Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD OF SEPARATING NANO- AND MICRO-SIZED PARTICLES DURING MINERAL DRESSING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/112463
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to the field of mineral dressing. A method is proposed for separating dust particles during mineral dressing using a gas separator, which comprises a step of particle separation by size in an air (gas) stream. Dust is separated which has particles with nano- and micro-dimensions using coagulation of hydrophilic particles in a moist gas (air) stream, thus causing the hydrophilic particles to combine in the moist gas (air) stream, leading to an increase in the weight thereof and the formation of large conglomerates of said particles, which fall out into a hopper for large particles, while hydrophobic particles are raised. After separation of the hydrophobic (lyophobic) and hydrophilic (lyophilic) particles, the excess hydrophobic (lyophobic) component is incinerated. The method makes it possible to separate micro- and nano-particles by the surface properties thereof, which barely separate in conventional dressing methods (flotation in an impeller flotation machine, gravity concentration in suspension).

Inventors:
IVANOV, Nikolaj Arkad'evich (ul. Pogranichnikov, 37 str., Krasnoyarsk 1, 660111, RU)
NEMAROV, Aleksandr Alekseevich (ul. Pogranichnikov, 37 str., Krasnoyarsk 1, 660111, RU)
KONDRAT'EV, Viktor Viktorovich (ul. Pogranichnikov, 37 str., Krasnoyarsk 1, 660111, RU)
GOROVOJ, Valerij Olegovich (ul. Pogranichnikov, 37 str., Krasnoyarsk 1, 660111, RU)
LEBEDEV, Nikolaj Valentinovich (ul. Pogranichnikov, 37 str., Krasnoyarsk 1, 660111, RU)
KOLOSOV, Aleksandr Dmitrievich (ul. Pogranichnikov, 37 str., Krasnoyarsk 1, 660111, RU)
NEBOGIN, Sergej Andreevich (ul. Pogranichnikov, 37 str., Krasnoyarsk 1, 660111, RU)
KLESHNIN, Anton Aleksandrovich (ul. Pogranichnikov, 37 str., Krasnoyarsk 1, 660111, RU)
Application Number:
RU2017/000918
Publication Date:
June 13, 2019
Filing Date:
December 08, 2017
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
OBSHCHESTVO S OGRANICHENNOY OTVETSTVENNOST'YU "OBEDINENNAYA KOMPANIYA RUSAL INZHENERNO-TEKHNOLOGICHESKIY TSENTR" (ul. Pogranichnikov, 37 str., Krasnoyarsk 1, 660111, RU)
International Classes:
B07B7/00; B01D45/12
Download PDF:
Claims:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ разделения частиц пыли при обогащении полезных ископаемых с использованием газового сепаратора, включающий стадию разделения частиц по крупности в воздушном (газовом) потоке, отличающийся тем, что производят сепарацию пыли, у которой частицы имеют нано- и микро- размеры, с помощью коагуляции гидрофильных частиц во влажном газовом (воздушном) потоке, за счет того, что гидрофильные частицы объединяются во влажном газовом (воздушном) потоке, что приводит к увеличению их веса и образованию крупных конгломератов этих частиц, которые выпадают в бункер с крупными частицами, а гидрофобные частицы поднимаются вверх.

2. Способ по п. 1, в котором коагуляцию гидрофильных частиц во влажном газовом (воздушном) потоке осуществляют в газовом циклоне.

3. Способ по п. 1, в котором поток гидрофобных частиц поднимается в верхний патрубок газового сепаратора или емкость, в который/которую подают пламя, например, от газовой горелки, для сжигания лишнего гидрофобного компонента.

4. Способ по п. 1, в котором используется бункер с исходным материалом гидрофильных и гидрофобных частиц пыли, насос для подачи влажного воздуха (газа), струйный насос, циклон, патрубок для выхода вниз крупных частиц, имеющих большую скорость витания, патрубок для выхода вверх мелких гидрофобных частиц, имеющих низкую скорость витания, газовая горелка, пламя которой подается в верхнюю часть - патрубок или емкость для обжига, при этом стенки циклона и патрубок для выхода крупных частиц обработаны гидрофобизатором для исключения налипания материала на стенки и лучшего выхода в бункер для их сбора, или стенки циклона и патрубок для выхода крупных частиц сделаны изначально гидрофобными для препятствия налипанию частиц на стенки.

