7. Электрическая сепарация минералов

при электризации трением.

7.1. Физические основы трибосепарации.

Разделение минералов - диэлектриков является наиболее сложным случаем электрической сепарации. Трудность заключается в том, что незначительное отличие в электропроводимости не позволяет создать достаточную разницу в величинах зарядов отдельных минералов при их контакте с заряженными электродами. В ряде случаев может быть использована электризация минералов трением с последующим разделением смеси частиц в электростатическом поле. Такой метод называют трибоэлектросепарацией. При надлежащей организации процесса трибоэлектросепарация может дать заметное технико - экономическое преимущество по сравнению с флотацией при обогащении фосфатных и апатитовых руд, калийных и натриевых солей. Весьма перспективно применение трибосепарации при обогащении редкометального сырья, в.т.ч. при разделении черновых гравитационных концентратов.

При трении различных по физико-химическим свойствам тел друг о друга они заряжаются равными по величине, но различными по знаку электрическими зарядами. Знак электрического заряда, получающегося при трении тел, зависит от природы этих тел, состояния их поверхности, температуры, числа и характера дефектов в кристаллической решетке.

Естественно, что одно и то же физическое тело может в различных случаях электризоваться по-разному: либо положительно, либо отрицательно. Известно, что при трении электризуются все тела, но физическая природа явления электризации трением до сих пор полностью не выяснена, хотя этому вопросу посвящено много работ. В работах В. Н. Глазанова (1950 г.) используется теория контактных явлений для объяснения возникновения зарядов при трибосепарации. Далее эти положения были развиты в работах Ловера (анг. 1960 г.), И. Н. Плаксина и Шафеева (1966 г.), В. И. Ревнивцева (в 1959 г.), Карта (1970 г.).

Некоторые кристаллы можно расположить в ряд, в котором при трении двух входящих в него кристаллов каждый предыдущий заряжается положительно, а каждый последующий отрицательно. Русский ученый Гезехиус составил такой ряд взаимного заряжания минералов (табл.7.1.1):

Таблица 7.1.1.

Твердость	+	10	8	7	5	3	2	1	-
Минерал		Алмаз	Топаз	Горный хрусталь	Гладкое стекло	Слюда	Сера	Воск

Из приведенных результатов видно, что диэлектрики заряжаются отрицательно в порядке убывания их твердости, что и было отмечено Гезехиусом.

У металлов зависимость обратная. Гезехиус установил также, что при трении двух тел одного и того же химического состава положительно заряжаются более плотные тела. Уплотнение можно достичь шлифовкой или деформацией (сжатием). Так, например, согнутая эбонитовая пластинка при трении об эбонит заряжается положительно на вогнутой стороне и отрицательно на выпуклой.

Также установлено, что при трении диэлектриков друг о друга положительно заряжается тот диэлектрик, диэлектрическая проницаемость которого больше. Правило это было сформулировано Коэном в конце 19 века. Научное обоснование этому явлению впервые (в 1901 г.) дал Гезехиус, отметивший, что явление электризации трением связано с переходом электронов. Позднее советский ученый Френкель сформулировал теорию двойного слоя.

При обычных температурах некоторые электроны из-за теплового движения вырываются из кристалла. Для выхода электронов необходимо затратить определенную работу – работу выхода. При соприкосновении двух кристаллов электроны, совершая беспорядочное тепловое движение, будут переходить из одного кристалла в другой. В результате можно предположить наличие поверхностного заряда на контакте двух кристаллов различного состава. В случае, если поля объемных зарядов по обе стороны контакта имеют различную величину, следует ожидать перераспределения зарядов до тех пор, пока не наступит выравнивание электрических полей или разрыв контакта (подробнее см. раздел 4.5).

В технологических процессах частицы постоянно сталкиваются. Это приводит к образованию, разделению и накоплению положительных и отрицательных электрических зарядов. Явление электризации осложняется наличием пленок воды и загрязнением поверхностей частиц, электрическими эффектами, электролитическими двойными слоями и другими факторами.

Основоположником физической (или контактной) теории электризации был Вольт. Он первый предположил, что источником электризации двух тел служит соприкосновение их и что трение этих тел друг о друга только способствует увеличению количества точек соприкосновения (контакта). Вольт также считал, что в месте непосредственного соприкосновения тел возникает разность потенциалов и что это явление имеет чисто физический характер.

Гельмгольц рассматривал явление контакта как образование двойного электрического слоя с толщиной порядка молекулярных расстояний с определенной разницей потенциалов. Эта два слоя он рассматривал как конденсатор. Знак заряда, приобретаемый различными телами при взаимном трении по гипотезе Вольта - Гельмгольца, определяется их местом в трибоэлектрическом контактном ряду. Сторонником этой физической теории был также и Кельвин.

