Магнитная сепарация твердых отходов

Лекция 7. Магнитная сепарация твердых отходов. Классификация материалов по магнитной восприимчивости. Магнитная сепарация. Электрическая и электромагнитная сепарация

 

1. Магнитные свойства материалов.

 

Из физики известно, что молекулы вещества обладают особыми магнитными свойствами. Однако в большинстве случаев магнитные диполи располагаются хаотично, беспорядочно и результирующее значение магнитного поля, если к веществу не прилагается внешнее магнитное воздействие, не проявляет своих свойств.

Тем не менее, магнитный момент в общем случае записывается как сумма магнитных моментов диполей. Интенсивность магнитного проявления магнитного воздействия оценивает соотношение магнитного момента к объему вещества или напряженность магнитного поля.

 

I = = c  H ; M = Sm_i  X = d c ,

 

где: c – объемная магнитная восприимчивость в долях единиц,

H – напряженность магнитного поля (А/м),

X – удельная магнитная восприимчивость, отнесенная к массе вещества.

Выражение для индукции B:

B = m₀H + m₀I = m₀ (1 + c H) = m₀mH

Вещества по своим магнитным  свойствам делятся на диамагнетики и парамагнетики.

Диамагнетики: ртуть, фосфор, сера, золото, серебро, медь.

Под действием внешнего магнитного поля индуцируют противоположное магнитное  поле и таким образом внешне ведут себя инертно.

Парамагнетики. Могут себя проявлять в большей или меньшей степени, ориентируя диполи по направлению внешнего поля и проявляя при этом некоторые результирующие силы.

Соединения железа, кобальта, никеля, сплавы железа с магнием, молибденом, барием по схеме: Me ^. Fe₂O₃ - проявляют себя своеобразно. Ориентируя диполи, они могут сохранять электрические свойства или изменять их под действием температуры, трения и некоторых других физических характеристик.

В слабых полях с возрастанием напряженности внешнего поля Н индукция В в ферромагнетике вначале резко возрастает вплоть до насыщения, далее изменяется медленно, как в обычном парамагнетике; соответственно m вначале возрастает быстро, достигая максимума, затем уменьшается и в очень сильных полях приближается к значению m = 1. Аналогично изменяется и магнитная восприимчивость.

При снижении Н до нуля ферромагнетик остается намагниченным, с остаточной магнитной индукцией B_r. Для его полного размагничивания необходимо создать внешнее магнитное поле противоположной полярности напряженностью Н_с.

Фигура, описывающая процесс намагничивания и перемагничивания (кривые А.Г. Столетова), описывает работу, которую совершают  диполи.

Некоторые значения H_c носят название коэрцитивной силы. Явление отставания магнитной индукции от напряженности – гистерезис.

По площади фигуры петли гистерезиса  можно классифицировать парамагнетики  с учетом параметров внешней среды: напряженности внешнего магнитного поля, температуры, плотности среды  и основные технологические задачи сводятся к выбору параметров внешней среды, параметров магнита, возможности применения электромагнитов и сочетания полюсов в сепараторе.

Парамагнетики (железо, кобальт, никель), являясь веществами с нескомпенсированным  магнитным моментом, под действием внешнего магнитного поля и при определенных температурах могут сформировать так называемую параллельную намагниченность и проявлять ее достаточно долго, и в этом случае вещество называется ферромагнетиком. Соли этих же веществ – галоидные соединения, проявляют эффект слабой ориентации.

Методы определения  магнитных свойств.

Метод Фарадея. Для  проведения предварительного разделения, извлечения сильных ферромагнетиков  Фарадей предложил в магнитном  поле помещать небольшой сосуд с  исследуемым веществом. В этом случае сила тяжести несколько увеличивается. По разности сил тяжести можно установить магнитные характеристики вещества.

Метод может быть применен для измерения c, м³/кг, и изучения слабомагнитных минералов при известном значении H grad H

Dp = m c (H grad H),

где Dp – кажущееся увеличение массы образца.

Так как H grad H в большинстве неизвестны, поэтому пользуются методом сравнения магнитной восприимчивости образца c_обр с магнитной восприимчивостью эталона c_эт в одинаковых условиях. По результатам экспериментов определяется значение m и проводится классификация.

Кажущееся увеличение силы, проявляющееся  в виде механической силы, являющееся следствием проявления магнитных свойств, то метод, предложенный Фарадеем, иногда называют пондеромоторным.

