礦產資源是國民經濟發展的關鍵物質基礎，其中金屬礦產資源主要包括硫化礦和氧化礦。泡沫浮選法則是實現這些金屬礦產資源高效利用的主要技術手段。它是通過浮選藥劑在礦物表面選擇性吸附，擴大有用礦物和脈石礦物的疏水性差異，利用氣泡捕捉疏水有用礦物顆粒，上浮到礦漿泡沫表面，從而實現有用礦物與脈石的分離。其中，浮選藥劑是這一技術的“靈魂”。經過100多年的發展，硫化礦浮選理論和浮選藥劑趨于成熟，資源利用率高（回收率普遍達90%以上）。然而，氧化礦表面親水性強，礦物間的分離極為復雜，長期以來缺乏高精度浮選藥劑體系，資源利用率低，極大地制約了金屬氧化礦資源的高效開發利用。例如，攀西地區是世界最大的鈦鐵礦產區，占世界儲量的35%，鈦回收率不足20%；川藏鋰礦帶是亞洲第一大鋰礦區，占中國硬巖型鋰資源70%以上，回收率不足70%；南嶺地區是全球最大的鎢礦區，黑白鎢資源回收率不足60%；贊比亞-剛果（金）是全球第一大氧化銅鈷礦帶，銅鈷回收率不足50%。諸如此類的復雜礦產資源開發利用技術一直都是世界性難題，瓶頸亟需突破。

孫偉教授與團隊部分成員

中南大學胡岳華、孫偉教授帶領團隊，在三個國家“五年計劃”重大項目的持續支持下，更新迭代浮選藥劑分子設計方法，發明了高選擇性的金屬基膠體浮選藥劑新體系，實現了鈦鐵礦、鋰輝石、鎢礦、氧化銅鈷礦等復雜礦產資源的高效利用。新技術在國內外20余家大型金屬氧化礦礦山大規模應用，有效保障了原材料的安全供給。

在礦物浮選分離的過程中，一個關鍵因素是利用浮選藥劑對有用礦物表面進行選擇性疏水調控。然而，氧化礦表面的強親水性特點降低了其與捕收劑之間的反應活性。傳統藥劑多以分子或離子形式通過靜電、氫鍵或化學鍵吸附于礦物表面，藥劑取代水化層反應速度慢、疏水層薄，疏水強度不足，浮選動力學慢，導致氧化礦浮選分離效果差。近百年來，礦物浮選領域研究的核心是如何提高藥劑分子/離子與礦物的作用效率，各種新藥劑、組合藥劑以及浮選劑結構-性能關系研究獲得了快速發展，推動了礦物浮選技術發展。然而，分子或離子類浮選藥劑在礦物表面往往呈現單分子層或多分子層吸附、定向排列，其疏水程度有限，要在礦物表面強化疏水方面有質的突破，就必須另辟蹊徑，開發全新的“神藥”。

孫偉教授正在進行新型浮選藥劑的浮選實驗

針對這一難題，團隊提出了浮選藥劑金屬離子配位調控分子組裝新理論，突破傳統選礦藥劑大都使用“含N、P、O的有機酸基團”的理念，巧妙地利用金屬離子作為藥劑官能團，藥劑地選擇性得到質的提升。在國際上首次發明了“鉛離子-苯甲羥肟酸”金屬配合物捕收劑，解決了白鎢礦與方解石、螢石等相似含鈣礦物的浮選分離世界性難題。據此開發了黑白鎢短流程常溫混合浮選新技術，打破了選鎢必加脂肪酸和水玻璃的鐵律，極大地簡化藥劑制度；取代延用近百年的“彼德洛夫法”加溫浮選技術，簡化生產流程，大幅提高生產穩定性。2015年，該技術成功應用于南嶺成礦帶最大的鎢鉬多金屬礦-湖南柿竹園，鎢粗精礦品位由5-10%提高至40%以上，鎢綜合回收率整體提高8%以上。隨后，該技術在寧化行洛坑鎢礦、湖南有色黃沙坪、哈薩克斯坦等礦山推廣應用，推動了鎢礦浮選領域的產業變革，極大地保障了我國在優勢資源領域的話語權。獲2018年國家科技進步二等獎。

孫偉教授指導學生進行浮選藥劑分子的設計

在金屬配合物浮選藥劑設計開發的研究過程中，實踐發揮了關鍵作用，使研究團隊對相關事物不斷產生新認識。研究人員在深入探索中，對配合物的結構、形態以及作用機制的理解逐漸加深。團隊發現金屬配合物的進一步形態是納米膠體，當膠體的形態控制在某一特定的區間，浮選分離的效率會出現質的飛躍，特別是浮選速率。這一發現又一次顛覆了傳統的認知“當表面活性劑形成膠體時，藥劑失效”。針對這一發現，團隊大膽地提出了膠體捕收劑的概念，并進一步提出了表層疏水的假設。將對目的礦物有專屬作用的金屬離子與捕收劑“預先裝配”反應生成功能化的疏水膠體藥劑，其表面大量的活性離子基團靶向作用于目的礦物表面活性位點，藥劑的作用形式由傳統的單齒配位轉變為多齒配位，由微觀吸附主導轉變為膠體顆粒介觀作用主導，革命性提升藥劑對礦物的選擇性和作用速度；礦物由表面疏水轉變為表層疏水，疏水層厚度由埃米級提高至納米級，浮選速率提升數倍。據此，團隊開發了鈦、鋰、銅、鈷等關鍵金屬資源專屬的膠體捕收劑，相似礦物間的浮選分離效率提升50%以上。據統計，這一技術支撐了我國1/3以上鋰輝石、鎢礦、氧化銅鈷礦、螢石等精礦產品的安全供給。2023年獲得國家科技進步二等獎。

膠體浮選藥劑體系的成功應用為浮選藥劑的設計開發提供了全新的方向，有望推動復雜礦產資源的高效開發利用。目前，這項技術已經授權國際發明專利6件（美國、俄羅斯、加拿大、哈薩克斯坦）、國家發明專利47件，發表高水平論文88篇，在膠體捕收劑領域知識產權占全球90%以上，引領國際最前沿。未來，團隊將深耕這一領域，持續推進浮選藥劑的創新與發展，支撐國家礦產資源的安全供給。（白小果）