CC BY
28
----------------------------------- © В.А. Чантурия, И.Ж. Бунин,
Т.А. Иванова, А.Н. Хать кова, В.В. Дутов, 2009
В.А. Чантурия, И.Ж. Бунин, Т.А. Иванова,
А.Н. Хатькова, В.В. Дутов
ВЛИЯНИЕ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ПРОЦЕССОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЦЕОЛИТСОДЕРЖАЩИХ ПОРОД ВОСТОЧНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ
Изучена эффективность использования мощных электромагнитных импульсных воздействий в процессах переработки руд на примере исследования их влияния на кинетику растворения железа цеолитсодержащих пород Шивыр-туйского, Холинского, Бадинского и Талан-Гозагорского месторождений, а также на показатели магнитной восприимчивости и адсорбции данными породами паров воды.
Ключевые слова: цеолиты, электромагнитные импульсные воздействия, дезинтеграция частиц.
ТУ* омплекс уникальных свойств цеолитов предопределяет широкий спектр направлений их использования в промышленности, сельском хозяйстве, при охране окружающей среды, в быту, медицине и т.д., который по мере их дальнейшего изучения постоянно пополняется.
Номенклатура показателей качества цеолитового сырья достаточно разнообразна и не поддается унификации для всех возможных направлений использования.
Главным критерием при предварительной оценке качества является содержание цеолита. Требования по содержанию цеолита для различных областей применения приведены в табл. 1.
Из всех возможных направлений практического использования природных цеолитов в настоящее время выделяются три главных: сельское хозяйство, промышленность строительных материалов, водоснабжение, эффективность применения цеолитов в которых обеспечена соответствием качества сырья требованиям и нормам, регламентированным техническими условиями. Однако из анализа данных табл. 1 следует, что использование природных цеолитов в газовой, химической, бумажной промышленности, медицине и здравоохранении тесным образом связано с необходимостью кондиционирования
Таблица 1
Требования к содержанию цеолита в породах в зависимости от направления использования
Область Массовая Область Массовая
применения доля цеолита, применения доля цеолита,
Нефтяная, нефтехимическая про- %, не менее 60...70 Бумажная промышленность, пленочные %, не менее 90
мышленность Г азоочистка и 60. .90 материалы Сельское хозяйство 7 0
осушка газов
Химическая прмышленность 70. .90 Промышленность строительных мате- 30
Водоснабжение 60. 70 риалов Зооветеринария 5 О 6 о
Товары народного 70. .80 Медицина и здраво- 9 0 9
потребления охранение
качества исходного сырья до установленных норм по содержанию цеолита (а также по количеству глинистых, металломагнитных, канцерогенных, цитотоксичных примесей), что может быть достигнуто посредством:
1) синтеза искусственных аналогов, наделенных заданными свойствами, высокой стоимостью производства и последующего применения;
2) разработки эффективных технологий обогащения, обеспечивающих более низкую стоимость получения стабильного по качеству цеолитового продукта (концентрата), по свойствам не уступающего синтетическим аналогам.
Преимущества второго направления достижения качества сырья очевидны.
В связи с этим нами было впервые оценено влияние мощных электромагнитных импульсных воздействий на изменение технологических свойств цеолитсодержащих пород.
Для исследований были взяты образцы цеолитсодержащих пород Восточного Забайкалья Шивыртуйского, Холинского, Бадин-ского и Талан-Гозагорского месторождений. Их минеральный состав приведен в табл. 2.
