8. Трибоадгезионная сепарация.

8.1. Физические основы трибоадгезионной сепарации.

Трибоадгезионная сепарация основана на использовании двух физических явлений:

а. Возникновение зарядов трения (контакта) при перемещении по лотку смеси частиц различных минералов.

б. Молекулярное сцепление (адгезия) тонких частиц с поверхностью транспортирующих устройств сепараторов.

Под адгезией обычно понимают сцепление между двумя приведенными в контакт поверхностями различных или (реже) одинаковых по своей природе материалов. Адгезия определяется целым рядом сил:

1. Взаимодействие Ван – дер - Ваальса между поверхностными молекулами частицы и подкладки или между поверхностными молекулами различных частиц, т.е. действие межмолекулярных сил на поверхности раздела.

Ван-дер-Ваальсовы силы проявляются между молекулами на расстоянии от одного до нескольких сотен их диаметров (единицы – сотни ангстрем), т.е. при условии малого зазора между контактирующими телами.

2. Капиллярные силы.

Твердые поверхности тонкодисперсных частиц в газовой (в т.ч. воздушной) среде прилипают друг к другу или к твердой поверхности какого – либо тела значительных размеров (например, барабана) не только в результате проявления межмолекулярных сил, но и за счет капиллярных сил жидкости, конденсирующейся в зазоре между контактирующими телами,

3. Электрические силы.

В зоне контакта частица/частица или частица/поверхность барабана образуется двойной электрический слой. Частицы приобретают местные заряды, что приводит к возникновению т.н. кулоновских сил. Кулоновские силы возникают между заряженными частицами, а их величина может значительно превосходить величину межмолекулярных сил.

Таким образом, адгезия тонких частиц порошков и пыли обусловливается различными по своей природе силами и зависит от физико-химических свойств контактирующих тел и окружающей среды.

Отдельные составляющие сил адгезии при определенных условиях могут превалировать над другими. Например, при влажности воздуха более 70%, адгезия тонких частиц определяется в основном капиллярными силами.

Как отмечалось выше, силы адгезии зависят от физико - химических свойств частиц и свойств поверхности, на которую происходит налипание частиц. Таким образом, на процесс адгезии будут влиять как свойства поверхности, с которой контактирует частица, так и свойства самой частицы.

Свойства поверхности протяженного тела, в основном, зависят от:

а. Свойств собственно вещества этого тела;

б. Гидрофобности / гидрофильности (естественной или приобретенной);

в. Изменения характеристик вещества при обработке его реагентами или после других физических или химических воздействий, ведущих к активации или пассивации каких – то поверхностных свойств;

г. Наличия окисных пленок или примазок других веществ;

д. Чистоты обработки поверхности.

Свойства поверхности частиц зависят от тех же параметров.

На процесс адгезии будут влиять также размеры частиц, форма, температура. Кроме того, на процесс адгезии влияет разность потенциалов между частицей и поверхностью, влажность воздуха, температура нагрева контактирующих тел и окружающей среды. Верхний предел крупности частиц, способных удержаться на поверхности меняется в зависимости от различных параметров, но в среднем крупность этих частиц не выше 100 микрон.

Выше указано, что на адгезионное взаимодействие тонких частиц порошков с твердыми поверхностями влияет множество факторов. С одной стороны, это указывает на сложность рассматриваемого процесса, но с другой стороны, это дает возможность гибкого управления этим процессом. Основное внимание должно уделяться использованию воздействия на молекулярную и электрическую составляющие сил адгезии. Кроме этого, безусловно, заметное влияние оказывает сила тяжести или ее составляющая, центробежная сила, капиллярные и другие силы.

Возьмем в качестве примера две частицы одинакового размера d.

Одна частица удержится на другой частице в том случае, если:

F_сц. > F_мех, где: (8.1.1)

F_сц. – сила сцепления;

F_мех - сумма механических сил.

F_сц. = A π σ d (8.1.2.)

F_мех = π*d³*(a + g) *ρ/6, где: (8.1.3.)

