9.2. Пьезоэлектрические явления при электросепарации минералов

В конце 19 – начале 20 века была установлена способность некоторых минералов изменять свои размеры (укорачиваться или удлиняться) при воздействии электрических зарядов. Такими кристаллами являются кварц, турмалин, сфалерит, каламин и ряд других. Впервые это явление было изучено супругами Кюри на кристаллах турмалина и кварца. Пьезоэлектрические свойства кристаллов объясняются присутствием в составе их кристаллической решетки электрических диполей, расположенных в определенных кристаллографических направлениях. При сжатии кристалла диполи сближаются и их суммарный электрический момент изменяется, что и приводит к появлению зарядов на поверхности кристалла или прилегающего к ней электрода. При растяжении кристалла заряд изменяется на противоположный.

Когда к обкладкам пьезоэлектрика (обкладки - электропроводные пластины, расположенные с противоположных сторон частицы пьезоэлектрика и контактирующие с ним) прикладывается разность потенциалов, то электрическое поле, сближая или раздвигая диполи, вызывают сжатие или растяжение кристалла, причем сжатие создается такой разностью потенциалов, которая появляется при растяжении, а растяжение вызывается таким электрическим полем, которое появлялось при сжатии кристалла. Это явление называется обратным пьезоэффектом.

Пьезоэлектрические эффекты при электросепарации минералов в обогатительных условиях не применяются.

9.3. Электрическая сепарация при использовании разницы в диэлектрических проницаемостях разделяемых минералов.

Диэлектрическая проницаемость вещества характеризует поляризуемость диэлектрика в электрическом поле. Прямой зависимости между диэлектрической проницаемостью вещества и его удельным сопротивлением нет. Все же наблюдается следующая закономерность: с уменьшением удельного сопротивления вещества его диэлектрическая проницаемость увеличивается, т.е. чем лучше тело проводит ток, тем больше его диэлектрическая проницаемость Диэлектрическая проницаемость кристаллов выше, чем аморфных тел того же состава. У кристаллического кварца диэлектрическая проницаемость равна 4,27 - 5,06, а у плавленого кварца 3,2 - 3,78.

Диэлектрическая проницаемость минералов зависит от химического состава вещества, строения его кристаллической решетки и, в некоторой степени, от температуры.

Диэлектрическая сепарация твердых тел была впервые проведена Хатвильдом в 1924 г.

Суть метода заключается в следующем:

1. В непроводящую электрический ток жидкость (жидкий диэлектрик), диэлектрическая проницаемость которой имеет среднее значение между диэлектрическими проницаемостями разделяемых минералов, помещается смесь твердых незаряженных частиц.

2. В этот жидкий диэлектрик помещаются два электрода, между которыми создается неоднородное переменное электрическое поле.

3. За счет индукции незаряженные диэлектрические частицы становятся диполями, степень поляризуемости которых зависит от их диэлектрической проницаемости.

4. Электрическое поле создает пондеромоторные силы, действующие на возникшие диполи. В результате этого происходит втягивание и выталкивание частиц из электрического поля. Возникающая сила определяется разностью величин диэлектрической проницаемости частицы ε₁ и среды ε, размером частицы r и напряженностью электрического поля Е.

F_понд = ε (ε₁ – ε)* r³ * Е gradЕ/(ε₁ + 2ε) (9.3.1)

В том случае, когда ε₁ > ε, частица втягивается в область наибольшей напряженности поля, если же ε₁ < ε, частица выталкивается пондеромоторными силами из области электрического поля. В воздухе под действием пондеромоторных сил частицы всех твердых тел втягиваются в поле, т.к. диэлектрическая проницаемость воздуха много меньше, чем диэлектрические проницаемости разделяемых минералов. В связи с этим воздух не может использоваться в качестве среды при диэлектрической сепарации. Это можно только было бы в том случае, если бы диэлектрические проницаемости минералов отличались на несколько порядков, а массы частиц отличались бы менее, чем на 10%. При диэлектрической сепарации не проявляется кулоновская сила из-за силы инерции, т.к. к электродам прикладывается переменный электрический ток. Пондеромоторные силы, действующие на частицу, находящуюся в переменном электрическом поле, не зависят от направления вектора напряженности, т.к. с изменением его направления изменяется и направление поляризации.