В противоположность контактной теории была создана химическая, основоположником которой был Де-Ла-Рив (1937 г.). Он считал, что причина электризации соприкасающихся тел заключается в химическом действии на них слоя влажного воздуха всегда остающегося в промежутке между соприкасающимися телами. Сторонники этой теории полагали, что каждому кристаллу свойственен свой потенциал, более низкий, чем потенциал окружающего воздуха. Так как между разными кристаллами и окружающим воздухом существует неодинаковая разность потенциалов, то при соприкосновении двух тел потенциалы их выравниваются за счет перехода отрицательного электричества из этого кристалла, потенциал которого выше, в тот кристалл, потенциал которого ниже. Несомненно, поверхностные слои кристалла сильно влияют на контактную разность потенциалов. Однако более позднее исследование с чистыми веществами в условиях высокого вакуума позволили установить чисто физический характер этого явления.

Имеется еще ряд различных гипотез. Общим в различных гипотезах является переход электронов или ионов в процессе статической электризации. По представлению академика Иоффе, в частице материала образуется двойной электрический слой, снаружи имеется электронное облако, под этим слоем на глубине порядка межатомного расстояния находится слой положительного электричества. Эти два слоя образуют конденсатор. Электроны при выходе из вещества должны преодолевать силу взаимодействия заряда электрона с напряженностью поля конденсатора. К этому прибавляется работа на преодоление силы электрического изображения, равная силе взаимодействия заряда с полем. Качественно его можно получить, используя представления современной физики твердого тела, а именно, зонной теории. За основу принято положение о переходе носителей электрических зарядов от одного контактирующего минерала к другому в результате различия в них концентрации носителей зарядов. При соприкосновении двух тел потенциалы их выравниваются за счет перехода отрицательного электричества из того кристалла, потенциал которого выше, в тот кристалл, потенциал которого ниже.

Вблизи поверхности контакта двух соприкасающихся тел возникает двойной электрический слой и при разрыве контакта на частицах остаются электрические заряды. Таким образом, трибоэлектрический эффект является результатом обмена зарядами между контактирующимися поверхностями и связан с образованием общего в области контакта двойного электрического слоя, который и является во всех случаях непосредственным источником статических зарядов. До контакта энергетическое состояние свободных поверхностей характеризуется определенным равновесным состоянием. При сближении (контакте) этих поверхностей образуется новая граница фаз, толщина которой соответствует межатомным расстояниям и равна нескольким ангстремам. Границы раздела фаз такой толщины рассматриваются как поверхностные фазы, создающие двойной электрический слой или потенциальные барьеры на поверхности раздела фаз. При контакте энергетическое равновесие нарушается, т.к. в контакт входят поверхности, обладающие разным уровнем поверхностной энергии.

Несомненно, поверхностные слои кристалла сильно влияют на контактную разность потенциалов. Для повышения эффективности электросепарации минералов с близкими свойствами иногда необходима специальная подготовка, обуславливаемая тем, что физические и физико-химические свойства разделяемых минералов во многом определяются структурой их кристаллической решетки. Учитывая это, ряд исследователей, используя теорию физики твердого тела, применяют принцип использования дефектов (несовершенств) кристаллической решетки минералов в процессе подготовки его к обогащению (работы В. И. Ревнивцева). При трении двух контактирующих тел (минералов - диэлектриков) появляются дополнительно донорные и акцепторные уровни, обусловленные дефектами кристаллической решетки (включения других атомов, дающих свободные валентности). Дефекты изменяют положение уровня Ферми. Перенос зарядов в диэлектриках обусловливается разностью положений уровня Ферми контактирующей пары. При этом выбирают такой вид и уровень энергетического воздействия, при которых в структуре минералов не происходит существенных изменений, а появляются лишь некоторые отклонения в решетке, иначе говоря, происходит концентрация структурных дефектов ее. Возникающие вследствие этого изменения в свойствах минералов, как правило, достаточны для их обогащения.

В. И. Ревнивцев и другие авторы при анализе механизма контактной электризации, лежащей в основе трибоэлектростатического метода сепарации, установили универсальность электрофизических воздействий даже для минералов с однотипной кристаллической решеткой. Искусственное изменение природных свойств минералов возможно за счет использования различия кристаллографических несовершенств, электронных и ионизированных дефектов, генерируемых деформационным, термическим, химическим, радиационным и другими способами.

При обработке поверхности минералов реагентами (химическая обработка) происходит изменение поверхностной проводимости. В отличие от реагентной обработки, термическая подготовка действует в основном не на поверхностную, а на объемную составляющую электропроводности. При термической подготовке различие в электропроводности может быть достигнуто за счет неодинакового изменения объемной проводимости минералов при нагревании. Характер зависимости между температурой и электропроводностью у различных минералов не одинаков. Поэтому при разделении минеральных смесей каждой паре минералов соответствует оптимальный диапазон температур, в котором разница в их электропроводимости будет максимальной.