Description:
Способ разделения нано - и микро - размерных частиц при обогащении полезных ископаемых

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно, к разделению микро- и нано- размерных частиц, которые при флотации плохо разделяются на гидрофобные (лиофобные) и гидрофильные (лиофильные), так как при таких размерах частиц капиллярные силы намного превышают гравитационные. Изобретение также может быть использовано при обогащении полезных ископаемых различного минерального состава до определенной крупности, когда капиллярные силы превышают гравитационные и гидродинамические силы.

Известен способ флотации (патент RU 2500480, опубл. 10.12.2013) извлечения нано- размерных частиц из техногенных отходов. Недостатком данного способа является то, что пенный и камерный продукт флотации следует сгущать и сушить для получения сухого ценного продукта, а это требует дополнительных энергозатрат. Также, скорость обогащения при данном способе флотации будет низка по сравнению с каким-либо другим «сухим» способом обогащения.

Известны способы обеспыливания (Пирумов А.И., Обеспыливание воздуха, Москва. Издательство «Стройиздат». 1974 год. 207 с.). В этой книге показано (с.36-39), что гидрофобная пыль (углерод и т.п.) плохо смачивается влажным воздухом (газом). Поэтому, для обеспыливания таких частиц применяют смачиватель или разгоняют их до такой скорости, чтобы они могли погрузиться в воду (жидкость). Данные способы, во- первых, не предназначены для разделения частиц пыли на гидрофобные и гидрофильные, во-вторых, для разгона гидрофобной пыли до скорости, позволяющей погрузиться гидрофобной частице в жидкость (воду), требуются дополнительные энергозатраты, в-третьих, при обеспыливании от гидрофобной пыли необходимо применение смачивателей для гидрофилизации гидрофобных частиц.

Существует ряд патентов, в которых для обеспыливания гидрофобной пыли применяются смачиватели. Например, патент RU 2495250 (Смачиватель для подавления угольной пыли), опубликованный 10.10.2013. Есть смачиватель по А.С. СССР N°1260532, опубл. 30.09.1986. Есть еще ряд аналогичных патентов и авторских свидетельств.

Тем не менее, способов по разделению гидрофобной пыли от гидрофильной во влажном газовом потоке не обнаружено.

Известен способ липкостной сепарации (патент RU 2018371, опубл. 30.08.1994) предназначенный для обогащения полезных компонентов определенного класса, крупности. Технологический процесс основан на использовании липкостных свойств гидрофобных минералов.

Недостатком известного способа извлечения из руд алмазов является то, что данный способ предназначен только для крупных минеральных частиц. При использовании способа для обогащения мелких частиц будет низкая производительность и скорость обогащения, а, также, обогащать пыль этим способом практически невозможно.

Известен способ липкостной сепарации извлечения алмазов из алмазосодержащего сырья, (патент RU 2223825, опубл. 20.02.2004), включающий двустадийное измельчение руды в мельницах самоизмельчения, извлечение крупных алмазов люминесцентной сепарацией, извлечение средних алмазов липкостной сепарацией, доизмельчение крупных и средних фракций хвостовых продуктов в истирающих мельницах самоизмельчения по замкнутому циклу с последующим доизвлечением мелких алмазов пенной сепарацией совместно с пневмофлотацией и выводом хвостов пенной сепарации в отвал, отличающийся тем, что перед извлечением крупных алмазов люминесцентной сепарацией и средних - липкостной сепарацией осуществляют предварительную виброконцентрацию алмазов на грохотах- концентраторах с возвратом хвостовых продуктов виброконцентрации на доизмельчение в замкнутом цикле с мельницами второй стадии самоизмельчения, обесшламливание и фракционирование мелкозернистого материала осуществляют с применением гидроклассификации, с выводом сливного продукта гидроклассификации в отвал и дообогащением пескового продукта с применением пенной сепарации, пневмофлотации и пленочной флотации.

