2.2. Соотношение электрических сил при электрическом обогащении.
При электрической сепарации в воздушной среде на частицу действуют силы F1 и F2. В диэлектрических сепараторах средой разделения являются органические жидкости с диэлектрической проницаемостью, промежуточной между диэлектрическими проницаемостями разделяемых частиц минералов. Сила F1 в этом случае не имеет значения.
Для определения роли сил при электрической сепарации в воздушной среде, разделим равенство, выражающее силу F1 на равенство, выражающее силу F2:
(2.2.1)
Для проводников ε1’ ≈ ∞, следовательно
(2.2.2)
Из приведенных равенств видно, что с уменьшением крупности частиц отношение силы F1 к силе F2, возрастает и, следовательно, возрастает роль силы F1, обусловленной зарядом частицы. Верхний предел крупности частиц, подвергаемых электрической сепарации, обычно составляет 3 - 4 мм, и даже для этих относительно крупных частиц сила F1 во много раз превышает силу F2.
Примем, что r = 2 мм; коэффициент неоднородности поля «c», по аналогии с магнитными полями сепараторов, примем достаточно большим и равным 50 [м-1]. Подставив указанные значения в равенство (2.2.2), получим, что F1 /F2 ≈ 126.
Для частиц диэлектриков, если принять значение их диэлектрической проницаемости ε1 = 10, то получим для указанных выше условий по формуле (2.2.1) F1 / F2 ≈ 152, т.е. повышение силы F1 по отношению к силе F2.
Для частиц крупностью 0,2 мм эти соотношения будут в 10 раз больше и составят соответственно ~ 1260 и ~ 1520.
Таким образом, при электрической сепарации в воздушной среде электрической силой F2, обусловленной неоднородностью электрического поля, можно пренебречь. Так как основную роль играет сила F1, зависящая от заряда частиц, то для получения высоких технико - экономических показателей электрической сепарации необходимо обеспечить достаточную разницу в величине зарядов частиц разделяемых минералов.
3. Свойства минералов,
использующиеся при электрическом обогащении.
Электрические методы обогащения основаны на использовании различий в электрических свойствах частиц, подлежащих разделению. Этими свойствами являются:
- электропроводность,
- диэлектрическая проницаемость,
- трибоэлектрический эффект,
- контактный потенциал,
- пироэлектрический эффект,
- пьезоэлектрический эффект,
- униполярная проводимость,
- индукция (электризация через влияние).
Из вышеперечисленных свойств главную роль играют электропроводность и диэлектрическая проницаемость.
3.1. Электропроводность.
Легкость перемещения электрических зарядов по проводнику характеризуется электрической проводимостью Q, представляющей величину, обратную электрическому сопротивлению.
Q =1 / R = I /V = σ* s / l [А/В], где: (3.1.1)
Q – проводимость [Сим] = [1/Ом] = [А/В],
I – ток [А],
V – разность потенциалов [В],
σ – удельная электрическая проводимость [Сим/м]
s - площадь сечения проводника [м2],
l - длина проводника [м],
R - сопротивление проводника [Ом].
Электропроводность (удельная проводимость) σ есть величина, обратная удельному сопротивлению ρ.
R = ρ* l / s, где: (3.1.2)
R - сопротивление минеральной частицы [Ом],
ρ - удельное сопротивление минеральной частицы [Ом/м].
Все тела в природе состоят из частиц, которые обладают электрическими зарядами положительного или отрицательного знака. В обычных условиях (при отсутствии электрического поля) суммарные величины положительных и отрицательных зарядов одинаковы и тела электрически нейтральны.
В зависимости от рода подвижных зарядов электропроводимость может быть электронной, ионной и смешанной. При обогащении электрическим методом используется только электронная проводимость.
По электропроводности все тела разделяются на три класса – проводники, полупроводники и диэлектрики (непроводники) (см. табл. 3.1.1).
