微纳气泡对不同粒径锂辉石的影响：浮选行为与气泡特性

《Powder Technology》：Influence of micro-nano bubbles on spodumene of different particle sizes: Flotation behavior and bubble characteristics

　　

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  MNBs能够显著提升锂辉石的浮选回收率，尤其是对细小颗粒而言，而在较低试剂用量时效果最为显著。
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  MNBs可促使颗粒更紧密地聚集，从而为提高细颗粒的浮选效率提供重要机制。
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  空化参数能够有效调控MNBs的尺寸与分布，将气泡动态与浮选性能联系起来。

引言

锂是新能源领域至关重要的金属，其应用范围涵盖锂离子电池、制药、合金材料以及航空航天部件制造等领域[1]。日益增长的市场需求使得锂的供应来源从成本较低的盐湖卤水转向含锂矿石（如锂辉石、锂云母、锂铁矿等）[2]。锂矿石通常与伟晶岩相伴出现，主要由石英、长石和云母等相互交织的矿物颗粒构成[3]。由于锂辉石已成为提取锂的核心矿物，其高效分离直接决定了锂电池产业链的成本与产能。在锂辉石浮选过程中，锂辉石与其脉石矿物（均为硅酸盐）表面性质相似，这给高效分离带来了很大挑战[4]。众多研究致力于开发新型捕收剂以提高锂辉石的回收率。然而，传统浮选工艺在工业化应用中面临诸多难题：过量试剂消耗会增加生产成本，试剂泄漏则会带来环境风险[5]、[6]，而且传统捕收剂提升回收率的效果也较为有限[7]、[8]。因此，要进一步提升浮选效率，就需要解决多项技术瓶颈，这在理论研究与工程应用层面都存在巨大挑战[9]。

微气泡一般指直径在1–100微米之间的气泡，而纳米气泡则是指直径小于1微米（通常为50–1000纳米）的气泡。在本研究中，水力空化产生的气泡分散体中同时含有微气泡和纳米气泡。因此，除非另有说明，本文中“微纳气泡（MNBs）”这一术语用于指代这两种气泡的共存状态。由于其尺寸小、比表面积大、界面活性高、在体系中的停留时间长，以及具备优异的气液传质能力，MNBs在矿物加工领域受到了越来越多的关注[10]、[11]、[12]。近年来，MNBs技术已被广泛应用于矿物浮选、废水处理以及环境修复领域。在这些应用中，提高细粒和超细矿物颗粒的浮选性能已成为研究重点，因为MNBs能够显著提升颗粒的捕获效率，加快浮选速度，并提高分离的选择性。

先前的研究已表明，MNBs能够显著提升多种矿物体系中的浮选性能。传统浮选工艺仅能在10–37微米尺寸范围的颗粒上实现稳定的回收率，而超细颗粒（<10微米）由于比表面积极高，极易被脉石包裹，因此很难同时实现高浓度产品与高回收率。因此，借助MNBs的浮选方法被视为克服超细颗粒浮选这一长期难题的有效策略[13]。Sobhy等人[14]发现，在反磁铁矿浮选过程中，纳米气泡能够同时提升产品的浓度与回收率。在硫化物矿物浮选中，引入MNBs后黄铜矿的回收率提升了24.5%，整体矿石回收率也提高了约7%[15]。最近，Ren等人[16]提出了界面气体富集机制，证明MNBs可通过增加矿物表面的局部气体浓度，从而提升对细颗粒的选择性分离。其他研究还进一步表明，MNBs可通过多种机制提升浮选性能，包括增加颗粒与气泡的碰撞概率、提高颗粒与气泡的附着效率、抑制气泡聚并以及加快浮选速度[17]、[18]、[19]。

近期的机理研究已从性能评估转向界面相互作用分析。Kosior等人[20]指出，浮选效率受水力条件、气体分散特性、液膜稳定性以及气液界面性质的共同影响，这些因素共同决定了颗粒与气泡之间的碰撞、附着与脱离过程。实验观察与理论分析相结合的结果表明，MNBs能够改变矿物颗粒的表面电荷分布，增强颗粒的疏水性，促进疏水絮体的形成，并充当连接相邻颗粒的微观桥梁，进而提升絮体的稳定性与浮选回收率[21]、[22]、[23]、[24]。Tao等人[25]进一步提出，由空化作用产生的MNBs能够自发附着在矿物表面，绕过效率较低的碰撞阶段，降低颗粒与气泡脱离的概率。Liu等人[22]证明，在添加试剂的浮选系统中，MNBs能够调控颗粒尺寸分布，有助于形成更大的疏水絮体。此外，我们最新的研究也表明，NaOL/DDA与MNBs协同使用的体系通过提升捕收剂的利用率并加强颗粒与气泡的界面相互作用，显著提升了锂辉石的浮选效果[26]。

