CC BY
38
Машиностроение и машиноведение
снижению капиталоемкости систем газоудаления и газоочистки алюминиевых производств / Кондратьев В.В. и др. // Металлург. 2013. № 9.С. 27-30.
17. Кондратьев В.В., Шахрай С.Г. Исследования и разработка предложений по оптимизации аэродинамических параметров систем газоудаления от электролизеров Кандалакшского и Богословского алюминиевых заводов // Вестник ИрГТУ. 2011. № 6. С. 9198.
18. Кондратьев В.В., Афанасьев А.Д., Богданов Ю.В. Изучение термической регенерации фтора из угольной пены (отхода алюминиевого производства) // Цветные металлы. 2011. № 7. С. 36-38.
19. Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В. Экологическая и экономическая эффективность переработки растворов газоочистки и фторуглеродсодержащих отходов производства алюминия // Экология и промышленность России. 2011. № 8. С. 28-31.
20. Сысоев И.А., Ершов В.А., Богданов Ю.В., Кондратьев В.В. Исследование влияния технологических факторов на температурные характеристики электролитов при производстве алюминия // Вестник ИрГТУ. 2010. № 2. С. 193-198.
УДК 628.54 Немаров Александр Алексеевич,
доцент кафедры информатики института кибернетики, Иркутский национальный исследовательский университет,
тел. 8-9643-58-38-84, e-mail: nemarov@mail.ru Лебедев Николай Валентинович,
ведущий инженер отдела лазерной физики ФТИ, Иркутский национальный исследовательский университет,
тел. 8-3952-723-989, e-mail: leniv@istu.edu
РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ФЛОТАЦИОННЫХ МАШИН И ОЦЕНКА ИХ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
A. A. Nemarov, N. V. Lebedev
DEVELOPING THE SCIENTIFIC BASIS OF THE FLOTATION MACHINE PRODUCTIVITY INCREASING AND EVALUATION OF ECONOMIC EFFICIENCY
Аннотация. По результатам лабораторных флотационных экспериментов был разработан способ разделения наноразмерных частиц (патент РФ № 2500480). Выявлены проблемы флотационного разделения наночастиц в традиционных механических флотомашинах. Определены оптимальные размеры исходных пузырьков, выходящих из аэратора, тип аэратора, высота пенного слоя во флотомашине и её геометрия. Выявлено, что пенный слой пенной сепарации частиц должен быть как можно больше. В толстом слое обводненной пены микросферы, наносферы и наношарики кремнезема смываются в камерный продукт по межпузырьковым каналам. Флотационные пузырьки воздуха должны быть нано- и микро-крупности. В качестве аэратора следует использовать пневмогидравлический аэратор. Геометрия флотомашины должна позволять сепарацию пузырьков по крупности. Определено, что используемые реагенты (пенообразователи, собиратели) должны быть более растворимые в воде, чем традиционные.
Ключевые слова: нанопузырьки, микропузырьки, углеродные нанотрубки, пенная флотация, наношарики и сферы SiO2, астралены.
Abstract. Based on the results of laboratory flotation experiments the method of separation of nanoscale particles was developed (RF patent № 2500480). Problems in the flotation separation of nanoparticles in conventional mechanical flotation cells. The optimum dimensions of the original bubbles coming out of the aerator, the type of aerator, the height of the froth layer of the flotation machine and its geometry are defined. It is revealed that the foam layer of foam separator of the particles should be as large as possible. In a thick layer of waterlogged foam microspheres, nanoballs of and nanosilica silica are washed into the chamber product through interbubble channels. Flotation air bubbles must be of nano- and micro-size. As the aerator pneumohydraulic aerator should be used. The geometry of the machine should allow the separation of bubbles by size. It is determined that reagents (frothers, collectors) should be more soluble in water than the traditional.
Keywords: nanobubbles, microbubbles, carbon nanotubes, froth flotation, nanospheres of SiO2, nanoballs of SiO2, astralen nanoparticles.
Введение
Флотация частиц, имеющих линейный размер меньше 300 микрон, представляет большую трудность при обогащении полезных ископаемых. Как написано в одной технической энциклопедии [1]: «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 факторы, влияющие на их флотацию.
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.
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 мик-
рочастиц. Это объясняется тем, что гравитационные и гидростатические силы пропорциональны кубу диаметра частицы, а поверхностные силы пропорциональны диаметру частицы. Поэтому из простых расчетов видно, что поверхностные силы даже для существенно гидрофильных наночастиц значительно превышают гравитационные и гидростатические. Рассмотрим закрепившуюся минеральную частицу на разделе фаз вода - воздух при пленочной флотации.