Недостатком известного способа извлечения из руд алмазов является то, что данный способ предназначен только для крупных минеральных частиц. При использовании способа для обогащения мелких частиц будет низкая производительность и скорость обогащения, а, также, обогащать пыль этим способом практически невозможно.

В предложенном способе в отличие от известных способов, осуществляющих разделение лиофильных и лиофобных частиц в суспензии (пульпе), разделение производится в газовом (воздушном) потоке с определенной его влажностью, включающей воду или другую приемлемую жидкость. После разделения гидрофобных (лиофобных) и гидрофильных (лиофильных) частиц производится сжигание лишнего гидрофобного (лиофобного) компонента.

Флотационное разделение нано - и микро - размерных частиц по степени их гидрофобности или гидрофильности в традиционных флотомашинах практически невозможно. Флотация частиц, имеющих линейный размер меньше 300 микрон, представляет собой по сей день большую трудность при обогащении полезных ископаемых. Как написано в одной технической энциклопедии (Техническая энциклопедия / Л. К. Мартенс и др.-М.: ОГИЗ РСФСР, 1934.- том 25, стр.ЗЗ): «При значительном увеличении степени дисперсности, т. е. уменьшении размеров частиц, при переходе в область шламов (вблизи коллоидной области) флотируемость всегда обращается в нуль». Перечислим основные негативные и позитивные факторы, влияющие на их флотацию:

1. При флотации данных частиц в обычной механической импеллерной флотомашине состав пенного продукта в большинстве случаев практически не изменяется по сравнению с исходным продуктом. Такие частицы уже подвержены Броуновскому движению и легко выносятся через сливной порог флотомашины.

2. При обычной флотации даже существенно гидрофилизированные наночастицы за счет пленочной флотации переходят в пенный продукт, так как размер обычных флотационных пузырьков значительно превышает размер наночастиц и микрочастиц. Это объясняется тем, что гравитационные и гидростатические силы пропорциональны диаметру частицы в третьей степени, а поверхностные силы пропорциональны диаметру частицы. Поэтому, из простых расчетов видно, что поверхностные силы даже для существенно гидрофильных нано- и микрочастиц значительно превышают гравитационные и гидростатические.

Изобретение пояснено на чертежах, на которых:

Фиг. 1 - схема закрепившейся цилиндрической частицы Si0 2 на разделе фаз вода-воздух при пленочной флотации.

Фиг. 2 - две сферические частицы Si0 2 , скрепленные каплей воды.

Фиг. 3 - зависимость отношения гравитационной силы к капиллярной к) от диаметра (D) сферической частицы Si0 2

Фиг. 4 - хрустальные гидрофильные миллиметровые шарики (содержание РЬО = 25%), слипшиеся за счет мелких капель влажного воздуха и повисшие на конце пинцета.

Фиг. 5 - частицы рукавной пыли кремневого производства, увеличенные в 200000 раз.

Фиг. 6 - частицы рукавной пыли при увеличении в 30000 раз. Фиг. 7 - рукавная пыль кремневого производства, протравленная плавиковой кислотой.

Фиг. 8 - блок-схема предложенного способа.

Проведем расчет сил действующих на частицу на разделе фаз воздух-вода при пленочной флотации.

Рассмотрим пленочную флотацию гидрофильных частиц на примере закрепившейся на поверхности раздела фаз воздух-вода цилиндрической частицы Si0 2 .

На фиг. 1 показана схема закрепившейся цилиндрической частицы Si0 2 на разделе фаз вода-воздух при пленочной флотации.

Получаем: a F a 1,0053 H(T 16

sm = 2,2222210 9

F n.H 4,52· lO 8

а = arcsii(sina) = 2,2222 10 9 ,

где F z - вес цилиндра Si0 2 ,

F a -сила Архимеда,

F n H - сила поверхностного натяжения,

Psi02 =2600 кг/м - плотность Si0 2 ,

Рто =1000 кг/м - плотность воды,

г = 10 7 м -радиус цилиндра,

s = 72· 10 3 Н/м - коэффициент поверхностного натяжения на разделе фаз воздух-вода,

ускорение свободного падения g принято 10 м/с .

