книги из ГПНТБ / Алейников, Н. А. Структурирование ферромагнитных суспензий

слои магнетита различной крупности в зависимости от напряжен­ ности продольного и поперечного магнитных полей показано на рис. 6.17.

В поперечных магнитных полях основое понижение скорости фильтрации происходит при напряженности до 100 э и тем больше,

Сопротивление ориентированной структурированной ферромаг­ нитной суспензии в зависимости от напряженности магнитного поля может быть оценено изменением перепада давления в системе. Из приведенных данных на рис. 6.18 следует, что с увеличением напряженности магнитного поля до 150—200 э перепад давления в слое для частиц магнетита крупностью —0.5+ 0.4 мм увеличива­ ется в поперечном поле в 2 раза и уменьшается на 40—45% в про­ дольном поле. Для тонких частиц отмечаются несколько меньшие изменения перепада давления. Сравнение данных рис. 6.17 и 6.18 показывает, что скорость фильтрации изменяется обратно про­ порционально перепаду давления.

Остаточная влажность слоя при свободной фильтрации повы­ шается с уменьшением размера частиц и при приложении магнит­

93

ного поля независимо от его направления. G увеличением напряжен­ ности магнитного поля в этих условиях до 100—200 э остаточная влажность увеличивается, а при полях напряженностью более 200 э — понижается (рис. 6.19).

Следует отметить, что при об­ разовании более плотных струк-

хи/ш0

Рис. 6.19. Изменение относи­ тельной влажности w/wg в за­ висимости от напряженности маг­ нитного поля для магнетита крупностью — 0.4+0.2(1), —0.2 + +Ö.1 (2) и —0.05+0.02 мм (3).

тур, что может быть достигнуто- в полях напряженностью около 1000 э, осадок имеет остаточную

влажность меньше, чем достигнутую без магнитного поля. Приведенные данные свидетельствуют о целесообразности приме­ нения ориентированных магнитных полей с целью повышения ско­ рости фильтрации. При этом отрицательное действие магнитного поля на остаточную влажность концентрата следует рассмотреть с учетом дополнительного фпзпко-хпмического воздействия п других энергетических факторов.

Литература

1.К а р м а з и н В. И. Современные методы магнитного обогащения руд черных металлов. Госгортехпздат, М., 1962.

2.Д е р к а ч В. Г. Специальные методы обогащения полезных иско­ паемых. «Недра», М., 1966.

3.Новое в обогащении руд черных металлов. — Труды института

«Механобрчермет», «Недра», М., 1965.

4. Ш и л к о р е н к о С. Ф., М а р г у л н с В. С., Н и к о л а ­

нитных материалов. Авт. свид. № 130427. — Бюлл. изобретений, 1960, № 15.

94

13.М а р т ь я н о в ІО. А., У л ь я н о в В. Ф., Е р е м у щ к и п Д. Г. Электромагнитный глдроциклоп. Авт. свид. № 232160. —Бюлл. изобретений, 1969, № 1.

14.Т р о и ц к и й В. В. Гидроциклон. Авт. свнд. № 234266. — Бюлл. изобретений, 1969, № 4.

15. ІО р о в П. П., Б а р а н о в В. Г., Р у с а к о в а Е. Н. Маг­ нитный гидроциклон. Авт. свид. № 247154. — Бюлл. изобретений, 1969, № 22.

16. М а с л е н н и к о в Б. М., П о л и щ у к А. И. Гидроциклон с вспомогательным магнитным полем. Авт. свид. № 148762. — Бюлл. изобре­ тений, 1962, № 14.

20.А к о п о в M. Г. Основы обогащения углей в гпдроцнклонах. «Недра», М., 1967.

21.D r i s s e n М. G. The use of hudraulic cyclone as thickeners and washers on modern cool preparation. — Trans. A. J. M. G., 1948, 177.

23.П о в а р о в А. И. Гидроциклоны. M., 1961.

24.Т о м о в T. Г. Обогащение руд в тяжелых жидкостях. М., «Наука»,

1968.

25. П и т е р с к и х Г. П., Б о р и с о в В. М., А н г е л о в А. И. Исследование процесса разделения минералов в гидроцпклоие в тяжелой

95

Вопросы теории дравитадиоипых методой обогащения полезных ископае­

В кіі.: Исследование некоторых физико-механических закономерностей обо­

иого железного концентрата в электромагнитном гидроциклоие. — В кн.:

зико-химические основы обогащения полезных ископаемых. Л., «Наука»,

аэрозолей и водных суспензий или их смесей с немагнитными частицами в магнитном поле отличается от поведения зернистых суспензий и имеет непосредственное отношение к процессам пыле­ улавливания, водоочистки и использования оборотных промыш­ ленных вод, т. е. к проблеме охраны окружающей среды от за­ грязнения. Работы в этой области связаны с общим изучением коагуляции, флокуляции и структурирования дисперсных си­ стем [1—5, 98].

