Классификация минералов по электропроводности

Одна из основных электрических характеристик веществ - электропроводность (единица измерения - Сименс), либо удельная электропроводность (единица измерения –См/м). Последний показатель – величина, обратная удельному сопротивлению.

По электропроводности все минералы классифицируются на 3 группы:

1. Проводники (П) – удельная электропроводность 10 – 10⁴ См/м.

2. Полупроводники (ПП) – удельная электропроводность 10^-1 – 10^-8 См/м.

3. Непроводники (НП) – удельная электропроводность <10^-8 См/м.

Величина электропроводности слагается из объемной и поверхностной составляющей. Последняя зависит от состояния поверхности. Путем нанесения на поверхность реагентов в виде аэрозолей можно целенаправленно изменять проводимость минералов в нужном направлении.

К минералам проводниковой группы относятся магнетит, титаномагнетит, ильменит, рутил, пирит, галенит, графит и другие минералы.

К полупроводникам относятся доломит, гематит, псиломелан, халькопирит, молибденит, вольфрамит, сфалерит и пр.

К непроводникам относятся кварц, циркон, турмалин, асбест, боксит, пирохлор и другие минералы.

В электрическом поле минералы проводниковой и непроводниковой группы ведут себя различно.

На поверхности проводника, помещенного в электрическое поле, появляются электрические заряды, причем на одном конце концентрируется избыток электронов (вблизи положительного электрода), на другом – наблюдается их недостаток, т.е. появляется положительный заряд. Это явление связано с переходом электронов от атома к атому на верхних орбитах их движения. При удалении проводника из поля восстанавливается первоначальное состояние.

При контакте проводника с заряженным телом (электродом) происходит обмен зарядов, проводник приобретает одноименный заряд и испытывает силы отталкивания от электрода.

Помещение в электрическое поле непроводника (диэлектрика) сопровождается смещением в нем зарядов (переориентацией электрических диполей в соответствии с направлением напряженности электрического поля). На концах диэлектрика также появляются заряды, но при контакте с электродом переход зарядов невозможен, кулоновские силы притягивают непроводник к электроду.

Зарядка (электризация) частиц – важнейшая стадия электрической сепарации. Она может осуществляться путем создания на частицах избыточных зарядов какого-либо одного знака, либо создания на противоположных концах частицы зарядов разного знака. Существует несколько способов зарядки частиц.

2.2.1 Зарядка касанием об электрод

При соприкосновении проводниковой частицы (П) с электродом, находящимся под электрическим потенциалом, происходит перераспределение зарядов, в результате которого частица приобретает избыточный одноименный с электродом заряд. Это сопровождается появлением электрических кулоновских сил отталкивания (рис. 2.2).

Частица непроводника (НП) поляризуется и притягивается к нижнему электроду.

Скорость зарядки (или разрядки) частиц зависит от их электрической проводимости, формы, контактного сопротивления, напряженности поля и пр.

2.2.2 Зарядка частиц ионизацией

Сущность метода заключается в осаждении на поверхность частиц ионов газа, полученных одним из способов – коронный разряд, рентгеновское, радиоактивное воздействие.

Наиболее распространенный источник получения ионов – коронный разряд. Сущность ионизации газа состоит в отщеплении электронов от нейтральных молекул и в присоединении некоторой части свободных электронов к нейтральным молекулам и атомам газа. Таким образом, носителями электрических зарядов в ионизированном газе являются ионы различных знаков и свободные электроны.

Коронный разряд – это неполный пробой газа между электродами, возникающий вблизи тонкого или заостренного электрода. В результате частичного пробоя ионизируются молекулы воздуха. Под влиянием электрического поля мощный поток газообразных ионов движется от коронирующего электрода к заземленному (осадительному) электроду. Возникающее в этом случае свечение газа – результат возбуждения нейтральных молекул, с которыми сталкиваются электроны или ионы.

Электрод, вблизи которого возникает свечение газа, называется коронирующим, а светящаяся область – коронирующим слоем или чехлом короны. Коронирующий слой образует внутреннюю область коронного разряда. Во внешней области ионизация газа не происходит, имеет место лишь перемещение в определенном направлении молекул газа под действием движущихся ионов. Эти ионы образуют "электронный ветер", он выравнивает концентрацию ионов в межэлектродном пространстве, способствуя лучшей зарядке частиц минерала.

