《Journal of Environmental Management》：Mechanisms, research progress and future prospects of ion flotation technology for heavy metal wastewater treatment: guided by the dual objectives of pollution control and resource recovery
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离子浮选技术通过“反应-离子-气泡”三相界面协同作用，高效分离低浓度重金属并实现污染控制与资源回收双重目标，系统分析其机理、设备、应用及挑战，提出绿色试剂、智能流程优化和跨学科整合的未来方向。
王蓉|关晓彤|唐志鹏|张晨阳|孙伟
中国中南大学矿物加工与生物工程学院，教育部金属资源开发利用减排工程研究中心，矿物加工与生物工程国家重点实验室，长沙410083
摘要
随着全球工业化进程的加速，重金属废水污染已成为一个制约生态安全和可持续发展的关键环境问题。这类废水不仅对生态安全构成威胁，还会导致宝贵金属资源的浪费。传统的处理技术存在诸多局限性，如产生大量污泥、资源回收效率低以及能耗高，难以同时满足“污染控制-资源回收”双重目标的要求。离子浮选技术依靠“试剂-离子-气泡”三相界面的协同效应，通过表面活性剂与重金属离子之间的特异性相互作用，实现低浓度重金属的有效分离和富集，为克服传统技术的瓶颈提供了一种可行的方法。本文创新性地关注了该技术的资源回收潜力，并从污染控制和资源回收双重目标的角度，系统地回顾了离子浮选技术的核心机制、捕集系统、典型设备及其工业应用实践。同时，也指出了该领域在资源回收和大规模应用方面目前面临的关键挑战。目前，该技术面临试剂的“成本-稳定性-环境友好性”平衡、实际废水中的复杂基质干扰、设备放大与资源回收效率之间的矛盾以及智能化程度不足等问题。未来应重点发展绿色捕集剂、优化智能工艺以及促进跨学科融合。通过建立政策支持和标准体系，离子浮选技术将朝着“高效净化-资源高值化利用”的方向实现综合升级，为重金属废水的可持续处理提供支持。
引言
随着全球工业化进程的加快，重金属污染已成为制约生态安全和可持续发展的关键环境问题，而重金属废水是这一污染的主要来源（Hundessa等人，2024；Jiao等人，2022；Wang等人，2023；Wu等人，2022；Rahman等人，2025）。电镀、冶炼和采矿等工业生产过程不断产生大量重金属废水，导致排放规模巨大（Deng等人，2023；Butt和Yin，2024；Waqas和Ahmad，2024；Xiong等人，2023；Sun等人，2018；Sachdev等人，2021；Xie，2024；Ishmael等人，2024）。据统计，到2024年全球重金属废水排放量已达120亿吨（INWWIN，2025），这类废水中含有Cu(II)、Cd(II)、Cr(VI)和Pb(II)等典型有毒离子，进一步加剧了污染危害（Yenduri等人，2025；Ehis-Eriakha和Akemu，2022；Utomo等人，2016）。从日本的水俣病（由汞污染引起）（Sakamoto等人，2025；Nakamura等人，2019）到伊朗卡伦河的重金属污染（Jadari等人，2025），以及世界各地众多河流面临的类似问题（Luo等人，2024；Kasanin-Grubin等人，2023；Li等人，2019a），一系列典型案例凸显了重金属废水处理的紧迫性和严重性。
面对重金属废水污染的挑战，现有的处理策略主要围绕“污染控制”这一单一目标展开，难以同时满足“污染控制和碳减排”及“资源回收”的协同需求。例如，化学沉淀法作为最常用的技术，虽然成本低廉，但存在产生大量污泥、重金属浸出风险高以及资源回收效率极低的缺点（Millán-Becerro等人，2020，2022；Wang等人，2003；Torras等人，2012；Chung等人，2015；Esposito等人，2006）；吸附法利用材料的高比表面积，可实现对低浓度重金属超过90%的去除率，但传统的吸附剂热再生方法能耗高，再生后吸附能力显著下降，导致运营成本大幅增加，难以大规模应用（Zhou等人，2024；Kahrizi等人，2016；Naseer，2024；Zhu等人，2015；Ponomarev等人，2019）。尽管膜分离技术具有极高的去除率，但膜组件容易因浓度极化和重金属沉积而发生污染，导致使用寿命缩短（Acarer，2023）。此外，浓缩后的溶液需要进一步处理，无法实现“处理-回收”的闭环（Gheimasi等人，2021；Covaliu-Mierla等人，2023；Samavati等人，2023；Nompumelelo等人，2023；Yi等人，2025；Gwon等人，2003）。这些技术的共同缺点在于未能平衡污染控制和资源回收的目标：有些技术侧重于符合排放标准，忽视了资源价值；而另一些技术则追求回收效率而牺牲了环境效益。因此，它们难以在“双重碳”目标下实现“污染物减少-资源价值提升-能耗降低”的协同改进。