Предложено большое количество способов и аппаратов для

96

заключается в прохождении запыленного потока через ограничен­ ный объем или пористую среду, которые помещаются в магнит­ ном поле, вследствие чего пыль коагулирует и осаждается, при этом может происходить захват немагнитных частиц магнитными. Для определения скорости осаждения весьма малой шарообраз­ ной частицы на намагниченную поверхность предложено диффе­ ренциальное уравнение, учитывающее силы сопротивления среды, гравитационные, магнитные в направлении градиента поля и силы магнитного взаимодействия между частицами [46]. Однако приведен­ ное уравнение в работе [46 ] с боль­ шими допущениями описывает ре­ альные условия осаждения частиц на намагниченную поверхность и

В предлагаемых конструкциях магнитных фильтров для газо-

иводоочистки [46] имеются свои особенности: в точках сопри­ косновения ферромагнитных шаров, лежащих на пути магнит­ ного потока, развивается индукция, значительно превышающая первоначальную. Межшаровое пространство характеризуется высоким градиентом, что отвечает описанным условиям полиградиентной магнитной сепарации [47, 40]. На рис. 7.1 показано распределение напряженности магнитного ноля по образующей ферромагнитных шаров.

По аналогии можно предположить, что и в областях сопри­ косновения отдельных частиц, а тем более между отдельными структурами, также образуются полиградиентные условия, вы­ зывающие притяжение дополнительного числа ферромагнитных частиц, а также частиц со слабыми ферромагнитными свойствами.

Вотличие от статических условий, создаваемых неподвижным

слоем шаров, величина и направление градиента магнитного поля между частицами и агрегатами в динамических условиях посто­ янно меняются. В суспензиях возникают сложные полиградиентные состояния, зависящие от прочности различных по геометри­ ческой форме структур, времени их «жизни», концентрации и раз­ мера частиц в структуре, концентрации структур в системе нт. п.

Изучение магнитных свойств таких систем заслуживает внима­ ния с целью их использования в технологических процессах.

Внастоящее время они мало изучены для водных суспензий. Цебель [48] на основании классической теории коагуляции

рассмотрел коагуляцию неседиментирующих частиц как магнит­ ных диполей. Для вычисления скорости коагуляции частиц была определена средняя работа их сближения в случаях слабого

исильного дипольного взаимодействия. Он указал, что разраба­ тываемая им теория охватывает начальную область коагуляции

ине касается эффекта образования из частиц вытянутых структур. Е. Е. Бибик и И. С. Лавров [49—51] при изучении стабили­ зованных золей синтетического магнетита в магнитном поле

определяли их свойства по оптическим эффектам, что давало, по их утверждению, лучшие результаты по наблюдению за изме­ нением структуры суспензии, чем определение ее по реологиче­ ским свойствам. Агрегаты коагулированных золей имеют ориен­ тацию вдоль силовых линий поля и сохраняют ее также в потоке, т. е. в этих системах отсутствует развитая трехмерная структура. При некотором заданном градиенте скорости потока q устанавли­ вается равновесие между числом, образовавшихся агрегатов N , содержащих каждый п частиц и числом N 0 частиц до их агре­ гации в единице объема.

Было установлено, что с увеличением градиента скорости потока в грубодисперсных системах коэффициент экстинкции, определенный как отношение интенсивности светового потока, входящего в суспензию, к интенсивности выходящего светового потока, растет, а в высокодисперсных — уменьшается. Для золя Fe30,j, не обладающего спонтанной агрегацией, на рис. 7.2 дока­ зано изменение коэффициента экстинкции от градиента скорости течения. Характер этих изменений для различных напряжен­ ностей поля одинаков. С уменьшением напряженности поля силы сцепления между частицами также уменьшаются. Уменьшение прозрачности золя в магнитном поле (400 э) для частиц размером ІО-5 см при ІѴ0=0.5-Ю 12 может быть обусловлено укрупнением агрегатов, ориентацией длинной их осью вдоль силовых линий поля и вытягиванием сферических агрегатов при N = const. При выключении поля прозрачность уменьшается через 2—3 сек. вследствие распада агрегатов, хотя при этом возможно их сущест­ вование в другой форме за счет остаточной намагниченности.

