出不同的趋势，电流由0.8 A升至1.0 A时10~20 μm 气泡占比从54.47% 降至47.76%，反映出氯离子副反应对气泡粒径分布的影响。电流的调控与产气速率呈现一定的正相关性，电流决定了电子的传递效率，进而影响了电解反应的进行速度，更关键的是增强电极表面电场梯度，提高气体过饱和度和临界成核半径，抑制氢气微泡长大和聚并过程使更多小粒径气泡核稳定存在，因此均选用1.0 A 电流。

电极材料密度是电浮选工艺的关键参数之一，不仅直接影响电极表面活性位点的数量和分布，还间接影响气泡生长与溢出过程。图6 在最佳电解质浓度和最佳电流条件下，进一步研究了电极材料密度对充气量和氢气微泡粒径的影响。

由图6（a）可知，在不同电解质体系中，随着电极材料密度的增加，充气量均呈现先增长后下降的趋势，并在电极材料密度为90 ppi 时充气量最大，Na₂SO₄、NaCl、CH₃COONa 和K₂SO₄体系的最大充气量分别为0.078、0.075、0.078 和0.074 m³/（m² · min）。图6（b~d）进一步研究了电解质和电极材料密度对气泡粒径的影响。结果表明随电极材料密度增加，不同电解质在-10、10~20 μm 小粒径的占比均呈现先增加后减小的趋势，且电极材料密度为90 ppi 时10~20 μm 小粒径微泡占比最大。电极材料密度为30 ppi 时20~30 μm 气泡占比较大，这表明该电极材料密度下的气泡粒径分布范围较大，90 ppi 的气泡粒径分布更加集中。这种最优密度效应源于电极孔隙结构对氢气微泡生长动力学的精确调控：90 ppi 提供适宜的氢气微泡脱附通道尺寸，气泡在达到孔径约束尺寸前即发生脱离，避免了过度生长；同时高比表面积确保充足的电化学活性位点，维持高产气速率。过高密度（如110 ppi）导致孔隙堵塞和局部电流集中，导致气泡在空腔中长时间滞留并抑制活性位点产气。

起泡剂是影响电浮选工艺气泡特性的重要因素，改变电解液表面张力及微泡形成过程。图7 研究了电极材料密度90 ppi、电解质Na₂SO₄ 浓度1 mol/L、电流1.0 A体系中，起泡剂仲辛醇添加量对氢气充气量、氢气微泡粒径分布特性和电解质表面张力的影响。

由图7 可知，仲辛醇对浮选体系产生了显著的调控作用。图7（a）随着仲辛醇浓度从0 增加至0.25 mmol/L，氢气充气量从0.0778 m³/（m² · min） 逐步提升至0.09172m³/（m² · min），增幅达17.89%。 图7（b）进一步表明氢气微泡尺寸分布被进一步优化：-10 μm 微泡占比从15%增至36%，而+20 μm 气泡占比从22% 降至6%。图7（c）表面张力测试显示，仲辛醇作为表面活性物质在气液界面定向吸附，使Na₂SO₄溶液表面张力从73.52 mN/m 显著降至58.26 mN/m，临界浓度点为0.26 mmol/L。表面张力的降低直接促进了微泡生成效率提升，界面张力减小使大气泡更容易破碎细化，降低气泡聚并趋势，为微小气泡的形成和稳定存在创造有利条件，实现了充气量提升和气泡尺寸优化的双重效果。

综上所述，电解产生的活性氢气微泡受电解质浓度、电流密度、电极材料密度和表面张力形成四因素影响。电解质浓度通过离子环境调控氢气微泡表面性质，高离子强度降低表面张力并抑制气泡聚并；电流密度通过电化学驱动力调控成核密度，高电流增强电场梯度促进小气泡核稳定存在；电极材料密度通过物理约束限制气泡生长尺寸；表面张力降低直接促进微泡生成并使大气泡更容易破碎细化。四因素协同作用的最优组合（Na₂SO₄ 1 mol/L、1.0 A电流、90 ppi 电极、0.25 mmol/L）实现了电化学驱动力、传质过程、物理约束和界面性质的综合平衡，产生高浓度微泡群。界面张力减小使气泡破碎细化效果显著增强，与其他三个因素形成协同效应，为矿物浮选提供最佳的气- 固接触界面。