Баллистический метод.

При баллистическом методе вещество помещается в длинный стеклянный сосуд, один конец которого опускается в сквозное отверстие соленоида. При действии электрического тока в  соленоиде возникает сильное  магнитное поле и в самой трубке возникает неоднородное магнитное поле и неравномерная магнитная напряженность.

Варьируя длиной трубки, диаметром  определяют скоростные характеристики перемещения трубки в соленоиде  с целью получения относительных  характеристик.

Технологические аспекты обогащения материалов.

Технологически используется либо принцип притягивания, либо принцип  отклонения и принцип извлечения.

Чаще всего используют конвейер с вмонтированным внутрь сбрасывающего  барабана магнитом.

За счет налипания частиц к барабану эти частицы задерживаются.

Как результат намагниченные и  ненамагниченные частицы попадают в разные части бункера.

Конструктивные решения во многом зависят от способа разделения вещества. Если речь идет об отклонении, конструктивно  схема изменяется таким образом, что исходное вещество поступает вертикально по касательной к магниту.

Это применяется достаточно редко, т.к. для большинства минералов  парамагнетические свойства проявляются  слабо и угол отклонения оценивается  несколькими градусами. Нередко  вещества, разделяясь на классы, загрязняются сростками, что приводит к необходимости повторных операций.

Магнитовосприимчивые вещества могут  длительно удерживаться на ленте  конвейера (метод удержания). В этом случае применяются методы с использованием магнитного барабана, но магнит разворачивается в нижнюю часть барабана.

Поток вещества представляет, как  правило, смесь полезных продуктов  с инертным материалом, смесь зерен  различной крупности. В движущемся потоке проявляются адгезионные  силы, проявляются элементы слеживаемости из-за чего эффективная классификация только магнитными методами затруднена.

Для повышения эффективности извлечения магнитосодержащих веществ конструкторы прибегают к сочетанию различных  полюсов постоянных магнитов или  сочетанию различных полюсов  электромагнитов.

 

Рис. 1. Схема размещения постоянных магнитов в барабане

 

При движении частицы в смеси  под действием разнополярности  происходит нарушение плотности  слоя, возникает импульсное перемещение  частиц и лучшая ориентация частиц в пространстве.

Сочетанием магнитов, встроенных в барабаны (постоянные магниты) и электромагнитов добиваются возникновения импульса магнитной напряженности в точке сброса вещества, когда целостность слоя нарушается.

Рис. 2. Схема магнитной головки  с чередованием полюсов

Импульс магнитной напряженности  приводит к резкому росту пондеромоторных  сил и выбросу частицы из потока.

 

Электрические методы обогащения и извлечения.

 

Электрические методы извлечения полезных,  токсичных веществ и элементов  базируются на свойстве веществ изменять свои характеристики в электрическом поле. Электрические свойства веществ используются для извлечения путем изменения электропроводности, путем нагрева веществ в электрическом поле, путем контакта с другими телами, путем создания так называемого бегущего поля. При этом используется электропроводность, диэлектрическая проницаемость, трибоэлектрический эффект (электризация трением), пироэлектрический эффект, пьезоэлектрический эффект и униполярная проводимость. Униполярная проводимость (эффект направленности электрического поля неравномерной по плоскостям кристаллической решетки) отмечается у многих минералов. Например, у минералов, содержащих алюминий, отличие составляет примерно 4000 раз. В связи с разнообразием электрических свойств многих веществ применяются различные виды сепараторов, например, барабанные, камерные, каскадные, пластинчатые, трубчатые, ленточные. Частицы в электрическом поле могут заряжаться путем ионизации (создание коронного заряда), трением, индукцией, нагревом и комбинацией этих способов. Чаще всего используется электростатический метод и в зависимости от крупности частиц используется коронный разряд, диэлектрические свойства, а также сочетание коронно-электрического метода, коронно-магнитного метода, используется отдельно или в сочетании заряжение частиц трением, используются адгезионные свойства.

Из физики известно, что при воздействии  зарядов друг на друга возникает, так называемая, кулонова сила.

            

где Е₁, Е₂ – заряды частиц,

r – расстояние между ними,

k – коэффициент пропорциональности.