Следовательно, при обычном дисперсном составе исходных пузырьков при традиционных способах флотации в импеллерной флотомашине, крупность пузырьков значительно больше гидрофильных наночастиц. Эти частицы хорошо флотируются на пузырьках, размер которых значительно превышает размер наночастиц, за счет пленочной флотации.

Технической задачей и результатом, на решение и достижение которых направлено предложенное изобретение, является разделение микро- и нано- частиц по их поверхностным свойствам, которые при обычных способах обогащения (флотация в импеллерной флотомашине, гравитационное обогащение в суспензии) практически не разделяются.

Задача решается, а технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе, в отличие от липкостной сепарации, производится сепарация пыли, у которой частицы имеют нано- и микро- размеры, с помощью коагуляции гидрофильных частиц во влажном газовом (воздушном) потоке (например, в газовом циклоне). Гидрофильные частицы «склеиваются» микро- и нано- каплями воды влажного воздуха, что приводит к увеличению их веса и образованию крупных конгломератов этих частиц, и они выпадают в бункер с крупными частицами. А гидрофобные частицы, так как они не «склеиваются» микро- и нано- капельками влажного воздуха, улетают в верхний патрубок газового сепаратора, в который подается пламя, например, от газовой горелки и лишний компонент сжигается. Таким образом, после разделения гидрофобных (лиофобных) и гидрофильных (лиофильных) частиц производится сжигание лишнего гидрофобного (лиофобного) компонента.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Во влажном газовом турбулентном потоке гидрофильные нано - и микрочастицы «склеиваются» и образуются прочные конгломераты гидрофильных (лиофильных) частиц скрепленные нано- и микро- размерными каплями жидкости (воды). Рассмотрим две шарообразные нано - размерные частицы Si0 2 и скрепляющую их нано- размерную каплю воды (фиг.2). На фиг. 2 показаны две сферические частицы Si0 2 , скрепленные каплей воды.

Рассчитаем соотношение размера капли воды и диаметра сферической частицы Si0 2 , при котором данная система "сферические частицы Si0 2 - капля воды" будет устойчива.

Без потери общности будем считать каплю воды цилиндром с диаметром d, расположенную между сферическими частицами с диаметром D. Будем исходить из следующих основных физических параметров: поверхностное натяжение воды б = 72 10 3 Н/м, плотность Si0 2 р = 2600 кг/м , ускорение свободного падения g— 9,8 м/с . Рассчитаем отношение к гравитационной силы F e , действующей на одну из сфер, к капиллярной силе F K , действующей между сферическими частицами.

Построим график зависимости к от D. Зависимость отношения гравитационной силы к капиллярной (к) от диаметра (D) сферической частицы Si0 2 показана на фиг. 3.

Из полученной зависимости видно, что конгломерат из двух сферических частиц с нано- и микро- каплей воды устойчив при D < 1,3 мм. При £)=100 нм, d= 10 нм капиллярная сила будет превышать гравитационную примерно в 2· 10 раз. Следовательно, в потоке влажного воздуха нано-размерные гидрофильные частицы будут образовывать прочные конгломераты, образованные путем их сцепления между собой нано-размерными каплями воды. Аналогично, любые другие лиофильные нано-размерные частицы будут слипаться за счёт капель смачивающих их поверхность жидкостей.

В то же время во влажном газовом потоке гидрофобные частицы не слипаются и при газовой сепарации имеют меньшую скорость витания по сравнению с образованными конгломератами гидрофильных (лиофильных) частиц. По разнице скорости витания гидрофобных (лиофобных) частиц и конгломератов гидрофильных (лиофильных) частиц можно производить их разделение в любом газовом (воздушном) сепараторе. Например, в газовом (воздушном) циклоне конгломераты гидрофильных (лиофильных) частиц будут выпадать под действием гравитационных сил в бункер для крупных частиц, имеющих высокую скорость витания, а гидрофобные (лиофобные) частицы будут выходить вверх при низкой скорости витания, например, в центральный патрубок циклона или любого другого устройства для разделения частиц в газовом потоке. В поток гидрофобных (лиофобных) частиц подается пламя какой-либо горелки, что приводит к сжиганию лишнего компонента.