在Na₂SO₄电解质体系下，系统考察了电解质浓度、电流、电极材料密度和捕收剂因素对活性氢气微泡和传统电解产生的氢氧混合气泡对石墨回收率影响。图8（a~c）展示了石墨回收率随电解条件的变化规律，图8（d）展示了石墨回收率随捕收剂柴油浓度的变化趋势。

由图8（a）可知，活性氢气微泡浮选石墨时，随Na₂SO₄浓度升高回收率显著增加，由34.66% 升至45.8%，增幅32.15%；而氢氧混合气泡浮选时的回收率虽然也随Na₂SO₄浓度增加而升高，但是整体低于活性氢气微泡浮选。图8（b）结果表明电流与两种气泡的石墨回收率呈显著正相关关系。电流由0.2 A 增至1.0 A时，活性氢气微泡浮选回收率从45.8%升至65.4%，增长42.8%，且均高于氢氧混合气泡浮选回收率。图8（c）结果指出活性氢气微泡和氢氧混合气泡的回收率随电极材料密度增加呈现先增加后减小的趋势，活性氢气微泡浮选和氢氧混合气泡浮选回收率分别在90 ppi 和60 ppi 时达到最大回收率，分别为67.33%和59.84%。这一规律与电极材料密度对产气量和气泡粒径（图6）的影响一致，这表明更小的活性氢气微泡粒径更有利于D₅₀ 为10 μm 石墨的回收。图8（d）在上述最佳条件下进一步研究了柴油用量对石墨回收率的影响。随柴油添加量上升，回收率呈现先增加后稳定的趋势，柴油用量为450 g/t 时，活性氢气微泡浮选回收率从70.58%升至81.67%并达到稳定， 而氢氧混合浮选回收率在柴油用量增至500 g/t 时，回收率稳定在79.81%，低于活性氢气微泡浮选回收率。

为探究活性氢气微泡对微细粒石墨浮选行为的微观机理，系统研究了活性氢气微泡浮选前后石墨颗粒粒径分布、不同状态下Zeta 电位、FT-IR 及气泡-矿物包覆角及表面官能团的影响规律（图9）。

图9（a）颗粒粒径分布表明，活性氢气微泡可以有效回收1~11 μm 的微细粒石墨，并减少大于11 μm 石墨的回收。Zeta 电位显示，微泡处理前后石墨的表面电位随pH值的变化差异显著。添加柴油并经活性氢气微泡处理后，石墨表面电位在酸性区域（pH<6）电位为-10.7~17.69 mV，中性及碱性区域后降至-12~-15 mV并趋于稳定，活性氢气微泡降低石墨表面负电位，减弱静电斥力，促进微细粒疏水；柴油在活性氢气微泡作用下形成稳定疏水膜，屏蔽表面电荷。FT-IR分析表明，石墨原矿显示O—H伸缩振动、C=C骨架振动和C—O伸缩振动峰；活性氢气微泡处理后，1577 cm ^-1 处C=O峰增强，表明羰基含量增加； 柴油-微泡浮选处理后，2924 和2855 cm ^-1处C—H 峰显著增强，表明柴油烷烃链成功吸附于石墨表面， 增强表面疏水性。图9d（1~4）结果表明，活性氢气微泡包覆角明显大于氢氧混合气泡。活性氢气微泡具有更小尺寸和更高表面能，能紧密吸附石墨表面形成稳定气-固界面。添加捕收剂后包覆角达到最大值40.12°，石墨颗粒黏附轮廓更清晰，矿物集合体粒径显著增加，捕收剂疏水与电解气泡协同优化界面稳定性。

1）活性氢气微泡在最佳电解质、浓度、电流、电极材料密度和起泡剂时充气效率最高为0.091 m³/（m² · min）， 且-10 μm 微小气泡占比最大（36.0%），表明通过电解条件和起泡剂可以实现活性氢气微泡的粒径和活性调控。

2）在最佳活性氢气泡产生条件下，柴油用量450 g/t 时，活性氢气微泡浮选石墨回收率比氢氧混合气泡浮选相比显著提高。且活性氢气微泡可以有效回收1~11 μm 的微细粒石墨，Zeta 电位、FT-IR 和包覆角研究进一步证明了电解活性氢气微泡对微细粒石墨高效回收的本质是活性氢气微泡对气-药-矿的界面调控。

3）电解活性氢气微泡降低石墨颗粒间静电斥力，增强疏水作用。捕收剂的添加在石墨表面形成稳定的疏水性覆盖层，进一步提升了活性氢气微泡与石墨的黏附力，活性氢气微泡与微细粒石墨具有最大包覆角为该结论提供有力证据。