纳米气泡（NBs）对粉煤灰浮选脱碳行为的影响

《Journal of Environmental Management》：Effect of nanobubbles (NBs) on the decarbonization behavior of fly ash flotation

　　

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  纳米气泡增强飞灰脱碳和未燃尽碳回收。
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  纳米气泡促进碳团聚，降低回收粒度的下限。
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  纳米气泡中和表面电位并增强碳的疏水性。
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  纳米气泡延长泡沫半衰期并改善泡沫层稳定性。

引言

飞灰已成为工业固体废物污染的典型来源之一，是电力行业持续发展过程中热电厂的主要副产品。灰渣占用土地资源，由于飞灰泄漏、扬尘等方式，会对周边土壤、水体和大环境造成多种类型的污染（Das和Prasanta，2023）。因此，大规模回收利用高品质飞灰是解决上述问题的关键途径。通过浮选脱碳技术处理飞灰可以显著提升飞灰在建筑材料和环保等领域的应用价值（Zhu等，2023）。此外，最近2026年的环境和经济评估强调，开发可持续的未燃尽碳回收工艺对于缓解与传统试剂过量使用相关的经济损失和环境负担至关重要（Cai等，2026）。然而，细粒飞灰由于重量轻且比表面积大，更容易被气流带走或随泡沫流失，导致传统飞灰浮选脱碳系统中未燃尽碳的回收量显著降低（Duan等，2023）。此外，细粒飞灰中的碳由于飞灰颗粒自身的优异团聚特性，其密度与灰渣相似，导致碳颗粒被团聚的细灰颗粒所包围，从而加剧了细灰团聚捕获碳的现象，影响了飞灰的脱碳效率。具有尺寸小、比表面积大等独特优势的纳米气泡（NBs）可以填充飞灰颗粒之间的空隙，并在未燃尽碳颗粒的疏水表面上选择性吸附，形成物理屏障（Nazari等，2022）。这一特性不仅有效改善了细灰在碳颗粒周围的团聚和包围现象，还进一步减少了颗粒夹带现象（Zhang等，2024）。目前，大量研究已证实纳米气泡在各类矿物浮选中表现出优异的性能。具体而言，最近2025年的微观界面研究表明，纳米气泡可以从根本上增强表面疏水性并促进细粒碳质颗粒的团聚（Deng等，2025），从而显著提高整体矿化效率（Tao和Sobhy，2019）。尽管纳米气泡在矿物浮选领域展现出巨大潜力，但纳米气泡与复杂飞灰系统中未燃尽碳之间的具体界面机制仍有待深入探索。具体而言，纳米气泡如何通过毛细桥连和表面电位调控来克服亲水灰渣的严重包覆作用仍不清楚。因此，本研究的创新之处在于系统解耦这些特定的界面相互作用，以证明纳米气泡如何有效降低细粒未燃尽碳回收的粒度下限。基于纳米气泡对飞灰的浮选动力学，本研究的主要目的是通过粒度、Zeta电位、接触角和泡沫稳定性分析，系统探索这些机制，为飞灰高效脱碳提供理论依据。

章节摘要

材料

样品取自中国山东省淄博市的一家电厂。采用X射线荧光光谱仪和X射线衍射进行多元素分析，以全面了解该样品中矿物的主要成分及含量，测量结果分别如表1和图1所示。由表1可知，样品中的主要元素为Si和Al，其中SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃和CaO含量最高，其含量分别为

纳米气泡的粒度分布

图7展示了本实验制备的纳米气泡经纳米颗粒分析仪测定的粒度分布。由图7可知，纳米气泡的粒径集中在220至620 nm之间，平均直径约为420 nm。测试结果与先前的研究略有不同，因为纳米气泡的粒度分布特征受发泡剂种类、发泡剂用量和空化作用等多种因素的调控

结论

纳米气泡的存在有效提高了飞灰脱碳的选择性和速率。通过使碳的疏水细颗粒团聚，纳米气泡降低了飞灰脱碳的粒度下限。从微观角度来看，纳米气泡有效改善了飞灰的表面性质，从而提高了飞灰的脱碳效率。基于研究内容，得出以下结论。

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  纳米气泡可以有效提高飞灰的脱碳率

CRediT作者贡献声明

谢思颖：撰写——初稿，方法论，调查研究，数据整理。马方圆：撰写——审阅与编辑，监督，资源提供，项目管理，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了辽宁省教育厅高等学校基本科研项目（LJ212510146016）的支持。

谢思颖|马方圆