Е. Е. Бибик [50] рассмотрел поведение золей Fe30 4 в эффек­ тивном магнитном поле. Им было предложено уравнение для маг-

98

нитной восприимчивости агрегатов с учетом изменения эффектив­ ного поля:

поля, создаваемого одной из частиц ассоциата в центре другой; g(H) — функция, учитывающая корреляцию во взаимном распо­ ложении частиц. При отсутствии ассоциации и агрегирования частиц (L = 0, g(H) = 0)

Таким образом, можно найти изменение магнитной восприим­ чивости —Хо, обусловленное агрегированием и ассоциа­

цией, а также соответствующее изменение намагниченности

д/=д*-я.

Золи Fe30 4 со средним размером частиц 200 А вполне устой­ чивы даже при действии сильных магнитных полей. В реальных полидисперсных золях частицы малого размера концентрируются вокруг крупных, образуя ферромагнитную оболочку, локализуя таким образом магнитное поле последних, вследствие чего увели­ чивается агрегативная устойчивость золей [51]. Такого рода стабилизация малыми частицами суспензий более аффективна, чем в присутствии адсорбционных и сольватных слоев, которые не экранируют и не устраняют магнитного взаимодействия круп­ ных частиц.

Харвей [52] высказал предположение, что изучение влияния магнитного поля на поведение коллоидного ферромагнетика окиси железа по измерению реологических свойств даст возможность определить силы взаимодействия между частицами. Он установил, что с увеличением напряженности постоянного магнитного поля вязкость коллоидного ферромагнетика увеличивается, а в пере­ менном поле — уменьшается.

В работе [53] исследовался магнитовязкостный эффект раз­ бавленного золя, состоящего из частиц кобальта средним диамет­

ром 60 Â, в зависимости от напряженности и направленности поля. Гидродинамический диаметр был значительно больше вслед­ ствие сорбции на этих частицах молекул полимера. Вязкость измерялась в капиллярном вискозиметре. С увеличением на­ пряженности поля от 0 до 8000 гс вязкость непрерывно возрастала как в поле, параллельно направленному течению, так и при пер­ пендикулярной ориентации, стремясь к некоторому пределу. Вязкость в поле, параллельном течению, была выше, чем при пер­ пендикулярной ориентации. Это различие объясняется появле­

нием вращающего момента \хМХН, который препятствует враще­ нию частиц вокруг их осей, перпендикулярных магнитному полю.

Магнитное поле оказывает влияние на агрегирование и вяз­ костные свойства глинистых суспензий и паст, уменьшая или увеличивая их [54]. Эти эффекты могут быть объяснены наличием

очистки промышленных вод от ферромагнитных загрязнений, работающие по принципу предварительного намагничивания по­ тока суспензии. Флокуляторы состоят из заданного числа по­ стоянных магнитов, смонтированных на трубопроводе, изготов­ ленного из немагнитного материала. Обычно они устанавливаются

400 гс в течение 0.3—2 сек. при скорости потока 1.8 м/сек. В обыч­ ных промышленных флокуляторах хороший эффект осаждения

диаметром 762 мм с расходом суспензии, равным 50 м3/мин. Выбор конструкции флокуляра определяется предварительными лабо­ раторными наблюдениями. Чем выше магнитная восприимчивость и коэрцитивная сила материала частиц, тем устойчивее образуе­ мые флокулы.

Использование магнитных флокуляторов дает возможность резко увеличить работу осадительных устройств с обратным воз­ вратом воды и уменьшить расход реагентов-флокулянтов до 8 раз.

Аналогичное предложение ранее было сделано В. И. Классеном и сотрудниками [57] для сгущения флотационных хвостов для обогащения угля.

и в первую очередь исследования по так называемой механической коагуляции. Механическая коагуляция коллоидных золей гетита — FeOOH, CuO и V2Oä была исследована Фрейндлихом с сотрудниками [58, 59]. В процессе наблюдения из перемешивае­ мого объема для определения скорости коагуляции отбирался небольшими порциями золь (что не могло изменить гидродинамику перемешивания). Исследованиями было доказано, что коагуля­ ция зависит не от концентрации золя, а от возобновляемой при

100

перемешивании поверхности раздела золь—воздух, а ее скорость пропорциональна квадрату скорости вращения

где щ — накальная концентрация золя; п( — концентрация золя к моменту времени t\ к — константа скорости.