Диэлектрической сепарации можно подвергать минералы, диэлектрическая проницаемость которых различается не менее чем на 1,5 – 2,0. Подбором напряжения, подаваемого на электроды, между которыми происходит разделение в среде жидкого диэлектрика, достигается достаточная разница пондеромоторных сил поля, действующих на частицы минералов и, соответственно, отделение частиц одного минерала от частиц другого минерала. При соответствущем подборе жидких диэлектриков становится возможным последовательно обрабатывать смесь сепарируемых минералов, выделяя постепенно один минерал за другим, что и делают при минералогических анализах.

Чаще всего в качестве жидкого диэлектрика используется смесь нитробензола (диэлектрическая проницаемость 36,5) с керосином (диэлектрическая проницаемость 2,0). Смешивая эти жидкости в разных пропорциях, можно получить жидкость с диэлектрической проницаемостью практически любой требуемой величины в зависимости от состава разделяемых минералов.

Кроме указанной пары жидкостей могут применяться также следующие:

- четыреххлористый углерод + метиловый спирт,

- бензол + нитробензол,

- гексан + ацетон,

- бензол + фурфурол,

- толуол + нитротолуол.

Все указанные пары жидкостей имеют ряд существенных недостатков, из-за чего диэлектрическая проницаемость в промышленных условиях до сих пор не применяется. Они дороги, дефицитны, пожароопасны (за исключение четыреххлористого углерода), обладают неприятным запахом, токсичны, а поэтому необходимо работать под тягой.

Жидкости должны быть непроводящими и стойкими по отношению к действию электрического поля, они должны хорошо смешиваться в любых соотношениях. Вода вследствие ее электропроводности в качестве среды неприменима.

Напряженность поля при диэлектрической сепарации колеблется от 50 до 700 кВ/м. Пондеромоторные силы поля сравнительно малы и резко убывают с возрастанием расстояния между электродами. При увеличения напряженности электрического поля и уменьшения расстояния между электродами выход материала, притягивающегося к электродам, увеличивается. Крупность материала не должна превышать 0,2 мм, нижний предел крупности обогащаемого материала должен быть не менее 20 микрон. Результаты сепарации улучшаются при обогащении узкоклассифицированного материала. С уменьшением крупности материала следует увеличивать напряженность электрического поля, благодаря чему эффективность процесса повышается. При повышении температуры диэлектрическая проницаемость жидких веществ уменьшается. Диэлектрическая проницаемость зависит от агрегатного строения вещества: в жидком состоянии она больше, чем в твердом, большое значение имеет чистота вещества. Вода, например, при малейшем загрязнении становится хорошим проводником.

В диэлектрическом сепараторе сила притяжения частицы может быть определена по формуле:

F = K V dE/dx (9.3.2)

V – объем частиц;

E – напряженность поля между электродами (100 – 200 кВ/м);

x – расстояние от частицы до электрода;

K – коэффициент, зависящий от диэлектрической проницаемости частицы и диэлектрической проницаемости среды.

K = 3 ε₁ (ε₁ – ε) / 8 π (ε₁ + 2ε) (9.3.3)

В процессе диэлектрической сепарации разделение происходит в резко неоднородном электростатическом поле переменной полярности напряженностью до 500 – 700 кВ/м. Определяют процесс пондеромоторные силы. Из механических сил, действующих на частицу, должны быть приняты во внимание сила тяжести и сопротивление среды как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Результирующая сила, действующая на частицу, определяется следующей формулой

F = (±F_п + F’_с) + (F_т - F_с), где (9.3.4)

F_п – пондеромоторная сила;

F_т – сила тяжести;

F’_с – сила сопротивления среды в горизонтальном направлении;

F_с – сила сопротивления среды в вертикальном направлении.

В литературе отмечено, что метод диэлектрической сепарации применим ко многим комплексам минералов, например, для обогащения оловянной руды (причем извлечение касситерита может достигать 85%). Возможно также обогащение кобальтовых, никелевых и комплексных ванадиевых руд.

Большой интерес представляет возможность разделения минералов с близкой плотностью (кальцит – доломит, магнезит – доломит, сидерит – доломит, кварц – каолинит), т.к. имея близкие плотности и удельное сопротивление, они значительно отличаются друг от друга величиной диэлектрической проницаемости.

