Instrukcja do ćwiczenia separacja elektrostatyczna na separatorze HT 150

1. Wprowadzenie

Separacja elektrostatyczna ta polega na rozdziale ziarn w polu elektrycznym w oparciu o rodzaj i wielkość ładunku elektrostatycznego zgromadzonego na ich powierzchni (rys. 11.1).

Rys.1. Ogólna zasada separacji elektrycznej. Istnieją różne sposoby elektryzacji ziarn i różne sposoby separacji. Objaśnienia symboli w tekście

Separacja elektryczna jest możliwa dzięki sile F_el (N) działającej na ziarno posiadające ładunek powierzchniowy Q_t (C). Siła ta przemieszcza ziarna w zależności od wielkości i znaku ładunku elektrycznego Q_t na ziarnie, a jej wielkość zależy od natężenia pola elektrycznego E (V/m), ponieważ (Wróblewski i Zakrzewski, 1984):

F_el = Q_t E = A q E (11.1)

gdzie A oznacza powierzchnię ziarna (m²) ziarna, a q ładunek powierzchniowy ziarna (C/m²). Pogrubione symbole F i E oznaczają, że wielkości te mają charakter wektorowy. Siła działająca na ziarno jest także opisywana równaniem Coulomba i ma, w formie niewektorowej, postać (Nussbaum, 1985):

(11.2)

Prawo Coulomba opisuje siłę oddziaływań dwóch ładunków punktowych Q i Q_t, nieruchomych względem siebie i obserwatora znajdujących się w odległości h od siebie. ε_o jest przenikalnością elektryczną próżni (8.854 ⋅10^-12 C² N^-1m^-2), π = 3.14. Równanie to stosuje się także do opisu oddziaływań naładowanych ziarn. Równania 11.1 i 11.2 są równoważne, gdyż opisują ten sam układ, a ładunki Q_t i Q stanowią źródło pola elektrycznego E. Na ziarno w polu elektrycznym działa jeszcze inna siła zwana ponderomotoryczną. Siła ta zwykle jest niewielka, a jej wielkość zależy od zmienności pola elektrycznego. Omówiono to w rozdziale 10. o separacji dielektrycznej. Ważną siłą w separacji elektrycznej jest siła grawitacji związaną z masą ziarna (F_g = (1/6) πd³ρg), gdzie ρ jest gęstością ziarna, d średnicą ziarna a g przyśpieszeniem ziemskim. W procesach separacji elektrycznej mogą także brać udział inne siły, np. sił odśrodkowa wyrażana jako F_o = (1/6)πd³ρω²R, gdzie R jest promieniem zataczanym przez ziarno, a ω jest prędkością kątową (Kelly and Spottiswood, 1982).

W zasadzie na każdej substancji można wymusić pojawienie się ładunku powierzchniowego, zwanego także elektrycznością statyczną, a ładunek ten, w zależności od sposobu i warunków elektryzacji, może być o różnej wielkości i o znaku dodatnim lub ujemnym. Elektrostatyczny ładunek powierzchni ziarn pojawia się w wyniku przechodzenia elektronów z jednego ciała na drugie w wyniku pośredniego lub bezpośredniego kontaktu.

Mimo, że ładunek powierzchniowy można utworzyć na dolnej substancji, to jednak nie wszystkie ciała są zdolne do długotrwałego utrzymywania ładunku elektrycznego na powierzchni tak, aby można dokonać ich separacji w polu elektrycznym. Rozpraszanie, czyli zmniejszanie się ładunku zależy od właściwości obwodu elektrycznego utworzonego przez ziarno i otoczenie. Opisuje to zależność (Simorda i Staroba, 1970; Nussbaum, 1985):

Q_t = Q_o exp(-t/τ) (11.3)

gdzie Q_o jest ładunkiem elektrycznym w chwili powstania (t=0), Q_t jest ładunkiem elektrycznym w danej chwili t, a τ jest tzw. czasem relaksacji. Równanie 11.3 można przekształcić w bardziej użyteczna postać (Olofinskij, 1970; Nussbaum, 1985):

