книги из ГПНТБ / Олофинский Н.Ф. Трибоадгезионная сепарация

Объясняется это, видимо, тем, что при нагреве мел­ кие частицы скорее прогреваются и проводимость их возрастает быстрее вследствие более интенсивного удаления поверхностной, а возможно, и внутрикрмсталлпческой влаги.

'Гонкие частицы благодаря большей суммарной по­ верхности и меньшей массе охлаждаются быстрее, поэтому разница их проводимостей больше, чем у крупных частиц. При этом величина заряда и адге­ зия тонких частиц оказываются больше, чем у круп­

•После термической обработки при температуре 200—250°С порошков барита и касситерита и после­ дующем их охлаждении до 80—100° С наблюдалось уменьшение диэлектрической проницаемости е. Сни­ жение диэлектрической проницаемости сопровожда­ ется некоторым увеличением зарядов, что согласует­ ся с результатами измерений, проведенных В. А. Лео­ новым (55] для некоторых минералов. Однако следует отметить, что диэлектрическая проницаемость (из-за отсутствия электрического поля) на результаты три­ боадгезионной сепарации существенного влияния не оказывает.

Из сказанного следует, что при термическом воз­ действии на частицы минералов полупроводников и диэлектриков (барита, кварца, полевого шпата, кас­ ситерита, асбестсодержащих продуктов и др.) изме­ няются свойства поверхности частиц, что обусловли­ вает все поверхностные явления на границе раздела твердой и газообразной фаз (изменение концентра­ ции носителей электрического заряда; удаление по­ верхностных пленок влаги, что ведет к изменению электрических свойств минералов; увеличение под­ вижности носителей и другие явления); изменяется поверхностный заряд частицы, а следовательно, и си­ лы адгезии. 'Полученные качественные характеристи­ ки изменения, поверхностных свойств минералов при нагреве подтверждаются результатами исследований трибоадгезионной сепарации значительного числа об­

89

рабатываемых минералов. Так, средний выход удер­ живаемых частиц в зависимости от температуры для материалов крупностью 0—5 мм при нагреве их до 300° С, повышается в 1,5—2 раза (см. табл. 2), а для материалов крупностью 0—1 мм увеличивается более чем в 3 раза уже при температуре 150—200° С. Затем выход удерживаемых частиц той и другой крупности при нагреве их до более высокой температуры умень­ шается, так как в этом случае разница в проводимо­ сти меньше, чем при сепарации при более низких тем­ пературах.

При нагреве халькопирита и вольфрамита до 350° С и последующем их охлаждении существенной разницы в проводимости не наблюдается (исключе­ ние составляет вольфрамит крупностью —40 мкм). Результаты трибоадгезиоиной сепарации этих мине­ ралов оказались неэффективными. Имело место лишь незначительное разделение вольфрамита по крупно­ сти в ненагретом состоянии.

Приведенные соображения не объясняют полно­ стью механизм заряжания большого числа различ­ ных минералов, так как проводимость кристаллов од­ ного и того же вещества, как уже указывалось, мо­ жет изменяться от образца к образцу и не всегда быть характерной для одних и тех же минералов. Полученные нами данные зависимости электропровод­ ности минералов от температуры хорошо согласуются с результатами исследований [4, 35, 41].

При трибоадгезиоиной сепарации пернклаза уста­ новлено, что он при нагреве до 300° С практически не удерживается ни на одной из исследуемых подло­ жек (сталь марки Ст. 3, белая жесть, латунь, алю­ миний, медь). Однако после прогрева в муфельной печи в течение 1 ч при температуре 600° С и после­ дующей сепарации выход удерживаемой фракции до­ стигает 50% (за одну операцию).

Г. Б. Стогова (ИГД) установила, что при трибоадгезиониой сепарации сподумеиовых руд высокая эффективность их разделения по вещественному со­ ставу достигается после декрипитации руды при 850— 960° С (при этом сподумен из a-модификации пере­ ходит в ß-модификацию). Полученные результаты позволили рекомендовать трибоадгезиоиную сепара­

90

цию для промышленного внедрения при обогащении этих руд.

В работе [50]. показано, что при сепарации фос­ форитных и калийных руд достигается высокая эф­ фективность разделения по вещественному составу при нагреве до 400—450° С и последующем охлажде­ нии первых руд до 120—140° и вторых до 70—120° С (при интенсивном перемешивании).