A - коэффициент, учитывающий площадь поверхности соприкосновения частиц друг с другом, наличие на ней влаги и др.,

σ - поверхностное натяжение частицы на границе раздела с окружающей средой [н/м];

d - средний диаметр частицы [м];

g - ускорение свободного падения [м/сек ²];

ρ - плотность частицы [кг/м ³];

a - центробежное или какое-либо другое ускорение [м/сек ²].

Из этого следует, что:

F_сц/F_м = 6 A σ/d²*(a + g) * ρ (8.1.4)

Из (8.1.4) следует, что соотношение сил адгезии и механических сил обратно пропорционально квадрату размера частицы. При уменьшении размера частиц ниже определенного предела, сила сцепления начинает проявляться более резко и превалировать над остальными силами, действующими на частицу, находящуюся на какой – либо поверхности (например, на поверхности барабана сепаратора). В результате этого явления отдельные тонкоизмельченные вещества (графит, тальк, каолин и др.) приобретают способность прочно прилипать к твердым поверхностям подобно смачивающим жидкостям.

В общем случае (по Б. В. Дерягину) полная сила адгезии F_адг, зависящая от составляющих - молекулярной силы F_мол и электрической силы F_эл, равна

F_адг = F_мол + F_эл (8.1.5)

F_адг = A σ d_ср (8.1.6)

F_эл= F_д.с. + F_з = 2π σ_s² S_k + q₀²/х², где (8.1.7)

F_д.с. – сила взаимодействия, обусловленная двойным электрическим слоем, образующимся в месте контакта [н];

F_з – сила зеркального отображения (кулоновская сила) [н];

σ_s – поверхностная плотность зарядов двойного электрического слоя [Кл/м²];

S_k – площадь контакта частиц [м²];

q₀ – начальный заряд частицы [Кл];

х – расстояние между центрами заряда частицы и индуцированного им заряда на поверхность подложки [м].

Силы молекулярного взаимодействия могут существенно влиять на формирование сил адгезии. Так, для частиц диаметром 7,5*10^-6 м и 12,5*10^-6 м экспериментально были определены силы молекулярного взаимодействия. При величине зазора равным 10^-9 м (10 Ǻ) они довольно значительны и составляют 6,2*10^-2 Н и 12,5*10^-2 Н. Они слабее ионных и ковалентных связей, но при некоторых условиях, когда имеет место физическая адсорбция молекул на поверхности твердых тел и отсутствуют химические связи, они могут доминировать.

Экспериментально доказано, что адгезия определяется, в основном, электростатическими силами и что величина электрических сил адгезии значительно больше молекулярных.

При трибоадгезионной сепарации разделяемая смесь минералов подается на заземленный металлический лоток. В результате движения материала по лотку происходит контактная электризация. При отрыве минеральных частиц от лотка, вследствие разрыва двойного электрического слоя, на частицах образуются заряды. Сила адгезии порошков к металлической поверхности может быть приравнена к силе отрыва. Эта сила зависит от большого числа различных факторов и свойств контактирующих тел.

Существенную роль играют размеры частиц. При уменьшении размеров возрастает удельная поверхность частиц, а, следовательно, и роль электрических и молекулярных сил. Исследованиями установлено, что частицы крупностью более 150 микрон весьма слабо удерживаются на вращающемся барабане, т.к. сила тяжести их значительно превышает силу адгезии.

На величину силы адгезии оказывает влияние форма частиц. Установлено, что при сепарации частицы одинаковой массы, но разной формы ведут себя по-разному. Сила адгезии плоских частиц больше силы адгезии шарообразных, а сила адгезии частиц игольчатой формы больше силы адгезии частиц пластинчатой формы, что связано с большей площадью контакта частиц с поверхностью.

На величину адгезионных сил также оказывает влияние химический состав и состояние соприкасающихся твердых тел. Даже при весьма тесном контакте двух соприкасающихся поверхностей (из-за наличия шероховатостей, неровностей) адгезия их обычно мала вследствие незначительности истинной площади контакта, составляющей лишь небольшую долю от кажущейся площади соприкосновения.