Q_t = Q_o exp(-σt/εε_o) (11.4)

gdzie σ jest przewodnictwem (Ω^-1m^-1), ε stałą dielektryczną ziarna (bezwymiarowa), ε_o przenikalnością elektryczną próżni(8.854 ⋅10^-12 C² N^-1m^-2). Zatem substancje o dużym przewodnictwie, a więc metale i inne przewodzące substancje, nie utrzymują długo ładunku elektrycznego na powierzchni. Natomiast substancje nieprzewodzące (izolatory) utrzymują ładunek długo. Pośrednio zachowują się półprzewodniki.

Na stabilność nabytego przez ziarno ładunku powierzchniowego ma wpływ także wilgotność powietrza i temperatura, które zmieniają przewodnictwo ziarn. Wpływ wilgotności na przewodnictwo opisuje równanie empiryczne (Laskowski i Łuszczkiewicz, 1989):

log σ = a + b c (11.5)

gdzie a oraz b to stałe, podczas gdy c to wilgotność względna powietrza.

Powyższe rozważania wskazują, że parametrem głównym separacji elektrodynamicznej jest ładunek elektrostatyczny obecny na powierzchni ziarna w chwili, gdy ulega on działaniu pola elektrycznego w celu jego separacji od innych ziarn. Dalszymi, pochodnymi od Q_t, parametrami są ładunek początkowy (Q_o), czas t jaki upłynął od naładowania do separacji, przewodnictwo sumaryczne σ (zarówno objętościowe jak i powierzchniowe) (rys. 11.2). Ładunek początkowy, z kolei, zależy od sposobu elektryzacji i rodzaju substancji, co charakteryzowane jest takimi parametrami jak praca wyjścia elektronu, stała dielektryczna, kontaktowa różnica potencjału i inne. Zagadnienia te są złożone i w małym stopniu poznane.

Rys. 11.2. Parametrem głównym separacji elektrycznej jest powierzchniowy ładunek elektryczny( Q_t­) w momencie separacji. Parametry pochodne to Q_o ładunek początkowy, t czas, σ przewodnictwo elektryczne (powierzchniowe i objętościowe), w praca wyjścia elektronu, ΔΦ kontaktowa różnica potencjałów, ε stała dielektryczna ziarna, t_t czas elektryzacji, pole elektryczne oraz sposób elektryzacji i szybkość rozdziału

Znane są różne sposoby elektryzacji powierzchni ziarn. Można tego dokonać przez pocieranie, jonizację, indukcję oraz kontakt ziarna z powierzchnią naładowanej elektrycznie powierzchni. Istnieją także różne sposoby dokonywania separacji, gdyż separacji można dokonać w powietrzu w obecności pola elektrycznego oraz na naładowanych powierzchniach, a także w sposób mieszany. Dlatego też istnieje bardzo wiele rodzajów urządzeń do separacji elektrodynamicznej. Na rys. 11.3a pokazano schemat działania separatora tryboelektrycznego, w którym ładunek powierzchniowy (dodatni lub ujemny) pojawia się w wyniki tarcia ziarn, a separacja odbywa się w powietrzu. Rysunek 11.3b zawiera separator jonizacyjny, w którym elektryzacja, powodująca powstania ujemnego ładunku na wszystkich ziarnach, odbywa się w wyniku bombardowania ziarn strumieniem elektronów i jonów powstałych z cząsteczek powietrza, jako efekt wyładowań elektrycznych zwanych koronowymi. Z kolei, rys. 11.3c przedstawia separator indukcyjno - przewodzący, w którym elektryzacja następuje w wyniku kontaktu ziarna z naładowaną elektrycznie powierzchnią i w jej pobliżu. W wyniku kontaktu powstaje polaryzacja ładunku na ziarnach nieprzewodzących i dodatni ładunek na ziarnach przewodzących. Gdy ziarna są w pobliżu elektrody następuje w nich indukcja prowadząca do polaryzacji zarówno ziarn przewodzących jak i nieprzewodzących.