Механическую коагуляцию можно также осуществить про­ пусканием в золь воздуха, добавлением бензола или кварца. Независимость коагуляции от концентрации была объяснена высокой кинетикой адсорбции частиц золя на границе раздела фаз до полного ее насыщения. Величина электрокинетнческого потенциала скоагулированных частиц практически не отличалась от нескоагулированных. Для пластинчатого гетита коагуляция являлась упорядоченной: частицы располагались параллельно друг другу и обладали положительным дихроизмом в потоке, положительным двойным лучепреломлением, тогда как перво­ начальный золь был изотропен.

Геллер с сотрудниками [60] также подробно изучали механи­ ческую и поверхностную коагуляцию золей a=FeOOH. Они подтвердили, что коагуляция происходит главным образом вблизи поверхности раздела. Добавление неиногенных стабилизаторов типа полиэтиленгликоля молекулярного веса, равного 9000, повышает механическую коагуляцию при малых концентрациях и, наоборот, препятствует ей при повышенных. Пенообразование в зависимости от условий опыта может способствовать механи­ ческой коагуляции.

Значение механической коагуляции при перемешивании было также определено при потере агрегативной устойчивости синтети­ ческих латексов, связанной с механическим разрушением стаби­ лизирующих адсорбционных слоев на поверхности твердых ча­ стиц [61]. При использовании прибора типа гидроциклона было показано, что в водной суспензии скорость налипания мелких частиц минералов на крупные примерно в 400—500 раз больше, чем скорость слипания мелких частиц между собой [62]. С другой стороны, мелкие частицы при их налипании в потоке на плоскую поверхность удерживаются на последней силами адгезии в боль­ шей мере, чем крупные частицы [2].

§ 3 . О П Р Е Д Е Л Е Н И Е З А К О Н О М Е Р Н О С Т Е Й П Е Н О М А Г П И Т Н О Г О С П О С О Б А П Ы Л Е У Л А В Л И В А Н И Я

Способ пенного пылеулавливания получил широкое промыш­ ленное применение. Пенные пылеуловители обычно представляют собой колонну цилиндрического или прямоугольного сечения, в которой установлены решетки для контакта пылегазового потока

101

с жидкостью и диспергирования воздуха через отверстия в ре­ шетке. Для решетки, опущенной в жидкость (провальная решетка), гидродинамический режим зависит от линейной скорости потока ѵ и гидравлического сопротивления в системе Ар. При скорости потока 0.9—2.0 м/сек. жидкость на решетке переходит в йену, что соответствует пенному режиму, а при 2.5—4.0 м/сек. происхо­ дит образование газовых струй в пене, что вызывает колебания пенного слоя и тем самым создается волновой режим пылеулавли­ вания. Существенным в процессе является высота образованного пенного слоя h, где происходит захват мелких частиц пыли из потока. Для каждого гидродинамического режима предложены свои эмпирические соотношения между физическими параметрами

[63, 4].

Механизм пенного пылеулавливания характеризуется как турбулентно-инерционный. В подрешеточном пространстве проис­ ходит инерционное осаждение крупных частиц размером d > > 1 0 мк. В пенном слое задерживаются, а затем осаждаются в жид­ кости мелкие частицы размером d > 3.7 мк с эффективностью равной 90%. Процесс улавливания происходит за счет столкно­ вения частиц с жидкими пленками и удержания на их поверх­ ности. Частицы размером 1.0—1.5 мк и меньше пенным способом улавливаются в относительно небольшом количестве.

В работах С. Г. Мокрушина с сотрудниками [67, 69, 70] было показано, что соединения окиси металлов могут извлекаться из гидрозолей и суспензий в пену почти полностью и давать высокую стабилизацию ее пленкам. Извлечение частиц в пену существенно зависит от pH раствора и лучше всего проходит из отрицательно заряженных золей [68, 70].

Исследования в области пенной флотации тонких частиц и осаждения шламов имеют непосредственное отношение к опре­ делению условий пылеулавливаипля такого размера частиц

[71 -74].

-Эффективность пылеулавливания мелких частиц пенным спо­ собом может быть значительно улучшена не только за счет изме­ нения гидродинамического режима, определяющего взаимодейст­ вие частиц с жидкостью, но и в результате физико-химического их взаимодействия, связанного с применением пенообразователей и соединений гидрофилизующих или гидрофобизующих поверх­ ность частиц [63—66]. В последних условиях будет проявляться интенсивная флокуляция частиц в пленках пены, как это наблю­ дается в процессах флотации. При содержании в пыли ферромаг­ нитных частиц флокуляция в пленках флотационной пены будет происходить еще в большем размере, если частицы будут предва­ рительно намагничены или когда весь процесс будет происходить в магнитном поле. Образование крупных агрегатов приведет к лучшему их осаждению в жидкой фазе и, следовательно, к более эффективному пылеулавливанию.

102