10.3. Подготовка материала к электросепарации.

Перед процессом электросепарации необходимо провести ряд подготовительных операций. Необходимость подготовительных операций определяется силами, действующими на частицы в электрическом поле, а также факторами, влияющими на процесс разделения материала в электрическом поле (см. раздел 10.2).

Основными подготовительными операциями, которым может подвергаться материал перед процессом электросепарации, являются следующие:

- сушка;

- классификация по крупности;

- очистка поверхности минерала от загрязнений (примазок, шламов);

- кондиционирование при различной влажности воздуха (при близких значениях электропроводности минералов и различном сродстве к воде, т.е. различной гидрофильностью минеральной поверхности);

- обработка реагентами при близких значениях электропроводности и одинаковом сродстве к воде.

Сушка материала перед электросепарацией.

Сушка проводится до влажности 0,5 ÷ 0,8 %. Влага, имеющаяся на поверхности минералов (поверхностная и капиллярная), влияет на величину поверхностной и контактной электропроводимости. Электропроводимость, как известно, будет определять величину остаточного заряда частицы и, соответственно, величину электрической силы, действующей на частицу. Наличие влаги на поверхности минеральных частиц повышает и поверхностную, и контактную электропроводимость и нивелирует разницу в величине электропроводимости для частиц разных минералов. Для поддержания постоянства величины поверхностной проводимости, на которую не будет оказывать влияния влажность атмосферного воздуха, необходима кратковременное снижение влажности и повышенная температура обогащаемого материала.

Подсушка обрабатываемого материала не только устраняет влияние влажности атмосферного воздуха и стабилизирует поведение сепарируемых частиц, но и обеспечивает свободное перемещение их в сепараторе под влиянием механических и электрических сил. При сушке поверхностная влага удаляется обычно при температуре 150 – 250⁰С. Температура материала, поступающего на электросепарацию, очень влияет на результаты сепарации. Известно, что проводимость минералов увеличивается с повышением температуры, причем изменение электропроводимости у разных минералов по-разному. Например, ильменит и рутил при температуре 18 – 20⁰С имеют одинаковую проводимость, при повышении их температуры до 50 – 60⁰С электропроводимость, а следовательно, и извлечение их в проводниковую фракцию увеличивается, а свыше 100⁰С извлечение рутила в проводниковую фракцию продолжает расти, а ильменита падает. Оптимальная температура определяется для каждой смеси минералов.

Подсушивать материал можно различными способами, например в шнековой сушилке, в печах кипящего слоя или в барабанных сушилках. В последнее время используется радиационное излучение, т.е. лучистая энергия инфракрасных лучей. Лучистая энергия превращается в тепловую непосредственно на поверхности подсушиваемых материалов, благодаря чему коэффициент использования ее достигает 90 %. При сушке инфракрасным излучением, в отличие от сушки нагретым воздухом отсутствует сопротивление теплопередаче поверхностного слоя.

При радиационном нагреве мощность теплового потока в 40 – 70 раз больше, чем при сушке нагретым воздухом, однако скорость сушки в той же пропорции не возрастает. Скорость нагрева при радиационной сушке зависит от интенсивности облучения, поглощающей способности высушиваемых материалов и расстояния их от источника облучения. В ряде случаев применяют переменную интенсивность облучения (значительную в начале сушки и небольшую в конце). При этом температура высушиваемого материала поддерживается на определенном уровне, что уменьшает расход энергии на облучение без снижения эффективности сушки.

Мелкий материал перед сепарацией нуждается в подсушке в большей степени, чем крупный (из-за большего относительного влияния поверхностных эффектов). Расход энергии на сушку может колебаться в пределах от 0,6 до 8 кВт·ч на тонну материала.

Обеспыливание и классификация по крупности.