尽管取得了这些进展，但包括我们之前的研究在内，大多数现有研究主要聚焦于要么(i)单一尺寸颗粒体系，要么(ii)捕收剂与MNBs的协同效应，未能充分考虑气泡生成条件与多尺寸颗粒群体之间的跨尺度耦合关系。尤其需要指出的是，虽然已有研究报道了颗粒尺寸对浮选行为的影响，但这些研究往往是将颗粒尺寸特性与气泡形成特性分开讨论的，这限制了人们对实际多分散体系中尺度依赖型气泡-颗粒相互作用的理解。此外，尽管先前研究强调了界面气体富集的作用，但空化作用所调控的气泡群体特性对尺寸依赖型浮选行为的影响尚未得到充分阐明，尤其是在涉及不同尺寸颗粒分布的体系中。

工业上的锂辉石浮选本质上是一个多分散体系，其中粗粒、中等粒径和超细颗粒共存。由于颗粒与气泡的碰撞概率、附着效率、聚集行为以及捕收剂的吸附作用都强烈依赖于颗粒尺寸，因此在相同的水力条件下，不同尺寸颗粒的浮选表现可能会出现差异。因此，建立一种能够考虑气泡生成特性与多尺寸颗粒浮选行为之间耦合关系的框架，对于深入理解实际矿物体系中的浮选性能具有重要意义。

为填补这一知识空白，本研究选用油酸钠作为捕收剂，系统研究了三种具有代表性的锂辉石颗粒尺寸区间（?74~+38微米、?38~+20微米以及?20微米）在传统浮选条件与MNBs辅助浮选条件下的浮选行为。与以往仅聚焦于单一尺寸颗粒区间或捕收剂与气泡协同效应的研究不同，本研究着重探讨了由空化参数调控的气泡群体与颗粒尺寸依赖型浮选响应之间的耦合效应。通过全面分析气泡特性、浮选回收率、颗粒聚集行为、溶解氧含量、表面张力以及捕收剂吸附情况，本研究建立了适用于尺寸依赖型MNBs辅助锂辉石浮选的统一机理模型。该研究为理解不同尺寸颗粒间的气泡-颗粒相互作用提供了更为全面的视角，也为优化锂矿石浮选工艺提供了理论指导。

章节要点

材料与试剂

锂辉石样品采自中国新疆，通过在波长为325纳米的紫外光源下进行手工净化处理。原矿锂辉石经过破碎、筛分、湿法研磨、再次筛分以及干燥等工序，得到了三种不同尺寸区间的颗粒：?74~+38微米、?38~+20微米以及?20微米。样品的化学成分如图1所示。（详见表1。）

气泡尺寸与分布分析

纳米粒子追踪分析（NTA）是一种基于光学散射的方法，可用于快速评估

气泡特性分析

图4展示了含油酸钠溶液中纳米级气泡的颗粒尺寸-浓度分布变化曲线。空化流速与空化时间都会影响气泡的尺寸与浓度[32]、[33]。如图4(a)所示，在空化流速为0.1升/分钟的条件下，对应的尺寸分布曲线会出现多个强度不同的峰值。随着空化流速的升高，分布曲线两侧的峰值

结论

本研究系统分析了MNBs在调控不同尺寸区间锂辉石浮选行为中的作用，重点研究了气泡特性、界面性质以及颗粒聚集机制。

(1)在水力空化体系中，空化参数会显著影响气泡的尺寸分布与稳定性。当空化流速为0.1升/分钟、空化时间为5分钟时，MNBs的稳定性最佳，此时气泡

CRediT作者贡献说明

常天娇：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，研究工作，正式分析，数据整理。刘杰：写作——审稿与编辑，研究指导。陶媛媛：方法设计。鲜佳宇：概念构思。朱一民：研究指导。李彦军：资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢国家重大科技专项“深部地下”项目（项目编号：2024ZD1004004）的支持。

Tianjiao Chang|Jie Liu|Yuanyuan Tao|Jiayu Xian|Yimin Zhu|Yanjun Li