Теоретические основы процессов электрической сепарации

При электрических методах обогащения происходит взаимодействие электрического поля и минеральной частицы, обладающей определенным зарядом. Электрическое поле – это особая форма материи, существующая в пространстве вокруг заряженных тел, и проявляющаяся в том, что на любой заряд, помещенный в любую точку этого поля, будет действовать сила, не зависящая от скорости его движения. Основной количественной характеристикой электрического поля является напряженность Е, которая определяется как отношение силы F ,действующей на заряд, к величине заряда q, т.е. E = F/q. За направление напряженности электрического поля принимается направление силы, действующей на положительный заряд, а распределение электрического поля в пространстве наглядно изображается с помощью силовых линий напряженности, начинающихся на положительных зарядах и оканчивающихся на отрицательных. Поле является однородным, если напряженность во всех его точках будет одинаковой. Во всех остальных случаях оно будет неоднородным.

Зависимость плотности тока j от величины напряженности электрического тока в данной точке выражается законом Ома: j = σ E, где σ – удельная электропроводность. Величина обратная σ называется удельными электрическим сопротивлением ρ

Минералы, как и все твердые кристаллические тела обладают определенными электрическими свойствами, которые определяют их поведение в электрическом поле. К этим свойствам относятся электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Электропроводность или проводимость- это способность тела пропускать электрический ток под воздействием электрического поля, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность. По величине электропроводности, которая измеряется в (ом· м)^-1 все кристаллические тела подразделяются на три группы.

- проводники, проводящие электрический ток, которые имеют σ > 10⁶ (ом·м)^-1( самородные металлы, магнетит, гематит, рутил, многие сульфидные минералы, графит и др);

- диэлектрики, которые не проводят электрический ток, имеющие σ < 10^-8 (ом·м)^-1 ( кварц, полевой шпат, алмаз, циркон и др);

- полупроводники, имеющие промежуточное значение σ ( от до ) ( висмутин, куприт, сидерит, тенорит, тетраэдрит и др.).

Это деление в значительной мере условно, т.к. электропроводность изменяется в широких пределах в зависимости от температуры, строения кристаллической решетки, внешних воздействий, агрегатного состояния, наличия дефектов, размера и формы частиц и т.п.

Диэлектрическая проницаемость – это величина, характеризующая диэлектрические свойства среды и ее реакцию на наличие электрического поля. Если незаряженный проводник поместить в электрическое поле, образованное, например, двумя заряженными электродами, будет наблюдаться явление электростатической индукции, при котором на одном конце этого проводника, обращенном к положительному электроду, возникает отрицательный электрический заряд, а на другом конце – положительный заряд. Относительная диэлектрическая проницаемость вещества показывает во сколько раз напряженность электрического поля в данной среде меньше, чем в вакууме. Значение диэлектрической проницаемости зависит прежде всего от структуры вещества и от внешних условия, изменяясь в пределах от 1 до 100…200. Чем больше электропроводимость тела, тем выше значение его диэлектрической проницаемости. Так величина диэлектрической проницаемости серы составляет 3,6, кварца – 4,3, алмаза -5,7, каменной соли и кальцита – 6,3, гематита и халькопирита – 81.

У диалектриком положительные и отрицательные заряды связаны между собой и не могут свободно передвигаться под влиянием поля, как электроны в проводниках. В электрическом поле связанные электрические заряды диэлектрика смещаются в зависимости от напряженности поля. При поляризации диэлектрика положительные заряды смещаются к отрицательному электроду, а отрицательные – к положительному.

Электрические силы, действующие на частицы минералов в электрическом поле, зависят прежде всего от заряда самой частицы и разницы в величине диэлектрической проницаемости частицы и среды, в которой происходит разделение.

Электрическое поле существует не только в пустоте, но и внутри самой частицы, где могут действовать электрические силы. При этом необходимо учитывать также различие между проводниками и диэлектриками. В проводнике электрические заряды свободно перемещаются под действием электрических сил, поэтому в нем возникает электрическое поле и свободные заряды свободно двигаются под действием этого поля.. Тогда на одном конце проводника появляется избыток электронов и он заряжается отрицательно, а на другом наблюдается недостаток электронов и он заряжается положительно.

В отличие от проводников в диэлектрике движение зарядов под действием электрических сил не происходит. Сила, действующая на заряды в диэлектрике со стороны электрического поля, уравновешивается внутримолекулярными силами, удерживающими заряды в пределах молекулы диэлектрика. В диэлектрике атомы и молекулы содержат одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов. Эти заряды образуют диполи. При соприкосновении диэлектрика с заряженным телом все заряды, противоположные ему по знаку, притянутся, а с одинаковым зарядом – оттолкнуться. Произойдет ориентация диполей, т.е. парные заряды сместятся, оставаясь внутри молекулы связанными друг с другом, т.е. произойдет поляризация.