Проведенные исследования позволяют рекомендо­ вать для повышения эффективности трибоадгезион­ ной сепарации кварца и полевого шпата нагрев их до 200°'С и охлаждение до 100—150° С, а для барита, низкосортного асбеста и касситерита соответственно до 200—250 и 80—100° С.

Сепарации магнетита, гематита, металлических порошков, горелых земель и других материалов так­ же должны предшествовать нагрев до 200—250° С и последующее охлаждение до 80—150° С. В этом ин­ тервале наблюдается наибольшая разность в прово­ димости нагретых и охлажденных материалов. Ох­ лаждение до температуры ниже 80° С не целесообраз­ но, так как начинается интенсивное поглощение по­ верхностью сепарируемых частиц влаги из окружаю­ щей среды.

Из сказанного следует, что при трибоадгезионной сепарации значительной части полупроводников или диэлектриков нагрев является основным фактором, регулирующим этот процесс. Высокие показатели разделения достигаются при предварительном нагре­ ве и последующем охлаждении сепарируемого мате­ риала.

5. ВЛИЯНИЕ РЕАГЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ СЕПАРАЦИЮ

Величину заряда частиц сепарируемых материа­ лов, а следовательно, и их адгезию к твердым по­ верхностям можно успешно регулировать изменением физико-химических свойств их поверхности.

Реагентная обработка материалов поверхностноактивными веществами, так же как и термическая обработка, открывает широкие возможности приме­ нения электрических методов сепарации для обога-

91

щейия различных руд и материалов. Благодаря ре­ агентной обработке материалов возможно изменение не только величины их поверхностного заряда, но и знака последнего, что особенно важно при электро­ сепарации материалов с одинаковыми или близкими физическими свойствами. Подготовка поверхности материалов с помощью реагентов может произво­ диться как в воздушной, так и в водной среде. В воз­ душной среде подготовка может производиться сме­ шиванием подогретого материала с твердым реаген­ том и его испарением, как это имеет место при элек­ тросепарации калийных и фосфоритных руд, кварца и полевого шпата и др. Подготовка в водной среде может производиться при подаче реагента в пульпу; твердая фаза затем должна быть обезвожена и вы­ сушена перед сепарацией.

Технология процесса реагентной обработки мате­ риалов заключается не только в искусственном соз­ дании большей разницы в гидрофобности и гидро­ фильное™ поверхности разделяемых материалов, от которой зависит степень электризации частиц (элек­ тролитический механизм заряжания), но и в измене­ нии зарядового состояния поверхности частиц в ре­ зультате адсорбции различных веществ на поверх­ ности или химическогоизменения поверхностного слоя. Благодаря этому происходят электронные из­ менения энергетического состояния поверхностного слоя кристаллической решетки минералов.

В связи с развитием в последние годы физики поверхности полупроводников (основные материалы, применяемые при электросепарации) исследователи располагают значительными теоретическими и экспе­ риментальными данными, касающимися изменения электрических свойств частиц материалов с помощью внешних химических или физических воздействий.

Полупроводниковые минералы занимают проме­ жуточное положение между металлами и диэлектри­ ками и охватывают большой класс природных хими­ ческих соединений. К ним относятся сульфиды, окис­ лы поливалентных металлов, многие соли и т. п. Объ­ емная электропроводность их колеблется от ІО2 до ІО-7 ом-1 - см-1.

Адсорбционное или химическое изменение поверх-

92

іюстных свойств частиц сепарируемых материалов влияет на их общую электропроводность и величину поверхностного заряда, так как изменяются концент­ рации носителей электрического заряда.

Установление существования поверхностных элек­ тронных состояний и разработка их теории являются принципиально важным моментом для оценки общих электрических свойств частиц минералов. Очевидно, что поверхностные состояния принимают непосред­ ственное участие во всех поверхностных явлениях па границе раздела твердой и газообразной фаз. Лю­ бое внешнее воздействие — химическое или физиче­ ское — будет нарушать состояние электронов в по­ верхностных уровнях кристалла и тем самым изме­ нять электропроводность и поверхностный заряд частиц минералов.