Наличие на поверхности контактирующих тел адсорбированных посторонних веществ, в т.ч. влаги, вызывает изменение величины адгезионной силы, т.е. изменяет как молекулярную, так и электрическую составляющую. При обработке поверхности частиц сепарируемого материала поверхностно - активным веществом происходит изменение поверхностных свойств материала (например, поверхностной проводимости) и, следовательно, изменение величины его заряда и силы адгезии.

На результаты трибоадгезионной сепарации оказывает существенное влияние влажность разделяемого материала и влажность окружающей среды. Изменение влажности приводит к изменению контактной проводимости, и, следовательно, к изменению заряжения частиц. Наличие влаги на поверхности частицы также вызовет изменение поверхностной проводимости. Это также приводит к изменение величины заряда частиц.

При повышении относительной влажности воздуха свыше 60 % электропроводность твердых частиц велика и заряжения поверхности при контактной электризации не происходит, т.к. влага способствует утечке зарядов, снижению кулоновских сил и, как следствие, снижению адгезии. Адгезия тонких частиц в этом случае обуславливается капиллярными силами.

При относительной влажности воздуха более 55 % величина заряда резко падает, а при изменении влажности от 15 до 55 % остается примерно одинаковой.

Температура нагрева контактирующих тел и нагрева окружающей среды также оказывает существенное влияние на величину адгезионных сил. При контакте различных материалов их электризация обеспечивается благодаря переходу электронов или ионов с одной поверхности на другую. Для этого необходимо, чтобы кинетическая энергия теплового движения была достаточна для преодоления электронами работы выхода.

Исследованиями установлено, что целесообразно при электростатической сепарации фосфоритных руд их нагревать до температуры 120 – 160⁰С, а для разделения смеси галита и сильвита для получения оптимальной разницы в величине зарядов их целесообразно нагреть до температуры 400 – 450⁰С и затем охладить до температуры 120 – 140⁰С. Этот режим обеспечивает высокую эффективность их электросепарации.

Установлено, что величина зарядов, приобретаемых частицами при движении по плоскости, зависит от скорости их качения по плоскости. С увеличением скорости качения заряд увеличивается. Зависимость заряжения частиц диэлектрика (при контакте с металлом) от скорости качения объясняется переходом электронов от металла к диэлектрику. При трибоадгезионной сепарации скорости качения сепарируемых материалов по лотку обычно малы (2*10^-2 – 4*10^-2 м/сек) при длине лотка 300 – 500 мм. Заряд увеличивается особенно сильно при вибрации лотка.

Величина зарядов зависит также от чистоты поверхности материала и плотности соприкосновения поверхностей трения между собой. Чем больше поверхность трения и давление, с которым частицы прижимаются друг к другу или к плоскости перемещения, тем больше заряды. Знак заряда зависит в основном не от скорости качения, а от однородности и чистоты поверхности материала.

Если в обогащаемом материале содержится значительное количество частиц меньше 40 микрон, то обогащение их на трибоадгезионных сепараторах не дает положительных результатов, в результате того, что независимо от их физических свойств, они прочно удерживаются на поверхности барабана.

При контакте двух частиц силы их прилипания при прочих равных условиях пропорциональны линейным размерам частиц, следовательно, малая по размеру частица находится только под действием сил прилипания и собственной массы (пропорциональной кубу их линейных размеров), и силы адгезионного взаимодействия с уменьшением размеров частиц увеличиваются.

В процессе адгезии между поверхностями двух твердых тел возникает точечный контакт. При этом необходимая сила притяжения не относится к какой-либо площади, а устанавливается лишь зависимость этой силы от формы поверхности вблизи точек контакта.

Из формулы (8.1.4) можно вывести граничный размер диаметр частиц, ниже которого сила сцепления превышает силу тяжести:

d  [6 A σ/((a + g) *)]^½ где: (8.1.8)

A – коэффициент, зависящий от формы контактирующих поверхностей и их состояния;

σ – поверхностное натяжение на границе Твердое – Газ;

(a + g) – сумма ускорений, действующих на частицу;

ρ – плотность частицы.