a	b
c

Rys. 11.3. Elektryzację i separację można prowadzić w różny sposób, a) elektryzacja przez tarcie, separacja w powietrzu w polu elektrycznym, b) elektryzacja przez jonizację (wyładowanie koronowe), separacja w polu elektrycznym powodującym jonizację, c) elektryzacja przez kontakt z przewodzącą elektrodą (ścianą) oraz przez indukcje, separacja w polu elektrycznym towarzyszącym elektryzacji elektrody

Separatory jonizacyjne nazywane są elektrodynamicznymi lub wysokonapięciowymi, a separatory w których elektryzacja następuje przez pocieranie lub indukcję elektrostatycznymi. Istnieje wiele typów separatorów elektrycznych. Oprócz typowych separatorów tryboelektrycznych, jonizacyjnych i indukcyjno-, przewodzących pokazanych na rys. 11.3, skonstruowano także separatory taśmowe, ruchome stołowe, prądu zmiennego, z elektrodą płomieniową, impaktowe, sitowo-płytowe itd. (Kelly i Spottiswood, 1982).

Tryboelektryzację stosuje się zwykle do rozdziału ziarn nieprzewodzących, podczas gdy elektryzację przez indukcję, kontakt i jonizację do rozdziału ziarn przewodzących od nieprzewodzących.

Ponieważ nie jest łatwo przewidzieć jak dane ziarno, w zależności od sposobu i warunków elektryzacji, może silnie zostać naładowane i do tego jaki mieć znak ładunku, zdolność do separacji składników rudy lub surowców określa się metodami eksperymentalnymi (Bogdanov, 1983). Do separacji elektrycznej nie nadają się ziarna bardzo drobne. Separacji elektrycznej można poddawać najróżniejsze rudy i surowce (Olofinskij, 1970). Na rys. 11.4 przedstawiono krzywe wzbogacania dla frakcji polskich piasków morskich zawierającej granaty i ilmenit, pokryty leukoksenem.

Rys. 11.4. Wyniki wzbogacania elektrycznego frakcji piasków morskich bogatych w ilmenit i granaty w laboratoryjnym separatorze LTH-6 z ujemną polaryzacją elektrody ulotowej przy napięciu 50 kV. Za Łuszczkiewiczem i Kurzycą (1986)

Na wyniki separacji ma także wpływ ogrzewanie próbek przed separacją. Na rys.11.5 pokazano wpływ temperatury, do jakiej podgrzano próbki przed poddaniem ich separacji tryboelektrycznej, na wskaźnik selektywności procesu.

Rys. 11.5. Wpływ temperatury nadawy na selektywność rozdziału mieszaniny 1:1 barytu i fluorytu. Według Carty i współ., (1974)

2. Wykonanie ćwiczenia

a) zasada działania separatora

Nadawa podawana jest na uziemiony obracający się bęben (walec) i podawany jest wyładowaniom koronowym dodatnio lub ujemnie z elektrody znajdującej się pod wysokim napięciem. Kiedy przykładanie jest wysokie napięcie do elektrody drucianej, powietrze jonizuje się i naładowane cząsteczki powietrza(dodatnie gdy drut jest ujemnie naładowany lub negatywnie, gdy drut dodatnio naładowany) podróżują w dużej liczbie w kierunku bębna gdzie uderzają one w ziarna . Ziarna posiadające dobre powierzchniowe przewodnictwo(oporność mniejszą niż 10¹² omów tracą ładunek nabyty od molekuł powietrza w krótkim czasie(milisekundy) i są wyrzucane z poruszającego się bębna. Ziarna ze słabą powierzchniową przewodnością(oporność większa niż 10¹³ omów) otrzymują ładunek nabyty od cząsteczek powietrza. Ładunek nagromadzony w ziarnach indukuje równą ilość ale o znaku przeciwnym ładunków w bębnie. Dzięki temu nie przewodzące ziarna ulegają adhezji do bębna, a następnie są usuwane mechanicznie z bębna przez szczotkę.