Внешняя часть коронного разряда имеет только зарядоносители одного знака, т.к. коронирующий электрод поглощает ионы противоположного с ним знака, а избыточные одноименно заряженные ионы выталкиваются во внешнюю область короны и направляются к противоположному электроду. Следовательно, электрический ток при коронном разряде образуется зарядами того же знака, какой имеет коронирующий электрод.

Различают положительную и отрицательную корону, что определяется знаком потенциала коронирующего электрода.

Напряженность электрического поля и напряжение на электроде, при которых происходит коронный разряд в газе, называют критической напряженностью и критическим напряжением.

Напряжение, при котором наблюдается возникновение искр, называют напряжением искрового пробоя, а при котором возникает электрическая дуга – напряжением пробоя.

В поле коронного разряда возможна зарядка частиц, как находящихся во взвешенном состоянии в воздушном потоке, так и расположенных на электроде. При контакте с заряженным электродом проводниковые частицы отдают полученный заряд, приобретая положительный заряд, а непроводники – нет. Скорость разряда частиц при касании об электрод определяется их проводимостью, контактным сопротивлением.

Рассмотренный способ ионизации частиц в коронном разряде с последующим контактом с электродом – основной метод зарядки разделяемых частиц при электрической сепарации по электропроводности.

Зарядка частиц трением

Метод основан на трибоэлектрическом эффекте, свойственном многим минералам. Иногда называется методом контактной электризации.

Сущность трибоэлектрического эффекта – возникновение зарядов на частицах минералов при прерывании механического контакта между ними, либо при трении частиц между собой. Другими словами, если электрически нейтральную частицу минерала привести в соприкосновение с электрически нейтральной частицей другого минерала или с поверхностью какого-либо материала и затем разъединить их, то на обоих соприкасающихся веществах возникнут различные по знаку электрические заряды. При многократном повторении рассмотренного элементарного акта удается создать плотность поверхностного заряда, достаточную для сепарации минералов в электрическом поле высокой напряженности.

Реализация данного метода зарядки частиц возможна двумя способами:

1. Контакт всех разделяемых минералов с электризатором, обычно вибрационным лотком, обеспечивающего многократное соприкосновение частиц с его поверхностью в процессе их перемещения.

2. Контакт разделяемых частиц между собой при перемешивании их во вращающемся барабане, обеспечивающим интенсивное соударение минералов.

Первый способ обеспечивает более высокую селективность зарядки частиц путем подбора материала электризатора. Но этому способу характерна малая производительность, т.к. на вибролотке необходимо обеспечивать монослой материала.

Электрическая сепарация по электропроводности

В основе сепарации минералов лежит различие в электропроводности разделяемых минералов. Чем выше контрастность этих свойств, тем эффективнее проходит процесс обогащения. Данный вид сепарации позволяет легко разделять проводники от полупроводников и непроводников. Труднее происходит разделение минералов групп ПП от НП. Практически невозможно разделить минералы, относящиеся к одной группе, если использовать естественное различие электропроводности частиц.

Существуют следующие разновидности электрической сепарации по электропроводности:

· электростатическая;

· коронная;

· коронно-электростатическая.

Электростатическая сепарация, на примере барабанного сепаратора, включает зарядку частиц касанием об вращающийся электрод (барабан). Проводники, получив заряд от барабана, отталкиваются от него, чему способствует центробежная сила и отклоняющий электрод (4), имеющий потенциал противоположного знака, и собираются в проводниковом отделении. Непроводники, поляризуясь, притягиваются к барабану и разгружаются значительно позже по пути вращения барабана, этому способствует и сила тяжести частиц. Промежуточную траекторию движения получают полупроводники. Данный вид сепарации в чистом виде применяется редко.

Коронная сепарация основана зарядке частиц в высоковольтном поле коронного разряда, образующегося между коронирующим и осадительным электродами. Здесь все частицы получают отрицательный заряд за счет осевших на их поверхность ионов воздуха. Проводниковая фракция быстро отдает его барабану, перезаряжается и отталкивается от него. Непроводники не могут с такой же скоростью отдать свои заряды, они притягиваются к барабану и разгружаются с его поверхности вращающейся щеткой (5).

Коронно-электростатическая сепарация, наиболее широко применяемая в промышленности, включает принципы электростатической и коронной сепарации.

Следует обратить внимание, что чаще используется "отрицательная" корона, это обеспечивается подачей высокого отрицательно напряжения (30 – 50 кВ) на коронирующий электрод (и на отклоняющий), на заземленный барабан в этом случае подается положительный потенциал от высоковольтного выпрямителя.