Рис. 1. Цилиндрическая частица на поверхности раздела фаз вода - воздух
Получаем:
^-^ = 2кг3(р8Ю -ря 0)• g = 2-3,14-10-21-1600-10 = 2 2
= 1,00531-10-16Н;
^ 2л- г = 72-10-3 • 2-3,14-10-7 = 4,52-10-8Н;
Fr -Fa 1,00531-10-16 sin a = —ú-a---
F
4,52 -10'
-8
= 2,22222-10
-9.
-9
зырьки микронных размеров, облепленные нано-шариками SiO2. Таким образом, при а незначительно больше нуля наночастицы SiO2 будут легко флотироваться.
а = arcsin (sin а) = 2,22222 -10
где Fr - вес цилиндра SiO2, Fa -сила Архимеда, Fn.H - сила поверхностного натяжения, psiO2 = 2600 кг/м3 - плотность SiO2, РЯ2й =1000 кг/м3- плотность воды, r =10-7 м - радиус шарика, а = 72 10-3 Н/м - поверхностное натяжение на разделе фаз воздух - вода, ускорение свободного падения g возьмём 10 м/с2.
Следовательно, при обычном дисперсном составе исходных пузырьков при флотации, пузырьки значительно больше гидрофильных нано-частиц. Эти частицы хорошо флотируются на пузырьках, размер которых значительно превышает размер наночастиц, за счет пленочной флотации. На фотографиях (рис. 2), сделанных под электронным микроскопом, хорошо видны засохшие пу-
Рис. 2. Засохшие пузырьки, покрытые наношариками кремнезема, полученные при флотации в тонком слое пены
Лабораторные флотационные эксперименты
Исходный материал для флотации, шлам газоочистки электротермического производства кремния со шламового поля, по данным, предоставленным лабораторией ЗАО «Кремний», по результатам рентгеноспектрального анализа содержит: 21,3 % углерода, 74,3 % SiO2 и менее 5 % других примесей (CaO, AhO, Fe2O, K2O, Mg и 0,1 % др.). Основные объекты исходного материала приведены на фотографиях (рис. 4-6).
Флотация в обычной механической флото-машине не дала требуемого результата - пенный и камерный продукты имели практически одинаковый состав, близкий к исходному. Поэтому была сделана лабораторная флотомашина объемом 20 литров (рис. 3) с пневмогидравлическим аэратором. С помощью пневмогидравлического аэратора при подборе концентрации пенообразователя (сосновое масло) от 20 миллиграммов до 150 миллиграммов на литр пульпы предварительно создавался такой режим работы лабораторной флото-машины, при котором во флотомашине пенный слой в 3-й камере составлял 10-15 сантиметров. За счет сепарации пузырьков во флотомашине пена в 3-й камере образовывалась из пузырьков
наименьшего размера, что способствует образованию более толстого слоя пены. Крупные пузырьки смывались потоком пульпы, выходящей из аэратора. При подборе режима работы пневмогидрав-лического аэратора можно добиться того, что исходные пузырьки, выходящие из аэратора, будут иметь один размер [6, 8].
Рис. 3. Схема лабораторной флотомашины c 3 камерами: 1) пневмогидравлический аэратор-эжектор; 2) сливной порог
Концентрация пенообразователя больше в толстом слое пены. В камере перед сливным порогом образовывался туман пенообразователя. В этой камере образовывалась наиболее обводненная пена с наиболее мелкими пузырьками. В последней камере снимался наименьший слой пены, движущийся с минимальной скоростью.
Повышенная концентрация пенообразователя в последней камере способствовала «бронированию» пузырьков его молекулами, что препятствовало прилипанию (пленочной флотации) гидрофильных частиц кремнезема. В то же время поток воды, образующейся при разрушении пены, между пузырьков смывал частицы кремнезема в объем флотомашины. Общий вихрь, созданный работой аэратора, смывает данные частицы в нижнюю часть флотомашины. Следует отметить также, что пониженная плотность пены по отношению к плотности воды способствовала тому, что часть микросфер кремнезема переходили в камерный продукт.
Отдельно нужно сказать, что для создания пузырьков требуемой крупности (и их свойств) осуществлялись следующие моменты: создание исходящих пузырьков из аэратора (путем регулировки соотношения жидкость - воздух), сепарация пузырьков воздуха во флотомашине с помощью
вихрей в камерах перечистки и сепарация пенообразователя в данных камерах перечистки.
Следует особо отметить, что для осуществления элементарного акта флотации производилась обработка пульпы через эжектор (аэратор). Во-первых, при прохождении пульпы через зону разряжения в аэраторе происходит выделение растворенного газа на гидрофобных участках шлама (напорная флотация), во-вторых, в аэраторе в замкнутом объеме имеет место наибольшая вероятность контакта частиц с пузырьками воздуха.
Полученные эксперименты показали, что чем больше пенный слой, тем больше извлечение углерода в пенный продукт и больше извлечение кремнезема в камерный продукт. Толстый слой пены образуется за счет мелких пузырьков, близких к монодисперсному распределению по крупности. В работах показано влияние параметров распределения пузырьков на параметры пенного
слоя [3-7].