Величина заряда частицы, который она получает в электрической поле, зависит от площади поверхности частицы, т.е. приблизительно от квадрата радиуса частицы, а вес частицы изменяется от радиуса в третьей степени, поэтому, особенно когда электропроводности разделяемых минералов мало отличаются друг от друга, весьма положительную роль играет предварительная классификация материала по крупности. Чем уже шкала классификации частиц, тем лучше их разделение и проще схема обогащения. Классификация может производиться на следующие классы: - 2 + 1; – 1 + 0,5; – 0,5 + 0,25; – 0,25 + 0,15; – 0,15 + 0,03 мм. Частицы крупностью – 0,03 мм должны быть из материала удалены, т.к. тонкие шламистые частицы, находящиеся на поверхности зернистых частиц, изменяют поверхностную и контактную электропроводимость, и тем самым нарушают селективность разделения. Проводниковая и непроводниковая фракция взаимозагрязняются. Обеспыливание и классификация может осуществляться в камерных коронных сепараторах. Степень извлечения заданного класса крупности на коронных сепараторах достигает 95 – 99 %. Обесшламливание материала осуществляется в гидроциклонах, механических классификаторах и других аппаратах.

Очистка поверхности разделяемого материала.

При электросепарации сыпучих материалов, как было показано выше, большое значение имеет состояние поверхности минералов, т.к. она определяет величину поверхностной проводимой частицы. Очень часто при обогащении черновых концентратов из коренных руд и особенно россыпей, появляется необходимость в очистке поверхностей минералов от шламов, примазок, посторонних включений, с целью придания естественного состояния поверхности обогащаемого материала.

Очистку поверхности осуществляют либо оттиркой в мельницах с уменьшенной шаровой загрузкой, более мелкими шарами и пониженным числом оборотов, либо в контактных чанах при отношении Т:Ж = 1:1. Оттирка может в ряде случаев совмещаться с промывкой, которая осуществляется в растворах серной, соляной, фтористоводородной кислот. Минералы, содержащиеся в кислых изверженных породах, отмывают в растворах серной и соляной кислоты, расход которых может достигать 1 – 2 кг/т. Основные пегматиты обрабатывают фтористоводородной кислой и фтористыми солями, расход которых составляет 100 – 150 г/т. Минералы, загрязненные железными соединениями, могут очищаться серной кислотой или гидросульфатом цинка.

При доводке черновых алмазных концентратов часто необходимо после операции обесшламливания обрабатывать материал 0,5 % раствором хлористого натрия и 0,05 % - й соляной кислотой. Такая обработка повышает поверхностную электропроводность сопутствующих минералов и не влияет на алмазы.

Кондиционирование с воздухом определенной влажности.

Для разделения диэлектриков, электропроводимость которых мала и имеет часто близкие значения, в ряде случаев весьма целесообразной бывает обработка (кондиционирование) материала с воздухом, имеющим повышенную влажность. Используется различное сродство поверхностей разделяемых минералов к воде, т.е. различная гидрофильность. У непроводников, при отсутствии на них адсорбированных примесей, поверхностная проводимость составляет лишь малую долю объемной проводимости, которая также мала. При наличии на поверхности частицы тончайшей электропроводной пленки (например, пленки воды), поверхностная электропроводимость непроводников начинает значительно превышать объемную. На поверхности гидрофильных непроводников влага адсорбируется весьма интенсивно. При этом сначала диполи воды взаимодействуют со свободными валентностями на поверхности твердого тела, а затем происходит капиллярная конденсация. Для каждой относительной влажности воздуха существует свое максимальное значение количества адсорбированной влаги. На электропроводимость гидрофобных непроводников изменение влажности воздуха большого влияния не оказывает. Например, при изменении относительной влажности воздуха от 0 до 70 % удельное объемное сопротивление гидрофобного парафина не меняется (10¹⁶ Ом), в то время как у гидрофильного мрамора оно изменяется на пять порядков (с 10¹⁵ до 10¹⁰ Ом). Пирохлор при нулевом значении относительной влажности воздуха имеет сопротивление (при крупности зерен -0,86 + 0,6 мм) 10¹³ Ом, а при 90 % влажности 10¹¹ Ом. Другая разновидность пирохлора в тех же условиях показывает изменение электропроводимости от 10¹⁵ Ом до 10¹² Ом.

Аналогичные зависимости получены для алмазов и сопутствующих минералов пустой породы. Алмаз не меняет значение электропроводимости при изменении влажности воздуха, тогда как у кварца, полевого шпата и других минералов пустой породы она снижается на несколько порядков.