При адсорбции различных веществ и химическом изменении поверхностного слоя происходят электрон­ ные переходы через границу раздела фаз и наблюда­ ется резкое изменение концентрации свободных носи­ телей электрического заряда в поверхностном слое кристаллической решетки. Ф. Ф. Волькенштейн (49] рассматривает два рода элементарных электронных переходов на поверхности кристалла. Переходы пер­ вого рода не требуют энергии активации, связанной

спреодолением потенциального барьера электроном,

имолекула, адсорбированная на центре адсорбции, образует нейтральное состояние поверхности. Пере­ ходы второго рода требуют некоторой энергии акти­ вации в связи с созданием хемосорбционной связи. При этом связеобразующий электрон локализован вблизи адсорбционного центра, и его движение опи­ сывается затухающей волновой функцией с максиму­ мом в зоне центра адсорбции. Такие переходы вызы­ вают изменение заряда частицы или, точнее, изме­ нение работы выхода электрона с поверхности мине­

рала.

Для описания процесса адсорбционно-химическо­ го изменения поверхностных свойств кристалла Ф. Ф. Волькенштейн предлагает рассматривать кри­ сталл и хемосорбированные молекулы как единую квантовомеханическую систему. При этом хемосор­ бированные молекулы играют роль примеси на по-

93

Верхі-іостН іі вызывают образование поверхностный локальных уровней донорного или электронного ти­ па в зависимости от природы адсорбированных мо­ лекул. Заполнение этих поверхностных уровней элек­ тронами вызывает возникновение заряда на поверх­ ности кристалла и устанавливает принципиальную взаимосвязь между зарядом поверхности и положе­ нием уровня Ферми при хемосорбции.

В работе И. Н. Плаксина и Р. Ш. Шафеева [72] показано поведение частиц пирита с различными по­ верхностными свойствами при электростатическом разделении. Для экспериментов был взят пирит, об­ ладающий электронной проводимостью и имеющий следующий вещественный состав: Fe 45,44%; S 10,29%; Cu 0,91 %; As 0,03%. Минерал представлял собой крупнокристаллические образцы без заметных следов окисления и имел хорошую спайность. Для опы­ тов отбирались наиболее чистые кристаллы. Об­ разцы пирита измельчались в фарфоровой ступке и узко классифицировались до —100 +150 мкм. Электропроводность кристаллов пирита составляла

5,4-10-2 ом-1 - см-1.

Коэффициент термоэлектродвижущей силы исход­ ной пробы частиц составлял 227 мкв/градус и харак­ теризовал электронный тип проводимости. В опытах сопоставлялись две навески. Одна навеска частиц ми­ нералов не подвергалась поверхностной обработке, а другая обрабатывалась при перемешивании в тече­ ние 10 мин в 30%-ном растворе перекиси водорода. Заметного изменения поверхности частиц минералов при исследовании под бинокулярным микроскопом МБС-1 не было обнаружено. Однако знак и величина термоэлектродвижущей силы изменились. Частицы пирита приобретали дырочную проводимость с коэф­ фициентом термоэлектрического потенциала 94,5 мкв/ /градус.

Эти навески смешивались и пропускались в неод­ нородном электростатическом поле на лабораторном трибоэлектрическом сепараторе. Лабораторный сепа­ ратор представлял собой латунный ролик диаметром 150 мм и шириной 90 мм. Сверху на ролике закреп­ лен бандаж из литого полистирола. Для электриза­ ции поверхности полистиролового бандажа использо-

94

вилась вращающаяся суконная щетка; скорость вра­ щения ее регулировалась в широких пределах. При этом изменялась напряженность электростатического поля, а неоднородность поля создавалась заземлен­ ным электродом. Разделяемые частицы подавались сверху вибрационным лотком (частота вибрации 50 гц). Снизу был установлен приемник с 10-ю отде­ лениями.

Врезультате этих опытов показано, что коэффи­ циенты термоэлектродвижущёй силы разных проб различны, различен также характер проводимости частиц исходной смеси.

Водних приемниках оказались частицы, обладаю­

щие преимущественно электронным типом проводимо­ сти (общий коэффициент термоэлектродвижущей си­

циент термоэлектродвижущей силы 100 мкв/градус). Коэффициент термоэлектродвижущей силы опре­ делялся на специальной установке, состоящей из на­ греваемого щупа (из хромированной латуни) и вра­ щающегося массивного алюминиевого столика, в цент­ ре которого установлена измерительная ячейка из хромированной латуни. Температуру щупа можно было регулировать в пределах 50—400° С. Вращение столика (2 об/мин) позволяло получать средние зна­

чения термоэлектрического потенциала.

Опытами установлено, что наличие поверхностного р-перехода на пирите позволяет эффективно разде­ лять обработанные Н2О2 частицы от необработанных, т. е. позволяет исследовать влияние электронно-ды­ рочного перехода с поверхностным запорным слоем на поведение частиц в электростатическом поле, что подтверждает основные положения о влиянии полу­ проводникового строения поверхностного слоя частиц минералов в процессах электростатического разде­ ления.