На фиг. 4 показаны хрустальные гидрофильные миллиметровые шарики (содержание РЬО = 25%), слипшиеся за счет мелких капель влажного воздуха и повисшие на конце пинцета. Для данных шариков отношение гравитационной силы к капиллярной немного меньше единицы (см. фиг. 3). Данный пример показывает, что образование конгломератов гидрофильных частиц происходит даже для достаточно крупных минеральных частиц.

На фиг. 5 показаны частицы рукавной пыли кремневого производства, увеличенные в 200000 раз. На фотографии видно, что частицы покрыты углеродом. Анализ, проведенный на электронном микроскопе JEOL JIB-Z4500 с помощью энерго дисперсионного детектора X-max 80 мм 2 фирмы OXFORD INSTRUMENTS в технопарке ИРНИТУ, показал, что содержание углерода в рукавной пыли составляет 4-5% от всей массы рукавной пыли. Остальная масса пыли 96-95% представляет собой шарики и сферы Si0 2 .

На фиг. 6 показаны частицы рукавной пыли при меньшем увеличении. Не все частицы покрыты углеродом. Основная часть этих частиц легко смачивается водой и во влажном воздухе они легко слипаются в конгломераты.

На фиг. 7 показана фотография, полученная на просвечивающем электронном микроскопе, рукавной пыли кремневого производства, протравленная плавиковой кислотой. На фотографии видны углеродные сферы, которые первоначально покрывали шарики и сферы Si0 2 .

Предложенный способ осуществляется следующим образом:

Первоначально гидрофобные (лиофобные) и гидрофильные (лиофильные) частицы пыли разделяются во влажном воздушном (газовом) потоке. Гидрофильные (лиофильные) слипаются за счет капиллярных сил в крупные конгломераты, которые приобретают более высокую скорость витания, что способствует их разделению по скорости витания с гидрофобными (лиофобными) частицами, имеющими меньшую крупность.

В поток гидрофобных (лиофобных) частиц пыли подается пламя газовой горелки (или любой другой горелки) для сжигания гидрофобной (лиофобной) поверхности частиц или самих частиц, если они состоят из, например, одного углерода (или любого другого гидрофобного (лиофобного) материала).

Пример

Конструкция машины для реализации способа в качестве неограничивающего примера состоит из следующих элементов: бункера с исходным материалом гидрофильных и гидрофобных частица пыли; насоса для подачи влажного воздуха(газа); струйного насоса; циклона (цилиндрический или любой другой формы); патрубка для выхода вниз крупных частиц, имеющих большую скорость витания; патрубка для выхода вверх мелких гидрофобных частиц, имеющих низкую скорость витания; газовой горелки, пламя которой подается в верхнюю часть (патрубок или емкость для обжига) после циклона для обжига шариков Si0 2 , покрытых углеродом. Стенки циклона и патрубок для выхода крупных частиц (конгломератов гидрофильных частиц обрабатываются любым приемлемым гидрофобизатором для исключения налипания материала на стенки устройства и лучшего выхода в бункер для их сбора. В качестве альтернативы стенки циклона и патрубок для выхода крупных частиц (конгломератов гидрофильных частиц) делаются изначально гидрофобными, что также препятствует налипанию частиц на стенки. Последовательность действий показана в блок-схеме на фиг.8.

Обрабатывалась рукавная пыль кремневого производства с первоначальным содержанием углерода 4-5%. Рукавная пыль подавалась во влажном воздухе тангенциально в центробежное поле цилиндра. В результате происходила сепарация пыли по гидрофильности и гидрофобности. Гидрофильные (чистые частицы Si0 2 ) слипались в конгломераты, имеющие большую скорость витания. Гидрофобные частицы, покрытые углеродом, образовывали поток частиц, расположенный по центру цилиндра. В поток гидрофобных частиц подавалось пламя пропановой горелки. В течение 4-6 секунд частицы, покрытые углеродом, обгорали в пламени горелки и обнажались до практически чистого Si0 2 . Конечное содержание углерода составляло 0,5- 1% от всей массы рукавной пыли. Остальная масса 99-99,5% состояла из Si0 2 .