Выражение граничного диаметра получено из условия, что сила сцепления между частицами превышает силу тяжести одной из них.

Выше было указано, что электрическая составляющая силы адгезии представляет собой сумму силы взаимодействия, обусловленную двойным электрическим слоем, образующимся в месте контакта, и силы взаимодействия заряда (равномерно распределенного по сферической частице) с материалом подложки. Возникновение этого заряда связано, очевидно, с предварительной электризацией частиц. Заряды частиц могут возникать при соприкосновении как разнородных, так и однородных материалов вследствие эффекта отрыва. При сходе частицы с транспортирующего лотка, когда нарушается адгезионная связь, на границе металл – малая шарообразная частица диэлектрика или полупроводника, величина первоначального заряда частицы q₀ и поверхностная плотность заряда могут достигать значительной величины. Вследствие этого, при попадании заряженной частицы на поверхность барабана сепаратора, сила взаимодействия ее заряда и заряда, индуцированного им, будет достаточна для удержания частицы на поверхности барабана сепаратора. Сила зеркального отображения, как правило, значительно больше молекулярных сил и сил двойного электрического слоя. При трибоадгезионной сепарации сила адгезии определяется, в основном, силой зеркального отображения. Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью подложки (барабаном сепаратора) при наличии определенного зазора между соприкасающимися поверхностями особенно сильно проявляется в начальный момент контакта частиц с поверхностью. Продолжительность действия сил зеркального отображения зависит от поверхностных свойств соприкасающихся тел, состояния среды (влажность, температура), размеров частиц и др.

Если поверхность подложки (барабана) незаземлена или непроводящая и мала вероятность утечки зарядов (например, за счет ионизации воздуха), то силы зеркального отображения могут довольно долго обуславливать адгезию частиц.

В трибоадгезионных сепараторах дополнительное электростатическое поле не создается, а поверхности барабана и транспортирующего лотка заземляются. Однако они всегда покрыты тончайшим слоем сепарируемого материала или пленкой окисленного металла, это и затрудняет утечку трибозарядов частиц. Кроме того, частица находится на барабане непродолжительное время (менее 2 сек при диаметре барабана 300 мм и оптимальной линейной скорости вращения его около 1 м/сек), поэтому сила зеркального отображения останется значительной, а ее действие сохранится в течение всего периода нахождения частицы на поверхности вращающегося барабана. Экспериментально установлено, что при предварительной зарядке частиц за счет трибоэффекта с помощью вибролотка выход удерживаемой фракции в 3 раза больше по сравнению с тем случаем, когда зарядка частиц осуществлялась трением друг о друга или о лоток, и в 5 – 7 раз больше, чем в условиях, когда частицы предварительно не заряжались и поступали из бункера на барабан.

Таким образом, на частицу, находящуюся на вращающемся барабане, действует следующая сумма сил:

 F = F_мол + F_эл + F_т + F_ц, где: (8.1.9)

F_мол – молекулярная составляющая силы адгезии, зависящая от среднего размера частицы;

Молекулярная составляющая силы адгезии проявляется до непосредственного контакта частиц с поверхности барабана и зависит от многих трудноучитываемых факторов. На величину F_эл при трибоадгезионной сепарации влияет степень электризации частиц вызываемая контактной разностью потенциалов и их начальным зарядом перед попаданием частиц на поверхность барабана.

Величину заряда разделяемых частиц можно изменять внешними воздействиями: термической или реагентной обработкой, изменением числа контактов и амплитуды отрыва частиц от подложки лотка - питателя (при перемещении частиц по его поверхности), гранулометрическим составом материала и другими факторами. Поведение заряженных частиц на поверхности барабана определяется характером имеющейся на ней подложки. Если подложка не электропроводна, то электрические силы могут способствовать отрыву частиц от барабана.