Процессы адсорбции и десорбции воды с поверхности минералов строго обратимы. Основным фактором, определяющим полную электропроводимость непроводников, является проводимость поверхности последних. Во влажном воздухе это обусловлено главным образом количеством воды, адсорбированной на данной поверхности минерала.

Таким образом, регулируя влажность воздуха, можно управлять процессом, электросепарации. Эффективным методом изменения количества влаги на поверхности минерала является реагентная обработка ее с целью придания ей гидрофобных или гидрофильных свойств. На этом основании пары сепарируемых минералов могут быть разделены на следующие 4 группы:

1. Проводимости двух минералов различны (отличаются на два порядка и больше) в сухом воздухе, но совпадают во влажном;

2. Проводимости совпадают в сухом воздухе, но различны во влажном;

3. Проводимости различны при любой степени влажности;

4. Проводимости не меняются при изменении влажности.

Исходя из указанной выше классификации, электросепарацию смеси минералов (чернового концентрата, какого-либо продукта обогащения), относящихся к первой группе, необходимо проводить в сухом воздухе, или сразу же после предварительной просушки его. Для второй группы электросепарацию следует проводить после увлажнения, которое будет обеспечивать повышение электропроводимости для более гидрофильного материала. Минералы, относящиеся к третьей группе, не представляют затруднения для разделения, т.к. влажность воздуха и материала не влияет на результаты разделения.

Минералы, принадлежащие к 4 группе, для разделения необходимо предварительно обработать реагентами, селективно меняющими степень гидрофобности их поверхности, а, следовательно, и поведение их при электросепарации.

При этом возможны два пути:

1 - обработка минералов селективно закрепляемыми на поверхности органическими реагентами – гидрофобизаторами, снижающими электропроводимость одного из минералов;

2 - обработка минералов селективно закрепляемыми гидрофильными реагентами.

В качестве примера, подтверждающего все вышесказанное, рассмотрим доводку гравитационного концентрата, содержащего пирохлор, циркон и апатит. После обработки такого концентрата поверхностно - активными реагентами (перемешивание в растворе реагента, декантация, отмывка избытка реагента, сушка при температуре 110⁰С и охлаждение) и последующей электросепарации его в воздухе с относительной влажностью 60 % пирохлор отделяется от циркона и апатита. В качестве органического реагента можно использовать ИМ-11, амины с углеводородной цепочкой C18, которые используются при флотации этих минералов. Собственная электропроводимость циркона и апатита и электропроводимость их после обработки реагентами - собирателями (гидрофобизаторами) отличается весьма незначительно. В связи с этим, после отделения пирохлора поверхность этих минералов гидрофилизируют,для чего обрабатывают раствором фтористоводородной кислоты (30 – 50 г/л). После повышения гидрофильности поверхности минералов электропроводимость апатита повышается с 2,5*10^-14 до 3,5*10^-10 Ом^-1·см^-1, и он хорошо отделяется от циркона при электросепарации их в воздухе с относительной влажностью более 60 %.

Установлено, что повышение электропроводимости апатита связано с образованием на его поверхности пленки фторида кальция,в то время как с поверхности циркона фтористоводородная кислота удаляет все примеси и загрязнения, протравливая ее. Электропроводимость циркона при этом снижается примерно на один порядок.

Обработка реагентами.

Для разделения минералов, имеющих близкие значения электропроводимости и одинаковое сродство к воде, их необходимо подвергать реагентной обработке, селективно изменяющей поверхностные свойства, т.е. величину поверхностной проводимости. Особенно часто это приходится делать при разделении минералов-непроводников.

Обработка поверхностно-активными пленкообразующими веществами может производится как при сухом (газообразном), так и при влажном (в виде раствора) состоянии их. При мокрой обработке реагентами необходима последующая сушка обработанного материала. При сухой обработке производится контакт горячего сухого материала при их перемешивании и пересыпании с твердым испаряющимся реагентом, при котором пары адсорбируются на минеральных частицах.