Таблица 3.1.1
Класс вещества |
Проводники |
Полупроводники |
Диэлектрики |
Электропроводность σ, [Сим/м] |
≥103 – 102 |
10 - 10-8 |
≤10-12 |
Удельное сопротивление ρ, [Ом/м], ρ=1 / σ |
≤10-3 – 10-2 |
10 -1 - 108 |
≥1012 |
Зависимость электропроводности от температуры, σ = f (t) |
Падает |
В основном растет, но имеются исключения. |
|
Примеры веществ. См. также приложение 1. |
Металлы: медь, серебро, золото, алюминий. Минералы: борнит, галенит, графит, куприт, магнетит, молиб-денит, пирротин, ильменит, рутил. |
Германий, кремний, селен. Минералы: гематит, станнин, висмутин, корунд, псиломелан, |
Янтарь, эбонит, фарфор, стекло, газы, органические жидкости. Минералы: кварц, хромит, сера, флюорит, циркон, флогопит, барит, дистен, силлиманит, кальцит. |
Электропроводность минеральных частиц складывается из двух составляющих – объемной и поверхностной.
Объемная электропроводность минералов в сильной степени зависит от наличия в минералах посторонних включений. Эти включения даже в небольшом количестве резко изменяют электропроводность, чем и объясняются значительные колебания в значениях электропроводности, приведенных в различных литературных источниках.
На величину поверхностной электропроводности минералов оказывает весьма существенное влияние наличие:
- капиллярной влаги,
- тонких, шламистых частиц других минералов на поверхности.
Это приводит к еще большему колебанию значений общей электропроводности и определяет необходимость проведения подготовки материала перед электросепарацией, т.е. введение в технологическую схему операций обесшламливания или обеспыливания.
Из данных, приведенных в таблице 3.1.1 видно, что:
проводники обладают электропроводностью ≥103 – 102 [Сим/м], (электропроводность меди 5,71*107 [Сим/м], фехраля - сплава с высоким удельным сопротивлением - 7*105 [Сим/м])
полупроводники обладают электропроводностью от 10 до 10-8[Сим/м],
у диэлектриков электропроводность меньше ≤10-12 [Сим/м].
Следует отметить, что границы в значениях проводимости между проводниками и полупроводниками и между полупроводниками и диэлектриками достаточно условны.
Полупроводники отличаются от металлов не только значительно меньшей электропроводностью, но и другой зависимостью электропроводности от температуры.
Электропроводность металлических проводников падает с повышением температуры из-за роста хаотического теплового движения атомов, а у полупроводников она, наоборот, возрастает из-за увеличения количества свободных носителей заряда. Но среди полупроводников имеется в небольшом числе и такие, где электропроводность с нагреванием не увеличивается, а уменьшается, например CdC, SiC, Bi2S3 и др.
Высокой проводимостью обладают химически чистые металлы: серебро, золото, медь, алюминий. Из минералов к проводникам относятся: пирротин (FenSn+1), ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титаномагнетит (Fe3TiO6).
К числу хороших диэлектриков относятся: янтарь, эбонит, фарфор, кварц, стекло, газы, значительная часть органических жидкостей.
Большинство минералов относятся к классу полупроводников, но среди минералов имеются относительно хорошо проводящие - окислы металлов, сульфиды, например, - ильменит, рутил, вольфрамит, колумбит-танталит, пирит, халькопирит, пирротин.
Плохо проводящие минералы - силикаты, карбонаты, например, кварц, кальцит, циркон, дистен, силлиманит, алмаз, сера.
В металлах имеет место особый тип химической связи между атомами. Особенностью этой связи является то, что валентные электроны в металлах свободны, не связаны с атомами металла и образуют «электронный газ». Лишенные валентных электронов ионизированные атомы в металле строго закономерно размещены в пространстве и образуют кристаллическую решетку. При наложении электрического поля свободные электроны движутся в направлении положительного полюса, т.е. возникает электрический ток.
В полупроводниках электроны при абсолютном нуле не свободны. Характерным для полупроводника является преимущественно ковалентная связь между атомами в кристаллической решетке. Каждая связь между атомами осуществляется парой обобществленных (спаренных) электронов. Однако, когда под влиянием тех или иных физических воздействий (свет, тепло, ядерные излучения и т.д.) происходит передача энергии полупроводнику, часть связанных в полупроводнике электронов освобождается и становится носителями тока.