Efektywność separacji ziarn za pomocą separatora elektrostatycznego można regulować za pomocą napięcia na elektrodzie drucianej, szybkości obrotu bębna, pozycji elektrody, położenia płytki rozdzielającej strumień ziarn oraz polarności wysokości napięcia. Efektywność zależy także od wilgotności powietrza, temperatury, a także reagentów chemicznych. Do separacji wykorzystać można różnice w przewodnictwie powierzchniowym powodowane porowatością(ziarna porowate bardziej chłoną wilgoć), a także rozmiar ziarn- ziarna drobne zwykle mają większy ładunek przypadający na jednostkę powierzchni.

W tabeli 1 podano listę minerałów, które dzięki mniejszej przewodności ulegają adhezji do bębna i o dużej przewodności nie ulegają adhezji a przez to spadają z powierzchni bębna.

3. Przeprowadzenie ćwiczenia

1. Sprawdź, czy separator jest wyłączony (główny wyłącznik w pozycji OFF), czy separator jest uziemiony (podłączony do żółto-zielonego uziemienia) oraz czy cienki drut elektrody nad bębnem separatora nie jest złamany lub pozginany. Następnie zajrzyj do środka przez szybkę i sprawdź czy separator jest czysty.

2. Jeżeli separator nie jest wyłączamy, nie jest uziemiony lub cienki drut elektrody jest uszkodzony lub separator jest zanieczyszczony, nie przystępuj do pracy z separatorem. Zgłoś problem kierownikowi Zakładu Przeróbki Kopalin i Odpadów lub osoby przez niego upoważnionej.

3. Ustaw separator do pracy w następujący sposób:

4. Po wykonaniu eksperymentu wyłącz kolejno grzejnik (HEATER), wibrator (SUPLLY), zasilanie wibracji (MOTOR), napęd bębna (VARIABLE MOTOR SPEED DRIVE), a na końcu główne zasilanie separatora (przełącznik na pozycję OFF).

5. Po upewnieniu się, że włącznik główny jest wyłączony (w pozycji OFF) i po uzyskaniu zgody kierownika Zakładu Przeróbki Kopalin i Odpadów lub osoby przez niego upoważnionej, przystąp do czyszczenia separatora.

Literatura

Bogdanov, O.S., (edytor), 1983. Poradnik przeróbki kopalin, Wyd.2., Nedra, Moskwa, w jęz. ros.

Carta, M., Cicccu, R., Delfa, C., Ferrara, G., Ghiani, M., Massacci, P., 1974. Improvement in electric separation and flotation by modyfication of energy levels in surface layers, XIMPC., M.J. Jones (edytor), IMM, 1974

Kelly, E.G., Spottiswood, D.J., 1982. Introduction to mineral processing, Wiley, New York

Laskowski, J. Łuszczkiewicz, A., 1989. Przeróbka kopalin - wzbogacanie surowców mineralnych, Wydawnictwa Politechniki Wrocławskiej, Wrocław

Łuszczkiewicz, A., Kurzyca M., 1986. Wydzielanie ilmenitu z półproduktów przeróbki piasków drogą wzbogacania elektrycznego, Fizykochemiczne Problemy Mineralurgii, 18, 179-191

Nussbaum A., 1985. Electrostatic fundamentals and elementary theory of electrical properties of solids, w: SME Mineral Processing Handbook, SME/AIMM, New York, s. 6-3 - 6-5

Olofinskij, N.F., 1970. Elektryczne metody wzbogacania, Nedra, Moskwa, w j. ros.