Рис. 4. Наношарики кремнезема в камерном продукте флотации
Рис. 5. Астралены в пенном продукте флотации
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
4.
5.
30kV Х18.000 ,1(jm 2013/01/08
Рис. 6. Углеродные нанотрубки в пенном продукте флотации
Трехкамерная флотомашина позволила создать пенный слой более 15 см, и в результате в пенном продукте содержание углерода составило при ряде флотационных экспериментов от 96 до 97 %, а кремния - от 1,3 до 1,7 %. В то же время содержание кремнезема в камерном продукте - от 96 до 97 %, а углерода - от 1,5 до 2,5 %.
Выводы
1. Пенный слой пенной сепарации частиц должен быть как можно больше. В толстом слое обводненной пены микросферы, наносферы и наношарики кремнезема смываются в камерный продукт по межпузырьковым каналам.
1. Флотационные пузырьки воздуха должны быть нано- и микро-крупности.
2. Исходные пузырьки, выходящие из аэратора, должны быть близки к монодисперсному распределению.
3. Используемые реагенты (пенообразователи, собиратели) должны быть более растворимые в воде, чем традиционные.
3. В качестве аэратора следует использовать пневмогидравлический аэратор.
4. Геометрия флотомашины должна позволять сепарацию пузырьков по крупности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Техническая энциклопедия / Л. К. Мартенс и др. М. : ОГИЗ РСФСР, 1934. Т. 25. С. 33.
2. Назимко Е.И., Серафимова Л.И. Проблемы и состояние современных исследований процесса угольной флотации // Разработка рудных месторождений. 2010. Вып. 93.
3. Кондратьев В.В., Мехнин А.О., Иванов Н.А., Богданов Ю.В., Ершов В.А. Исследования и разработка
рецептуры наномодифицированного чугуна для ниппелей анодов алюминиевых электролизеров // Металлург. 2012. № 1.С. 69-71. Классен В.Л. Вопросы теории аэрации и флотации. М. : Госхимиздат, 1949. 156 с.
Савицкая Н.М., Ребиндер П.А. Исследование устойчивости монодисперсной пены // Коллоидный журнал. 1951. Т. 111, Вып. 3. С. 201-207.
6. Немаров А.А., Мецик В.М, Антипина Л.М., Волкова А.А. Направления оптимизации, процесса аэрации пульпы при флотации. Иркутск. 1987. 12 с. Деп. в ЦНИЭИцветмет 16.12.87, № 1660-67.
7. Афанасьев А.Д., Иванов Н.А., Ржечицкий А.Э., Кондратьев В.В. Наночастицы углерода в отходах производства алюминия и их модифицирующие свойства // Вестник ИрГТУ. 2009. № 4. С. 13-17.
8. Кондратьев В.В., Иванов Н.А., Ржечицкий Э.П., Сысоев И.А. Перспективы применения нанотехнологий и наноматериалов в горно-металлургической промышленности // Вестник ИрГТУ. 2010. № 1. С. 168174.
9. Интенсификация процесса крупнозернистой флотации на основе совершенствования и оптимизации аэрации флотационной пульпы : дис. ... канд. техн. наук / Немаров А.А. Иркутск, 1988. 151 с.
10. Способ переработки твердых фторуглеродсодержа-щих отходов электролитического производства алюминия : пат. 2429198 Рос. Федерации / А.Д. Афанасьев, А.Э. Ржечицкий, Э.П. Ржечицкий, В.В. Кондратьев, С.Д. Паньков, Н.А. Иванов.
11. Ржечицкий Э.П., Кондратьев В.В., Тенигин А.Ю. Технологические решения по охране окружающей среды при производстве алюминия. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2013. 159 с.
12. Ершов В.А., Кондратьев В.В., Сысоев И.А., Мехнин А.О. Извлечение наночастиц углерода из фторированного глинозема при производстве алюминия // Металлург. 2012. № 12. С. 74-78.
13. Шахрай С.Г., Кондратьев В.В., Белянин А.В. Энерго- и ресурсосбережение в производстве алюминия. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2014. 146 с.
14. Теория и практика процессов флотационного обогащения наноразмерных сред / Кондратьев В.В. и др. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2015. 160 с.
15. Новые технологические решения по переработке отходов кремниевого и алюминиевого производств / Кондратьев В.В. и др. // Металлург. 2013. № 5. С. 92-95.
16. Теория и практика процессов флотационного обогащения наноразмерных сред / Кондратьев В.В. и др. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2015. 160 с.
17. Mikhail N. Zlobin, Viktor M. Metsik, Alexandr A. Nemarov, Georgy P. Permyakov, Nikolai T. Taraban, Jury V. Medetsky, US Patent No. 5,234,111 (08. 10, 1993).