Поведение диэлектриков при реагентной обработ­ ке носит несколько иной характер. Поверхностная электропроводность диэлектриков в большой степени зависит от адсорбции на них влаги из воздуха. На поверхности гидрофильных диэлектриков влага ад­ сорбируется интенсивно, резко повышая их поверх-

95

постную электропроводность, а На поверхности гидро­ фобных диэлектриков опа адсорбируется незначи­ тельно, вследствие чего их электропроводность почти не меняется. Так, если у гидрофобного парафина электрическое сопротивление при относительной

лов и их смесей перед электросепарацней рекоменду­ ются следующие реагенты:

9Ö

Органические гетерополярные вещества, адсорби­ руясь или химически закрепляясь на поверхности минерала, придают ей гндрофобность, снижают адге­ зию к воде, уменьшают количество адсорбированной влаги и резко понижают электропроводность мине­ рала.

Неорганические реагенты могут химически воздей­ ствовать с поверхностью минералов, образуя на ней пленку нового соединения, уменьшая или увеличивая поверхностную электропроводность частиц мине­ ралов.

Без присутствия паров воды адсорбированные на поверхности минералов молекулы кислот или щело­ чей не изменяют поверхностную электропроводность вследствие крайне малой подвижности ионов реаген­ тов вдоль сухой поверхности. Установлено, что при незначительной пленке паров воды (два монослоя мо­ лекул воды) и давлении паров воды, равном поло­ вине давления насыщения, поверхностная электропро­ водность быстро растет.

Обработка минерала производится механическим перемешиванием с реагентом, последующей отмывкой

апатита наиболее эффективными являются олеат нат­ рия и катионные реагенты, содержащие в молекуле более 14 атомов углерода. Разделение улучшается, если катионные реагенты применять вместе с кисло­ тами серной, уксусной, щавелевой.

При обработке минералов собирателями анионно­ го типа положительный эффект достигается при до­ бавке соды и жидкого стекла. Анионные реагенты яв­ ляются регуляторами, способствующими избиратель­ ному закреплению собирателей на поверхности ми­ нералов. Без гндрофобизаторов и при добавке только регуляторов разделение невозможно. Для тех лее ми­ нералов может быть применена обработка раствором фтористоводородной (30—50 г/л HF) и плавиковой

кислот пли эквивалентным количеством фтористого натрия п серной кислоты. Затем минералы промы­ вают п высушивают.

Для увеличения гидрофплыюстп поверхности ми­ нералов, обработанных неорганическими реагентами, электрическую сепарацию следует проводить при бо­ лее высокой влажности воздуха п низкой температу­ ре. Реагентная обработка фосфоритных, калийных, барито-кварцевых, кварц-полевошпатовых и других руд [48, 50] поверхностно-активными веществами пе­ ред нагреванием и электризацией позволила резко улучшить селективность процесса сепарации.

Нами исследовано влияние бензойной и салицило­ вой кислот на поверхностную электропроводность ба­ рита, кварца, полевого шпата, касснтеритовой и халькопирнтовой руд различной крупности (—40, 63—100 и 200—315 мкм). Измерение величины заря­ дов порошков осуществлялось ламповым ■электро­ вольтметром В2-5. Сила адгезии определялась по выходу удерживаемой фракции на поверхности бара­ бана трибоадгезнонного сепаратора. Знак заряда не учитывался, так как при трибосепарации он не влия­ ет на силу адгезии порошков. Продукты сепарации характеризовались выходом заданной фракции и до­ пустимым содержанием в ней классов, которые тре­ буется отделить в процессе сепарации. Лучшие по­ казатели были получены при реагентной подготовке материалов парами бензойной кислоты. Величина за­ ряда увеличивалась в 2—3 ртза по сравнению с за­

выше, чем у более крупных классов, что способство­ вало увеличению адгезии тонких частиц к поверхно­ сти барабана сепаратора и их выхода. Засорение мелкой фракции более крупными частицами не пре­ вышало допустимого.

Прн сравнении результатов трибоадгезионной се­ парации материалов, подготовленных с помощью ре­ агентной обработки и нагрева с последующим ох­ лаждением, установлено, что во втором случае показатели выше. Термическая подготовка сепари­ руемых материалов к электризации более простая и дешевая, чем обработка реагентами. Следует также

98