Силы, действующие на частицы в электрическом поле подразделяются на электрические и механические. К электрическим силам относятся:

- электрическая кулоновская сила F_к , равная произведению заряда частицы q на напряженность в данной точке E, т.е. F_k = q E. Под действием этой силы, которая действует в неоднородных и однородных полях постоянного и переменного тока, происходит притягивание разноименно заряженных частиц и отталкивание одноименно заряженных;

- пондеромоторная сила возникает только в неоднородных электрических полях. Она значительно меньше кулоновской и зависит от разницы между диэлектрической проницаемости среды ε_с и диэлектрической проницаемости частицы ε_ч. При ε_ч < ε_с эта сила стремится вытолкнуть в наиболее слабые участки электрического поля, а при ε_ч > ε_с наоборот втянуть. Эта сила при сепарации в воздухе всегда направлена в сторону от электрода.

- сила зеркального отображения присутствует в любых полях вблизи электрода. Она связана с остаточным зарядом частиц при ее контакте с электродом и направлена к нему. Она также значительно меньше кулоновской силы.

К механическим силам относятся прежде всего сила тяжести, центробежная сила и сила сопротивления среды.

Основной стадией электрической сепарации является электролизация частиц, т.е.создания на них электрических зарядов различных по величине и знаку. Электролизация частиц может осуществляться следующими способами.

1. Контакт с электродом, находящимся под определенным электрическим потенциалом. Если поместить частицу диэлектрика 1 и проводника 2 в электрическое поле положительного электрода ( рис.128 а),

Рис. 128. Схема зарядки частиц при соприкосновении с электродо (а) и при ионизации подвижными ионами

1 – минерал – непроводник; 2 – минерал – проводник; 3 – электрод с большим радиусом кривизны; 4 – электрод с малым радиусом кривизны; 5 – ионы газов

то у обеих частиц на стороне, обращенной к положительному электроду появляется отрицательный заряд, а на противоположной стороне – положительный. У проводника, обладающего высокой положительно заряженным электродомэлектропроводностью, отрицательный заряд переходит на положительный электрод и нейтрализуется, благодаря чему приобретает заряд одноименный заряду контактного электрода и отталкивается от него. Для диэлектрика отрицательный заряд, обусловленный его поляризацией, не может перейти на положительный электрод, и частица с двумя противоположными и равными зарядами будет электрически нейтральна и останется на этом электроде. Различное поведение проводников и диэлектриков на заряженном электроде позволяет отделить их друг от друга.

2. Зарядка частиц в поле коронного разряда ( рис. 128 б) происходит при осаждении ионизированных частиц воздуха на минералах. Коронный разряд возникает только в неоднородном электрическом поле около тонкого электрода с малым радиусом кривизны и не распространяется до противоположного электрода. При наложении разности потенциалов к двум электродам, один из которых имеет малый радиус кривизны( иглы, проволока), а другой имеет большой радиус кривизны или является плоским, то напряженность поля у электрода с малым радиусом кривизны будет значительно больше, чем у электрода с большим радиусом кривизны. Вблизи электрода с малым радиусом кривизны при определенной разнице потенциала происходит коронный разряд, сопровождающийся ионизацией воздуха. При этом ионы, имеющие одинаковый заряд с коронирующим электродом, который обычно заряжается отрицательно а также заряженные молекулы воздуха движутся от коронирующего электрода к противоположному, имеющему большой радиус кривизны, и отдают ему свой заряд. Отрицательные ионы движутся к положительному электроду и заполняют собою пространство между электродами. Между электродами возникает ток короны. Эти ионы вследствии адсорбции заряжают все частицы материала, находящиеся в рабочей зоне коронного разряда. Частицы приобретают отрицательный заряд и притягиваются к противоположному электроду и осаждаются на нем.

3.Трибоэлектрические заряды , возникают на частицах при их перемещении по транспортирующему лотку или при трении друг о друга ( рис. 129)

Рис. 129. Способы зарядки частиц при трибоэлектрической сепарации.

При взаимном трении частицы заряжаются равными по абсолютной величине, но различными по знаку электрическими зарядами. Знак заряда получаемый частицами при трении зависит от химического состава частиц, состояния их поверхности, наличия примесей и т.п.

Возникновение зарядов на минеральных частицах могут также возникать за счет резкого перепада температуры ( пироэффект), при сжатии кристаллов ( пьезоэффект), за счет разницы в кинетики образования электрических зарядов ( метод индукции) и т.д

.