Simorda, J., Staroba, J., 1970. Elektryczność statyczna w przemyśle, WNT, Warszawa

Wróblewski, K., Zakrzewski, J.A.,1984. Wstęp do fizyki, tom 1, PWN, Warszawa

Nieprzewodzące, przylegające do bębna		Przewodzące, odrzucane z bębna separatora
Anortyt	hyperstn	bizmutynit	limonit
apatyt	cyjanit	brukit	magnetyt+
badeleit	magnezyt	kasyteryt	manganit+
baryt	monacyt	chromit+	pyrit
bastenzyt	kwarc	kolumbit+	rutyl
beryl	szelit	diament*	stibnit
celestyt	sepentyn+	ferberyt+	tantalit+
korund	silimanite	fluoryt	tungstyt
dipsyd	sfaleryt*	galenit	wolframit+
epidot+	spinel	złoto
feldspar	staurolit+	grafit
granat	turnmalin+	hematyt+
gips*	wolanstonit	hibneryt
hornblenda+	cyrkon	ilmenit

*właściwości tych minerałów są zmienne

+ minerały podatne na separację magnetyczną

Instrukcja obsługi laboratoryjnego separatora elektrostatycznego HT 150

Laboratoryjny separator elektrostatycznego HT 150 składa się z dwóch jednostek: pulpitu zasilającego oraz separatora z bębnem separującym.

Przygotowanie separatora do pracy

1. Upewnij się, że separator jest wyłączony

2. Upewnij się, że cienki drut elektrody nie jest złamany czy też pozginany

3. Ustaw elektrodę w odległości około 50 mm od bębna

4. Ustaw progi dzielące strumień ziarn w pozycji pionowej i przykręć je ręcznie w potrzebnej Ci pozycji za pomocą znajdujących się przy nich pokręteł

5. Upewnij się, że szczotka czyszcząca bęben oraz odbieralnik ziarn są na swoim miejscu

6. Zamknij oszkloną pokrywę komory separatora i upewnij się, że czujnik zabezpieczający jest zamknięty.

Załączenie zasilania w pulpicie sterującym

7. Włącz główny przełącznik przez ustawienie go w pozycji ON. Następnie włącz przełącznik w skrzyni zasilającej i powoli ustaw wysokie napięcie na około 25 kV. Potem zamknij pokrywę skrzyni zasilającej tak, aby czujnik zabezpieczający (mikroprzełącznik) był także zamknięty.

Włączenie separatora i przeprowadzenie separacji

8. Włącz przełącznikiem napęd bębna (MOTOR) i ustaw go odpowiednie obrotym, najlepiej na około150 r.p.m. (obrotów na minutę)

9. Włącz grzałkę (HEATER)

10. Napełnij pojemnik zasilający nadawą i ustaw wibrator za pomocą pokrętła VIBRATOR tak, aby uzyskać cienką warstwę ziarn nadawy na bębnie.

11. Obserwuj zachodzącą separację.

12. Jeżeli zauważyłeś jakiekolwiek problemy w pracy separatora lub zakończyłeś eksperyment, przystąp do wyłączania separatora

13. Wyłączaj separator zachowując następującą kolejność: wyłącz grzałkę, wibrator, pulpit zasilający, napęd bębna, a na końcu wyłącznik główny zasilania.

Regulacja separacji

Przebieg i selektywność separacji można regulować.

1. Zmień ustawienie progów dzielących strumień ziarn. Jeżeli nie chcesz otrzymać półproduktów - ustaw progi obok siebie.

2. Zmień wielkość wysokiego napięcia. Siła adhezji ziarn do bębna wzrasta wraz ze wzrostem napięcia. Jeżeli niektóre ziarna nieprzewodzące są odrzucane z bębna, zwiększ napięcia. Jeżeli niektóre ziarna przewodzące ulegają adhezji do bębna, niezbędne staje się zmniejszenie napięcia. Reguluj napięcia razem z regulacją prędkości obrotu bębna. Sprawdź tabelę 1 i zobacz, które ziarna powinny przywierać do bębna, a które powinny być z niego wyrzucane.