Из анализа данных табл. 2 следует, что содержание цеолито-вых минералов (климоптилолит, морденит, шабазит) в исследуемых породах не превышает 60-70% , 30-40% состава представлено
вмещающими породами (монтмориллонитом, гидрослюдой, кварцем, оксидами и гидроксидами железа, кальцитом,
Таблица 2
Минеральный состав цеолитсодержащих пород Восточного Забайкалья
Месторождение, содержание минеральных фаз,%
Шивыр- туйское Холинс-кое Бадинс-кое Талан-Гоза- горское
Клиноптилолит 45-65 60-66 63-74 -
Морденит - - 7 -
Шабазит - - - 8-10
Монтмориллонит 15-20 3-5 3-5 8-10
Гидрослюды 3-5 - - 2-3
Кварц 3-10 3-5 1-3 5-10
Кальцит 2-5 - - ~2
Микроклин 3-5 3-5 - -
Плагиоклазы - - -
Кристобалит 2-3 10-12 15-18 -
Пироксены - - - ~21
Рентгеноаморфная <5 10-12 <10 -
фаза Распределение железа по фазам,% 32,3/0,40 6,7/0,06 3,8/0,02 59,3/4,88
отн.вес.; Гематит Монтмориллонит 56,4/0,71 40/0,37 40/0,21 9,4/0,77
Гидрослюда, тонко- 11,3/0,14 53,3/0,49 5,62/0,30 21,2/1,74
дисперсные Гидроксиды железа Оливин 10,1/0,83
микроклином, плагиоклазами, кристобалитом, пироксенами, рентгеноаморфной фазой), что является серьезным ограничительным фактором использования цеолитсодержащих пород в наукоемких направлениях и требует создания новых технологий их переработки и обогащения.
Учитывая, что традиционные методы обогащения цеолитсодержащих пород не всегда эффективны и обычно высокозатратны, вследствие сложного полиминерального состава пород, исключительно тонкого взаимопрорастания минералов и близких разделительных свойств, мы предложили принципиально новый способ интенсификации процессов обогащения посредством воздействия мощными электромагнитными импульсами.
Возможные механизмы дезинтеграции частиц обусловливаются происходящими при этом физическими процессами, возникающими при воздействии на материал импульса с высокой напряженностью электрического поля. При напряженности электромагнитного поля, превышающей критическую величину, называемую электрической прочностью (например, для кварца (2-3) • 105 В/см), в твердом диэлектрике развивается электрический пробой, сопровождающийся возникновением электрического тока в узком канале (токовой нити). Процесс образования нити или шнурование тока обусловлен сильной нелинейностью вольт-амперной характеристики среды в условиях электрического пробоя. Так как среда, подвергаемая электромагнитному импульсному воздействию, состоит из отдельных несвязанных частиц, возможна ситуация, когда основной ток разряда пойдет по воздушным зазорам между частицами, не затрагивая их внутренний объем. Этого можно избежать при использовании импульсов с коротким (1 нс) фронтом и амплитудой, существенно превосходящей электрическую прочность вещества в статическом поле. При таком воздействии пробой по газовым (воздушным) зазорам между частицами не успевает развиться из-за значительного времени, необходимого для ионизации газа вдоль узкого сильно искривленного пути. Основным каналом протекания тока станет менее инерционный пробой твердого диэлектрика.
При протекании тока по токовому шнуру происходит выделение энергии. В начальный момент (1-50 нс) процесс можно считать адиабатическим, и энерговыделение в шнуре приводит к испарению вещества, резкому повышению давления и, в конечном итоге, к разрушению вешества с образованием сквозного канала пробоя. Если разряд поддерживается и дальше, выделяющееся тепло начинает перераспределяться по объему вещества, и может привести к отрицательным эффектам: к перегреву, спеканию частиц и закрытию образовавшихся микроповреждений.
Электрическая прочность материалов, близких к тем, которые могут входить в состав подвергаемых воздействию минеральных компонентов, изменяется в широких пределах. Она может существенно уменьшаться в десятки раз из-за наличия неоднородностей. Неоднородность среды, особенно наличие электропроводящих включений, существенно облегчает развитие пробоя из-за повышения напряженности электрического поля в областях локализации
неоднородностей. Для образования достаточного количества каналов потребуется воздействие большого числа импульсов.
Зависимость мощности Р, выделяющейся в разряде, от напряженности поля Е носит существенно нелинейный характер Р= аЕп, где п=10-16 в зависимости от конкретного вещества. Если пробой происходит в режиме частичного разряда, когда протекающий заряд определяется поляризацией обрабатываемого вещества, полная выделяющаяся энергия в отдельной частице вещества пропорциональна квадрату средней напряженности поля: W= РЕ2, где в зависит от размеров, формы и диэлектрических свойств частицы. Образование повреждений произойдет, если этой энергии хватит для сублимации вещества в канале, а время, за которое она выделяется, будет существенно меньше необходимого для теплопередачи и рассеяния тепла в окружающих областях. В случае режима сквозного пробоя необходим подбор оптимального сочетания величин напряженности поля и длительности протекания тока, которые должна обеспечивать установка.