В настоящее время известно много конструкций сепараторов непрерывного и периодического действия. Впервые конструкция диэлектрического сепаратора непрерывного действия предложена в 1955 г. Лавровой.

Аппарат (рис. 9.3.1) представляет наклонную пластину из плексигласа (полиметилметакрилата) размером 180x100x5 мм, на нижней поверхности которой вдоль направления сползания частиц проточены канавки, не доходящие до верхней поверхности на 1 мм. В них укладываются медные проволоки диаметром 0,5 мм, заливаемые затем полистиролом или плексигласом. Для удобства загрузки и разгрузки сепарируемого материала электроды 1, 2, 3 и 4 в верхней и нижней частях несколько разведены (относительно оси симметрии). Знаки зарядов внутренних (2, 3) и внешних (1, 4) электродов противоположны.

Рис. 9.3.1 Сепаратор «Наклонная плоскость» для сепарации (с вмонтированными электродами).

Рабочей частью аппарата, в которой происходит разделение частиц является горловина «А» (особенно ее узкая часть). Расстояния в этой части поля между электродами 2 и 3 равно 12 мм, а между электродами 1 и 4 – 28 мм. Сепарируемый материал загружается в аппарат с помощью воронки по направлению «ММ». В выталкивающем поле горловины «А» частицы с диэлектрическими проницаемостями, большими чем диэлектрическая проницаемость среды, а также проводящие частицы выталкиваются по направленно стрелок «mm» в области поля, образованного разноименно заряженными парами электродов 1, 2 и 3, 4 и отводятся в приемник «КК».

Частицы же с диэлектрической проницаемостью меньше или равной диэлектрической проницаемости среды падают по направлению стрелок «nn» в приемник. Для предотвращения попадания частиц до их разделения в центральную часть поля, где пондеромоторные силы малы, на плоскость наклеивается распределитель в виде небольшого заостренного сверху и снизу слоя плексигласа.

Угол наклона плоскости по отношению к горизонтали меняется в зависимости от крупности сепарируемого материала и других факторов в пределах 50 – 55°. Производительность аппарата 50 – 100 г/час. Электропитание его осуществляется переменным током 50 Гц, напряжением 13 кВ, потребляемая мощность около 250 Вт. На этом аппарате хорошо разделяются не только смеси проводников и непроводников (кварц – гематит), но также непроводники со сравнительно близкими значениями диэлектрической проницаемости (кварц – циркон). Описанный аппарат пригоден для минералогических анализов.

На рис. 9.3.2 показан диэлектрический сепаратор непрерывного действия, разработанный в 1968 г. В нем электрическое поле создается между системой параллельных наклонных электродов, смещенных относительно друг друга. На этом сепараторе при соответствующем подборе напряжения на электродах и жидкой разделительной среды разделяются частицы с любыми диэлектрическими проницаемостями и проводимостями не на основе разности направлений их движения, а на основе разности величин пондеромоторных сил. Содержание разделяемых компонентов в соответствующих фракциях после одной операции составляет от 88 до 99,8 % при извлечении от 68,6 до 99,5 %. При перечистке продуктов сепарации показатели разделения повышаются. Производительность лабораторного сепаратора равную 2 кг/час на 20 щелей можно значительно повысить, увеличив число разделительных щелей. Крупность сепарируемых материалов 500 – 20 микрон. В качестве среды, наиболее пригодной для использования в этом методе, основанном на разности пондеромоторных сил, является чистый скипидар или скипидар с добавлением 1 – 3 % нитробензола. Эти среды характеризуются невысокой проводимостью и длительным сроком работы (несколько месяцев).

В последнее время разработаны комбинированные сепараторы, в которых используются принципы диэлектрического и электростатического разделения. Это обусловлено зависимостью результатов разделения от расположения анода и катода и возможностью применения однородного электрического поля, в котором происходит разделение частиц. Зарядка частиц в этих сепараторах происходит, очевидно, за счет применения диэлектрических сред, в которых имеет место высокие концентрации полярных добавок, что проводит к значительному увеличению проводимости сред, в результате чего возможна ионная зарядка частиц. Полялковский Ю.К. в 1961 г., проводя исследования в Иргередмете, установил, что структура электрического поля (направление векторов напряженности и градиентов напряженности) вблизи щели в изолированной плоскости, помещенной в токопроводящую среду, в основном такая же, как и вблизи тонкого металлического электрода. Преимущества щели по сравнению с электродом заключается в том, что через нее удаляются притягивающиеся частицы, чем обеспечивается непрерывность процесса сепарации. Различие электропроводностей материала и среды должно быть значительным.