在这种背景下，开发能够同时实现“污染减少、资源回收和低碳排放”多重目标优化的创新技术已成为重金属废水处理领域的迫切需求（Xu等人，2022；Wang等人，2025）。离子浮选技术通过表面活性剂与重金属离子之间的特异性相互作用，在气液界面实现重金属离子的有效分离和富集，其核心优势在于有效整合了污染控制和资源回收的双重目标，成为突破传统重金属废水处理技术瓶颈的有前景的关键方法（Zhai等人，2023；Sun等人，2025；Keles等人，2024；Abd El Dayem，2022；Cheng等人，2025a，2025b）。
然而，现有的综述研究仍存在明显不足。首先，基于双重目标的去除机制较为零散，缺乏系统整合。大多数现有研究仅关注单一作用机制或单一参数的影响，更侧重于满足废水排放标准，未能深入分析“污染控制效率与资源回收潜力”之间的协同规律，难以平衡“环境毒性”与“资源回收纯度”之间的关系。此外，现有综述大多局限于单一创新点（如“纳米材料在浮选中的应用”、“生物表面活性剂的环境效益”），未能建立涵盖“材料创新-设备升级-工业应用”的完整创新路径，这使得技术难以从实验室研究顺利应用于实际生产。
因此，亟需系统地梳理和整理离子浮选技术的“污染控制与资源回收”协同机制，整合绿色捕集剂和智能工艺等创新路径，填补理论研究与实际应用之间的空白。这将为实现基于双重目标的重金属废水协同处理提供从“机制分析-技术优化-工程实施”的全链条指导。本文以“污染控制和资源回收双重目标驱动”为核心，从基本原理出发，系统阐述了离子浮选的机理和关键影响因素，深入分析了“试剂-工艺-产物”的协同调控规律，并整合了绿色化和智能化等创新路径。结合典型应用案例和工业实践，本文明确了技术瓶颈和未来发展方向，旨在为重金属废水的可持续处理和资源回收提供理论支持和技术参考。
离子浮选技术的起源与介绍
浮选技术起源于矿物加工工程领域，用于矿物分离和提纯。其主要原理是在矿浆中加入一定量的捕集剂和起泡剂，利用矿物表面润湿性的差异，使疏水性矿物附着在上升的气泡上并移至泡沫相，而亲水性矿物则留在槽底，从而实现有价值矿物与脉石矿物的有效分离和提纯。
离子捕集剂
作为离子浮选技术的核心功能材料，离子捕集剂凭借其高选择性和富集能力推动资源回收，成为连接“污染控制”和“资源回收”双重目标的关键纽带。它们通过“电荷匹配-疏水性协同作用”（即分子结构中的极性基团与重金属离子之间的特异性相互作用）实现水相中重金属的有效分离。
离子浮选的典型设备与放大
作为离子浮选技术的核心支撑，捕集系统通过其选择性、富集能力、环境友好性和成本效益决定了其工业应用的技术可行性和经济可行性。前一章对离子捕集剂、生物表面活性剂捕集剂、纳米粒子捕集剂等不同类型捕集剂的系统研究，不仅阐明了各类捕集剂实现目标分离的机制
核心挑战
尽管离子浮选技术在重金属废水资源回收方面表现出高效分离和富集的优势，但在从实验室研究向工业应用转化过程中仍面临以下瓶颈：
捕集剂“成本-稳定性-环境友好性”的平衡难题。为提高重金属离子的浮选效率，需要使用捕集剂和起泡剂等试剂。一些高效捕集剂虽然效果显著
结论与未来展望
通过“试剂、工艺和产物”的协同调控，离子浮选技术在重金属废水处理中实现了污染控制和资源回收的双重目标整合。本文从基本原理出发，系统阐述了离子浮选的机理、工艺和关键影响因素，并详细介绍了用于重金属废水处理的离子浮选试剂的最新研究进展。
CRediT作者贡献声明
王蓉：撰写——初稿撰写、软件开发、数据整理、概念构思。关晓彤：撰写——初稿撰写、可视化设计。唐志鹏：撰写——初稿撰写、概念构思。张晨阳：撰写——审稿与编辑、资源协调、资金争取、概念构思。孙伟：撰写——审稿与编辑、资源协调、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2025YFE0107600）的财政支持，以及XPCC（项目编号：2025DB009）的自然科学支持。