3. Zmień polarność wysokiego napięcia (H.T. Polarity). Najlepszą separację otrzymuje się gdy elektroda jest ujemnie naładowana w stosunku do uziemienia . Sporadycznie może zastosować odwrotną polarność tj. dodatnią. Najlepiej zdecydować o polarności rozdziału na podstawie wstępnych testów rozdziału z różna polarnością. Aby zmienić polarność wysokiego napięcia wyłącz zasilanie separatora i otwórz pokrywę skrzynki zasilającą. Odłącz fizycznie przwody i zamień ich. Dodatni koniec jest zaznaczony.

4. Zmień odległość elektrody od bębna. Zmniejszając przerwę pomiędzy drutem i bębnem powoduje się zwiększenie efektu przywierania ziarn. Uważaj, aby elektroda nie była za blisko bo mogą zachodzić wyładowania elektryczne. Jeżeli wystąpią wyładowania zwiększ odległość elektrody od bębna. Wyładowania elektryczne mogą także wystąpić, gdy nadawa zawiera ziarna metaliczne.

5. Zmień prędkość obrotu bębna. Prędkość bębna nie reguluje szybkości przepływu nadawy, ale jest jednym ze sposobów regulacji toru ziarn. Zbyt niska prędkość powoduje, że materiał spada w gęstym strumieniu ziarn, bez możliwości uzyskania ładunku elektrycznego.

6. Zmień prędkość podawania nadawy. Prędkość nadawy jest kontrolowana za pomocą amplitudy oscylacji wibratora oraz poprzez wysokości regulację położenia przegrody umieszczonej powyżej tacy podajnika nadawy. Ustaw je tak, aby otrzymać maksymalną prędkość podawania nadawy przy zadawalającej Cię separacji.

UWAGA

Rozmiar ziarn. Nadawa nie powinna zawierać ziarn powyżej 1.6mm oraz poniżej 0.065 mm. Dla dobrych wyników separacji zaleca się stosowanie wąskich klas ziarnowych nadawy.

Grzałka. Nadawa musi być sucha a wilgoć musi być z niej usunięta zanim materiał umieszczony zostanie w podajniku nadawy. Grzałka umieszczona jest w punkcie zasilania separatora i ma na celu usunięcie tylko wilgoci resztkowej bezpośrednio przed separacją.

Wyłączanie separatora

Przy wyłączaniu przestrzegaj następującej kolejności wyłączania: grzałka (HEATHER), wibrator (VIBRATOR), zasilanie (power pack), napęd bębna (ROLL MOTOR) oraz przełącznik podawania nadawy.

Utrzymanie separatora w czystości i inne okresowe regulacje

Czyszczenie separatora. Upewnij się, że jest wyłączone zasilanie elektryczne separatora. Usuń nylonowa szczotkę z uchwytu przy bębnie i wyczyść ją przez wytrząsanie włosia szczotki. Usuń szczotką wszystkie cząstki kurzu z bęba, wnętrza separatora, płytek rozdzielaczy strumienia ziarn, itp. do specjalnej tacy pod bębnem. Wyciągnij tacę, wyczyść ją, a następnie wyczyść dno separatora.

Pulpit zasilająca (power pack), wspornik izolujący elektrodę, kable wysokiego napięcia i wszystkie końcówki muszą być utrzymane w czystości i być suche.

Okresowo sprawdzaj naprężenie paska klinowego a jeżeli zajdzie potrzeba dokonaj jego regulacji.

Rekomendowane części zamienne pasek napędu separatora, grzałka, drut elektrody oraz zestaw do przyłączania napięcia w pulpicie zasilającym.

---