4.5. Метод заряжения частиц путем трения о транспортирующий лоток или друг о друга (трибоэлектрическая сепарация).
При взаимном трении разнородных физических тел они заряжаются равными по величине, но различными по знаку электрическими зарядами, которые могут достигать значительных величин благодаря многократным контактам частиц о лоток или друг о друга. Знак заряда зависит от природы этих тел, от состояния поверхности и некоторых других факторов.
При заряжении частиц путем трения их о транспортирующий лоток подбор материала, из которого выполнен лоток, дает большие возможности получения зарядов разной величины или знака у различных частиц. Однако для контакта всех частиц с лотком требуется, чтобы материал проходил по лотку в один слой, что резко ограничивает производительность аппарата.
Рис. 4.5.1 Способы заряжения частиц при трибоэлектрической сепарации:
а - контактом частиц с электродом;
б - разрыва контакта частиц с электродом;
в - контактом частиц друг с другом;
г - разрывом контакта частиц друг с другом.
При контакте частиц между собой производительность может быть выше, т.к. не требуется монослойная загрузка. Однако возможности по регулировке процесса, т.е. изменение величины или знака получаемых зарядов при этом весьма ограничены.
В зависимости от вышеуказанных факторов одно и тоже тело при трении может получать положительный или отрицательный заряд.
Если уточнить формулировку, то электризации трением не существует. Правильно говорить об электризации посредством контакта тел. Трение необходимо только для более тесного сближения поверхностей диэлектриков. Возникновение зарядов при трении связано с работой выхода электронов. При контакте двух тел возникает двойной электрический слой, а при разрыве контакта двух частиц это приводит к образованию зарядов.
Все тела, как правило, электронейтральны, т.е. отрицательные и положительные заряды в них компенсируются. Вследствие теплового движения и распределения электронов по скоростям внутри тела часть из них обладает кинетической энергией, достаточной для выхода за его пределы. Такая энергия называется термоэлектронной работой выхода Авых и имеет разные значения для различных веществ (рис. 4.5.1). В результате у поверхности тела образуется слой «электронного газа» толщиной около d = 10-10 м. Наступает динамическое равновесие – количество электронов, покидающих тело, примерно равно количеству электронов, входящих в тело.
Если сблизить тела настолько, что слои электронного газа перекроются, начнется обмен электронами. Электроны будут перемещаться от тела с меньшей работой выхода к телу с большей работой выхода. Переход электронов от тела (1) к телу (2) прекращается после возникновения контактной разности потенциалов е*Δφ, препятствующей дальнейшему движению электронов. Разведем тела так, чтобы их электронные слои не перекрывались. На проводниках, за счет подвижности зарядов, зарядов не останется. На диэлектриках появятся заряды, равные по величине и противоположные по знаку.
Рис. 4.5.1. Электризация путем контакта тел.
А1вых - работа выхода электронов из тела (1).
А2вых - работа выхода электронов из тела (2).
Таким образом, причиной возникновения зарядов при трении минеральных частиц друг о друга или при трении частиц о транспортирующую плоскость являются:
1) переход электронов, вследствие различной величины потенциальных барьеров контактирующей пары;
2) образование двойного электрического слоя;
3) контактный потенциал.
Кроме того, при трении появляются дополнительно донорные и акцепторные уровни, обусловленные дефектами кристаллической решетки и/или включениями других атомов, дающими свободные валентности.
Дефекты изменяют положение уровня Ферми. Перенос зарядов в диэлектриках обусловливается разностью положений уровня Ферми контактирующей пары.
Заряжение частиц посредством трения используется в трибосепараторах для разделения минералов - диэлектриков, у которых электропроводность очень незначительна. Использование флотационных реагентов, а также кондиционирование разделяемого материала с воздухом различной влажности позволяет регулировать трибозаряды в широких пределах.
Некоторые кристаллы можно расположить в трибоэлектрический ряд, в котором при трении двух входящих в него кристаллов каждый предыдущий заряжается положительно, а каждый последующий – отрицательно.
Разделение материалов за счет трибоэффекта связано с различным знаком заряда или величиной заряда одного знака при движении их по транспортирующей плоскости, которая наклонена под углом, превосходящем угол естественного откоса. Крупность частиц не более 2-3 мм и не менее 0,1 мм.
Разделение минералов происходит, если выполняется правило Коэна. Оно заключается в следующем: диэлектрическая проницаемость материала подложки должна быть меньше диэлектрической проницаемости одного минерала и больше диэлектрической проницаемости другого.
Селективное заряжание частиц осуществляется в том случае, когда работа выхода электрона различна у разных минералов по отношению к материалу подложки, т.е. имеет место разница контактных потенциалов.