В качестве активаторов при подготовке кремнекислых минералов рекомендуется соляная кислота или пары фтористоводородной кислоты. При обработке парами фтористоводородной кислоты смеси кварца и полевого шпата на полевом шпате образуется проводящая пленка фтористого калия и фтористого алюминия, кварц же остается почти без изменения, т.е. поверхность его "гравируется", а пары фтористого кремния улетучиваются. При такой же обработке смеси кварца и флюорита на последнем образуется проводящая оболочка из фторидов. Сподумен после обработки фтористоводородной кислотой становится более электропроводным, чем сопутствующие ему альбит, микроклин и кварц.

Следует отметить, что хлориды, флюориды и сульфат натрия вполне пригодны для обработки алмазосодержащих концентратов. Сильвин – KCl и галит – NaCl без предварительной обработки электрической сепарацией не разделяются из-за близости их физических свойств – электропроводимости или объемного удельного сопротивления, которое имеет величину 10¹¹ – 5*10¹² Ом·м. Объемное удельное сопротивление у сопутствующих глинистых компонентов на порядок меньше – 5*10¹⁰ – 2*10¹¹ Ом·м. Разделить их можно, обрабатывая парами аминов при температуре 150⁰С, или бензолсульфокислотой при расходе 50 – 150 г/т, что дает разницу в проводимости на 3 порядка. Нагрев до 80⁰С увеличивает разницу еще на 1 порядок. Второй вариант обработки - сушка материала при температуре выше 75⁰С. Сушка обеспечивает разницу в сопротивлении глинистых и солевых материалов примерно в 3 порядка. При сушке удельное сопротивление сильвинитовой руды составляет 10¹¹ – 10¹³ Ом·м.

Сравнительными опытами установлено, что результаты сепарации в этом случае, так же как и при флотации, определяются условиями реагентной обработки (концентрацией реагента, продолжительностью перемешивания с реагентом, величиной рН и другими факторами). При сочетании реагентов эффективность электросепарации повышается. Например, селективность разделения увеличивается, если катионные реагенты применяются вместе с кислотами (серной, уксусной, щавелевой), при обработке минералов собирателями анионного типа (олеат натрия) селекция улучшается при добавке соды и жидкого стекла.

В таблице 10.3.1 приведены примеры изменения электропроводимости отдельных пар минералов до и после обработки их реагентами при относительной влажности воздуха 60 %.

Усиление различия электрических свойств этих минералов после обработки реагентами объясняется образованием на их поверхности пленок, обладающих различной способностью адсорбировать воду.

Органические гетерополярные вещества, которые адсорбируются или химически фиксируются на поверхности минерала, придают последней гидрофобность, снижают адгезию к воде, уменьшают количество адсорбированной влаги и резко понижают электропроводность минерала.

Таблица 10.3.1.

Соотношение проводимости пар минералов до реагентной обработки и после нее.

Условие	Реагент	Отношение электропроводностей
		Пирохлор	Пирохлор	Пирохлор	Апатит	Полевой шпат
		Полевой шпат	Циркон	Апатит	Циркон	Циркон
До обработки	–	4,4	8,7	26,4	0,2	1,5
После обработки	Органический собиратель	102	102-103	103	–	–
До обработки	–	–	–	–	0,2	1,5
После обработки	Фтористоводородная кислота	–	–	–	104	103

Действие неорганических реагентов может быть двояким, они могут либо химически взаимодействовать с поверхностью одного из минералов, образуя на ней пленку с повышенной электропроводимостью (за счет химического состава или сильно развитой поверхности с повышенной адсорбционной способностью к влаге воздуха), либо неорганический реагент селективно препятствует фиксации органического реагента на поверхности одного из минералов.

Подбором оптимального реагентного режима можно менять электропроводимость минералов в желательном направлении и улучшать таким образом последующую селекцию их. На электрические свойства минералов с высокой электропроводностью предварительная обработка реагентами влияет мало. Это объясняется тем, что в данном случае поверхностная электропроводимость составляет лишь малую часть общей электропроводимости, а обработка реагентами влияет только на поверхностную электропроводность и почти не влияет на объемную (если не образуется слой нового, непроводящего соединения на поверхности минерала).