Рис. 9.3.2. Диэлектрический сепаратор.

1 – корпус; 2 – электроды; 3, 4 – приемники; 5 – делительная перегородка; 6 – бункер; 7 – выпускные краны; 8 - средние траектории частиц разделяемых компонентов (показаны пунктирными стрелками).

На рис. 9.3.3 представлена схема комбинированного барабанного сепаратора конструкции КазИМСа. Сепарируемый материал подается питателем на вращающийся барабанный электрод, находящийся под переменным напряжением 5,5 кВ. Над ним располагается система электродов, расположенных «елочкой». Напряженность поля между отдельными верхними электродами и барабаном можно изменять. Диэлектрическая среда – смесь керосина с нитробензолом.

Частицы минералов с ε₁<ε под действием поля сбрасываются в приемник 4. Частицы минералов с ε₁>ε под действием поля притягиваются к барабану и разгружаются в приемник 5.

Диэлектрической сепарацией можно извлекать из первичных алмазосодержащих концентратов мелкие ( – 0,5 мм) кристаллы алмазов.

В сепараторе, схема которого показана на рис. 9.3.4, для рационального использования всего рабочего объема знак заряда тонких параллельных наклонных цилиндрических электродов чередуется как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

Рис. 9.3.3. Схема комбинированного барабанного сепаратора конструкции КазИМСа. Производительность по питанию 5 – 20 кг/(ч*м). Расход электроэнергии 175 кВт*ч.

1 – Питатель; 2 - Вращающийся барабанный электрод; 3 - Система электродов; 4, 5 - Приемники.

Разработанный в 1974 году сепаратор (Жусь Т.В. и Журавлевой В.И) отличается сравнительно простой конструкцией, он имеет хорошие показатели разделения и достаточно высокую производительность. На разделение твердых тел в поле диэлектрического сепаратора влияют скорость движения разделяемых частиц в этом поле. Разделяемый дисперсный материал подается через щель бункера в верхние слои сепаратора, недалеко от его вершины. Частицы того компонента, который имеет большую диэлектрическую проницаемость, чем среда, притягиваются и отводятся по наклонным электродам к нижнему их концу. Частицы хвостов выделяются из поля против места их загрузки.

За время прохождения активной зоны электрода частица, выделенная в концентрат, должна закрепиться у электрода. На результаты разделения оказывает влияние величина диэлектрической проницаемости, удельная электропроводность среды, напряжение на электродах для тел с данной величиной диэлектрической проницаемости, электропроводностью и плотностью.

Кроме скипидара, керосина и нитробензола, который добавляют в небольших количествах (3 – 5 %) для изменения величины диэлектрической проницаемости, в последнее время нашли применение новые жидкости, значительно менее токсичные такие как, например, метилформамид и диметилформамид. Эксперименты по изучению диэлектрических свойств растворов этих жидкостей в скипидаре при изменении концентрации от 1 до 15 % показали, что их диэлектрические свойства мало отличаются от диэлектрических свойств нитробензола, который чрезвычайно токсичен.

Рис. 9.3.4.

а. Схема диэлектрического сепаратора.

б. Блок электродов.

1 – Электроды; 2, 3 - Электродные пластинки; 4, 5 - Клеммы источника напряжения; 6 – Питатель; 7 – Ванна; 8, 9 - Воронки отвода продуктов разделения; 10, 11 - Бункеры отвода продуктов разделения.

Разделение материалов на этом сепараторе проходит весьма успешно. Однократное пропускание через сепаратор предварительно расклассифицированных по крупности и просушенных при температуре 150 – 200⁰С материалов позволяет получить извлечение разделяемых компонентов в соответствующие фракции от 80 до 96,4 % при содержании от 80 до 97 %. Крупность материала при диэлектрической сепарации составляет – 0,3 + 0,02 мм. Расход электроэнергии от 9 до 35 кВт*ч/кг. Производительность от 5 – 20 кг/час на метр ширины питания.

В промышленности диэлектрическая сепарация имеет весьма ограниченное применение в силу малой производительности сепараторов, высокого расхода электроэнергии, а также огнеопасности и токсичности сред разделения.