Трибоэлектрическая сепарация

В основе сепарации лежит зарядка частиц с помощью трибоэлектрического эффекта. По этой схеме зарядка частиц осуществляется во вращающемся барабане. Остальные элементы схемы соответствуют электростатическому сепаратору.

Рассмотренный вид сепарации применяется для разделения минералов, имеющих близкие по значению электропроводности, и относящиеся, как правило, к группам ПП или НП. Для сепарации тонких классов минералов указанных групп применяют разновидность данного вида – трибоадгезионную сепарацию.

Диэлектрическая сепарация

Способ основан на различии диэлектрической проницаемости разделяемых минералов. Сущность метода базируется на известной закономерности. Она заключается в том, что в неоднородном электрическом поле в среде с диэлектрической проницаемостью ε_счастицы с диэлектрической проницаемостью ε₁ > ε_с втягиваются в область большей напряженности поля, а частицы с проницаемостью ε₂ < ε_с выталкиваются в область с меньшей напряженностью поля.

Для реализации схемы необходима специальная среда с заданной диэлектрической проницаемостью ε_с.Это – жидкости, как правило, искусственные смеси углеводородов, которые необходимо регенерировать. Все это усложняет технологию, в связи с чем, применение данного вида сепарации ограничено.Барабанные сепараторы получили самое широкое распространение.

Конструкция и принцип работы и коронного сепаратора:

Сепаратор состоит из вращающегося (с управляемой частотой) металлического заземленного барабана (осадительный электрод), остроконечного коронирующего электрода, цилиндрического отклоняющего электрода. На последние электроды подается высокое, как правило, отрицательное напряжение. Вспомогательными частями сепаратора являются: бункер, питатель, очищающая щетка и приемники продуктов.

Подготовленный для сепарации материал дозируется на поверхность вращающегося барабана, который переносит его в зону коронного разряда. Здесь все частицы получают заряд, обусловленный осаждением ионов воздуха из внешней части короны. Поскольку кинетика разряда частиц, касающихся барабана, зависит от проводимости, траектории движения их будут различны. Проводники, перезарядившись при контакте с барабаном, отталкиваются от него. Электрод (5), находясь под противоположным зарядом, усиливает отклонение траектории движения проводников, что повышает селективность разделения. Сбросу частиц с барабана способствует и центробежная сила.

Непроводники разряжаются очень медленно, адсорбированные на их поверхности отрицательные ионы прижимают частицы к барабану, который выносит их в зону разгрузки. Вращающаяся щетка (6) окончательно разгружает эту фракцию в приемник.

Полупроводники, имеющие промежуточные свойства, частично отдают свой заряд осадительному электроду и разгружаются в нижней части барабана.Если отключить отклоняющий электрод, сепаратор становится коронным. Работа его аналогична. Исключено только дополнительное влияние отклонение проводниковой фракции.

В промышленности используются многобарабанные сепараторы, например, ЭКС-1250, ЭКС-3000, СЭС-2000 и пр. В обозначении сепараторов число указывает рабочую длину барабана. Производительность их колеблется от 1.5 до 5 т/час.

Схема трибоэлектрического барабанного сепаратора от схемы коронно-электростатического отличается отсутствием коронирующего электрода и наличием электризатора выполненного в виде вращающегося барабана. Вместо вращающегося барабана можно установить вибрационный лоток, где также происходит зарядка частиц методом электризации, но при этом снижается производительность сепаратора.

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем состоит сущность электрической сепарации?

2. Охарактеризуйте разновидности электрической сепарации по электропроводности.

3.

4. На каких физических свойствах минералов основаны методы электрического обогащения?

5. К непроводникам относятся…

6. К минералам проводниковой группы относятся…

7. К полупроводникам относятся…

8. Перечислите силы, действующие на частицу в электрическом поле.

9. Какие процессы относятся к электрическому обогащению?

10. Что такое градиент напряженности электрического поля?

11. На чем основана диэлектрическая сепарация?

12. Составьте таблицу классификации минералов по электропроводности.

13. Почему диэлектрическая сепарация возможна только в неоднородном электрическом поле?

14. Охарактеризуйте способы зарядки минеральных частиц.

15. Поясните принцип работы диэлектрического, коронного, трибоэлектростатического сепараторов.