Изменение свойств поверхности, способа трения и внешних условий часто приводит к изменению знака возникающего заряда. Экспериментально установлено, что с увеличением температуры и скорости перемешивания частиц заряд их увеличивается. Заряд, получаемый частицей, зависит от длины лотка, о который трутся частицы, от состояния поверхности трения (матовая, полированная) и способа приобретения заряда (плотность контакта, число мест касания и др.). Знак заряда зависит от физико-химических свойств частицы и материала поверхности лотка (таблица 7.1.2).

Температура сепарируемого материала оказывает значительное влияние на величину зарядов трения. Заряды частиц, нагретых до 80 - 90°С, выше зарядов холодных частиц в 1,2 - 2,4 раза. Частицы при нагревании теряют поверхностную влагу, наличие которой увеличивает поверхностную проводимость и нивелирует разницу в электрических свойствах минералов. При охлаждении, до тех пор, пока частица не адсорбирует влагу из воздуха, она сохраняет возможность приобретать большие заряды трения.

Таблица 7.1.2.

Знаки электрических зарядов, образующиеся при контакте минералов с различными электризующимися поверхностями.

Минерал	Эбонит	Стекло	Картон	Целлулоид	Слюда	Медь	Кадмий
Сера	-	-	-	-	-	-	-
Кварц	+	-	-	-	-	-	-
Микроклин	+	-	-	-	-	-	-
Биотит	+	-	-	-	-	-	-
Касситерит	+	-	-	-	-	-	-
Гематит	+	-	-	-	-	-	-
Халькозин	+	-	-	-	-	-	-
Гипс	+	-	-	-	-	+	-
Смитсонит	+	+	-	-	-	-	-
Магнезит	+	+	-	-	-	-	-
Кальцит	+	+	-	-	-	+	+
Барит	+	+	-	-	-	+	+
Каменная соль	+	+	+	+	-	-	-
Циркон	+	+	-	+	+	-	-
Флюорит	+	+	+	+	+	+	+

Эксперименты по измерению величины и знака заряда показали, что около 80% измельченных материалов могут менять знак получаемого заряда в зависимости от материала лотка. Таким образом, весьма велико число исключений из правила Коэна (раздел 4). Некоторые минералы независимо от материала лотка всегда заряжаются либо положительно, либо отрицательно. Так, сера всегда заряжается положительно, а кварц – отрицательно.

Джонсон назвал «обратимыми положительно» минералы, заряжающиеся при соприкосновении с медным или железным лотком всегда положительно. Минералы, заряжающиеся при соприкосновении с медным или железным лотком всегда отрицательно, называются «обратимыми отрицательно».

Установлено, что с помощью вибрирующей металлической поверхности можно сообщать частицам достаточно большие заряды, причем увеличение амплитуды вибрации приводит к росту получаемых зарядов. Транспортирующий лоток, на котором разделяемые частицы получают заряды, выполняется из электропроводящего материала. Материал лотка выбирается так, чтобы заряд трения его был бы положительным по отношению к одному компоненту и отрицательным по отношению к другому компоненту. Например, при сепарации материала, состоящего из кварца и полевого шпата, предварительно обработанного парами фтористоводородной (плавиковой) кислоты, полевой шпат становится положительным, а кварц – отрицательным по отношению к вибрирующей алюминиевой пластинке. При обработке парами той же кислоты сподуменовой руды, сподумен заряжается положительно по отношению к вибрирующей алюминиевой пластинке, альбит, микроклин и кварц – отрицательно.

На рис. 7.1.1 показана принципиальная схема трибоэлектростатического сепаратора барабанного типа.

Рис. 7.1.1. Схема трибоэлектростатического сепаратора барабанного типа

1 – электризатор (зарядное устройство); 2 – электрод металлический заземленный; 3 – электрод электростатический; 4 – приемник продуктов разделения.

Зарядное устройство этого трибоэлектростатического сепаратора отделено от сепарирующей части. Зарядка минералов обычно производится в аппаратах барабанного типа путем контакта минералов друг с другом. Зарядное устройство снабжено нагревателем для подогрева материала до 120 ÷ 200 ⁰С. Вследствие этого для минералов, склонных к пироэлектрической электризации, вспомогательное значение при создании зарядов может иметь пироэлектрический эффект. Разделение происходит в электростатическом неоднородном поле постоянной полярности напряженностью 2 ÷ 4 кВ/см, создаваемом между металлическим заземленным электродом и цилиндрическим электродом, на который подается высокое напряжение. Знак напряжения подбирается с учетом знака заряда, приобретаемого минералами при электризации.