Если одна частица имеет заряд  намного больший заряда другой, то построение силовых линий может  быть выполнено  по принципу гидродинамической  сетки, разность зарядов покажет  некоторую деформацию гидродинамической сетки и решать задачу можно будет графическими методами определения количественных и качественных характеристик поведения малой частицы в электрическом поле большого заряда.

Для описания некоторых процессов  используется метод зеркального  отображения. При введении токопроводящих частиц в электрическое поле в частице происходит распределение положительных и отрицательных зарядов и образуется собственный электрический ток. При введении нетокопроводящих диэлектрических материалов на поверхности материала возникают заряды, имеющие знак противоположно направленный знаку электрода. Молекулы в зависимости от свойств материала могут ориентироваться либо в непосредственной близости, либо по всему материалу диэлектрика. Но и в том, и в другом случае в самом материале частицы устанавливается электрическое равновесие. Установление электрического равновесия  не означает наступление равновесия в комплексе сил, воздействующих на частицу. Под действием электрического поля возникают пондеромоторные силы, т.е. механические силы, обусловленные проявлением электрических сил. Пондеромоторные силы могут преодолевать упругие связи среды,  в результате чего частица может отклоняться в своей траектории. Пондеромоторная сила определяется по формуле:

 

             

где e₁ – диэлектрическая проницаемость среды

e₂ – диэлектрическая проницаемость частицы

r – радиус частицы

Е – напряженность электрического поля

- градиент изменения напряженности  по какому-либо направлению dх

При e₁ > e₂ пондеромоторная сила приобретает отрицательное значение и частица выталкивается из электрического поля в сторону слабого поля. Так как средой для разделения чаще всего служит воздух, то e₁ принимается равным единице.

Во многих исследовательских работах рассматриваются модели взаимодействия кулоновой силы и пондеромоторной силы и абсолютное большинство исследователей доказывают, что кулоновые силы значительно превышают пондеромоторные и делается ошибочный вывод о малой перспективности метода.

 

Электрические сепараторы.

 

Первые электрические сепараторы довольно просты по своей конструкции. Они предполагали наличие барабанного  электрода, имеющего положительный  заряд на поверхности барабана. В  этом случае частицы – диэлектрики  на своей поверхности создавали отрицательные заряды и удерживались на поверхности барабана. В проводниках практически мгновенно образуются положительно заряженные частицы и происходит отталкивание от барабана. Однако лабораторные испытания показали, что барабан довольно быстро обрастает слоем диэлектрика.

Рис. 3. Схема электросепаратора

Пондеромоторные силы оказываются  недостаточными для увеличения угла отклонения a, поэтому в последующих моделях сепараторов прибегли к дополнительному электроду с противоположным знаком. Угол a значительно увеличился, повысился эффект разделения, эффект очистки. Но загрязнение поверхности барабана продолжает оставаться серьезной проблемой таких сепараторов.

Одним из конструктивных приемов является использование ионизатора, в качестве которого применяют лезвия, острие иглы и тому подобные конструкции. При использовании острых оконечностей ионизаторов вместо положительно заряженного барабана приводит к тому, что проводники, получая заряд в отклоняющем поле второго электрода, занимают положение в пространстве и поступают в бункер-накопитель. Но остается проблема  обрастания электрода диэлектриками, мелкими частицами вещества, в т.ч. и проводящего, что значительно снижает эффект разделения. Конструкторская мысль бьется вокруг обязательной защиты электрода-ионизатора, например, колпаком из непроводящих материалов, из материала со слабо адгезионными свойствами и комбинацией электрических и механических систем, обеспечивающих быстрое очищение электрода.

Рис. 4. Схемы электросепараторов с использованием ионизаторов воздуха и диэлектрической защитой электродов

 

Из  физики известно, что асинхронный  двигатель устроен следующим  образом: рамка из проводящего материала  помещена в электромагнитное поле и  стремится занять положение, ориентированное  в электрическом поле. В условиях замкнутого бегущего электрического поля рамка вращается, совершая определенную работу. Если статор асинхронного двигателя разрезать и выпрямить, то проводник в виде колеса, помещенный на распрямленный статор, покатится вдоль распрямленного статора (принцип монорельсовой дороги). Бегущее электрическое поле используется для извлечения материалов с временным намагничиванием (алюминий, медь, бронза и др.). Конструктивное решение бегущего электрического поля позволяет создать импульс пондеромоторных сил.