Более строгие различия в свойствах металлов и полупроводников объясняются на основе квантовой теории твердого тела, где введено понятие об энергетических зонах. Согласно этим представлениям, в полупроводниках и диэлектриках все разрешенные энергетические уровни, на которых могут находиться электроны, заняты. Эти уровни в совокупности составляют валентную зону. Однако, если полупроводнику сообщить извне энергию, (например, нагреть их, что всегда делают с исходным материалом перед электрической сепарацией), часть электронов может освободиться и перейти в зону проводников.
Для металлов энергетический уровень, вероятность нахождения на котором заряженной частицы равна 0,5 при любой температуре тела, называется уровнем Ферми.
Численно уровень Ферми равен максимальной энергии электронов металла при температуре абсолютного нуля. В общем случае уровень Ферми характеризует работу, затрачиваемую на перенос заряженных частиц, обладающих массой и находящихся в среде, имеющий градиент электрического потенциала и какое-то количество этих частиц. Поэтому для полупроводников это энергия, значение которой зависит от концентрации носителей заряда в данном теле. Зная уровень Ферми, можно вычислить концентрации носителей заряда, и наоборот.
Между зоной проводимости и валентной зонами у полупроводников имеется зона, в которой вообще нет разрешенных энергетических уровней. Эта зона называется запрещенной. Ширина запрещенной зоны равна минимальной энергии, которую надо сообщить электрону, чтобы перевести его из связанного состояния валентной зоны в зону проводимости. Единица измерения ширины запрещенной зоны – [эВ] (электрон – вольт). Для полупроводников ширина запрещенной зоны составляет обычно 0,1 ÷ 3 эВ. Уровень Ферми в полупроводнике лежит в середине запрещенной зоны.
В диэлектриках, в отличие от металлов и полупроводников, нет зарядов, способных перемещаться на значительные расстояния и переносить ток. Диэлектрики построены либо из нейтральных молекул, либо из заряженных ионов, закрепленных в определенных положениях равновесия (например, в узлах кристаллической решетки). Под воздействием электрического поля заряды, входящие в состав диэлектрика, не срываются полем со своим мест, а лишь несколько смещаются из положения равновесия в некоторые новые равновесные положения. Для диэлектриков ширина запрещенной зоны не превышает 3 ÷ 4 эВ.
При превышении некоторой напряженности поля, зависящей от свойств диэлектрика, наступает электрический пробой, связанный с механическим разрушением диэлектрика и возникновением искрового разряда с лавинообразным нарастанием тока.
Напряжение, при котором наступает пробой, приложенное на единицу толщины диэлектрика, называется пробивной прочностью. Для сухого воздуха она приблизительно составляет 3 кВ/мм (3000 кВ/м), для мрамора – от 2 до 8 кВ/мм, для полиэтилена – от 35 до 60 кВ/мм.
Заряд любого тела (например, минеральной частицы) обусловлен избытком или недостатком электронов. Движение электронов вызывает перераспределение электрических зарядов в телах, отрицательную и положительную электризацию тел и электрический ток в металлах. В электрическом поле проводники и непроводников ведут себя различно.
Если проводник поднести к заряженному телу, т.е. поместить в электрическое поле, то на его поверхности появляются электрические заряды т.е. он электризуется. Причина электростатической индукции заключается в действии внешнего поля на свободные электроны в проводнике. При удалении проводника из электрического поля оба противоположных заряда уравновешиваются, и тело остается ненаэлектризованным.
Так как в диэлектриках практически отсутствуют свободные электроны, заряженные частицы внутри атомов и молекул связаны между собой и могут только смещаться под действием электрического поля, то в любой части объема диэлектрика общий положительный заряд равен отрицательному. Под действием электрического поля происходят смещение зарядов, причем тем больше, чем выше напряженность. Это явление называется поляризацией. Степень ориентации, возникших диполей в направлении вектора напряженности поля, т.е. поляризация, будет тем больше, чем выше напряженность электрического поля. Появившиеся заряды на поверхности диэлектрика называются связанными зарядами.