Таким образом, для обеспечения эффективности воздействия требуется создание источников электромагнитных импульсов с коротким (1 нс) фронтом, длительностью порядка 1-50 нс и напряженностью электрической компоненты поля на уровне 105 В/см. При этом воздействие представляет собой либо видеоимпульс, либо радиоимпульс, т.е. имеет высокочастотное наполнение, например, в микроволновом диапазоне длин волн. Это может дать определенные преимущества благодаря простоте и разнообразию возможностей подвода энергии электромагнитного излучения СВЧ-диапазона к обрабатываемому веществу.
Целью настоящей работы являлось изучение эффективности использования мощных электромагнитных импульсных воздействий в процессах переработки руд на примере исследования их влияния на кинетику растворения железа цеолитсодержащих пород Шивыртуй-ского, Холинского, Бадинского и Талан-Гозагорского месторождений, а также на показатели магнитной восприимчивости и адсорбции данными породами паров воды.
Для обработки цеолитсодержащих пород использовался генератор импульсов наносекундной (п-10-9с) длительности. После воздействия серией наносекундных импульсов с частотой следования 125 Гц (—6-104 имп.), при напряжении 44 кВ Таблица 3
Влияние МЭМИ на растворение железа из цеолитсодержащих пород
Месторож- дение Условия Время перемешивания, мин
3 8 13 18 25
Шивыртуйс- кое Без воздействия С, мг/л 0,169 0,217 0,221 0,217 0,249
10 мин С, мг/л 0,096 0,349 0,341 0,396 0,396
5 мин С, мг/л 0,246 0,670 0,354 0,378 0,780
3 мин С, мг/л 0,265 0,740 0,341 0,365 0,398
1 мин С, мг/л 0,301 0,349 0,386 0,358 0,740
Холинское Без воздействия С, мг/л 0,144 0,189 0,186 0,186 0,202
10 мин С, мг/л 0,158 0,224 0,232 0,239 0,249
5 мин С, мг/л 0,227 0,461 0,395 0,383 0,511
3 мин С, мг/л 0,263 0,352 0,315 0,324 0,370
1 мин С, мг/л 0,280 0,310 0,317 0,315 0,483
Бадинское Без воздействия С, мг/л 0,132 0,178 0,179 0,176 0,195
10 мин С, мг/л 0,141 0,211 0,215 0,223 0,227
5 мин С, мг/л 0,218 0,393 0,340 0,362 0,419
3 мин С, мг/л 0,231 0,278 0,265 0,270 0,279
1 мин С, мг/л 0,253 0,275 0,278 0,282 0,447
Талан- Гозагорское Без воздействия С, мг/л 0,135 0,157 0,159 0,168 0,179
10 мин С, мг/л 0,140 0,160 0,184 0,193 0,202
5 мин С, мг/л 0,151 0,210 0,196 0,197 0,280
3 мин С, мг/л 0,165 0,177 0,182 0,185 0,191
1 мин С, мг/л 0,176 0,189 0,190 0,212 0,290
достигнуто пробойное состояние поверхности пород, характеризующееся образованием мелких дефектов, каналов пробоя, расположенных как вблизи естественных микротрещин и границ сростков це-олитовых и породообразующих минералов так и в областях, свободных от изначально существующих дефектов.
Была проведена серия опытов с целью изучения влияния МЭМИ на кинетику растворения железа цеолитсодержащих пород в 0,1 н растворе H2SO4.
Для количественного определения железа применялся фотометрический метод с сульфосалициловой кислотой.
Таблица 4
Адсорбционная емкость цеолитов
Месторождение Исходный Время обработки проб, мин
образец 1 3 5 10
Шивыртуйское С, моль/кг 8,29 8,30 9,87 9,89 8,87
Холинское С, моль/кг 5,70 6,18 7,35 7,42 7,38
Бадинское С, моль/кг 3,75 4,00 4,85 5,11 5,07
Талан- С, моль/кг 3,26 3,50 4,29 4,46 4,39
Г озагорское
Таблица 5
Влияние МЭМИ на магнитную восприимчивость цеолитсодержащих пород
Месторождение X 10-8 , м3/ кг
исходная 1 мин. 3 мин. 5 мин. 10 мин.
Шивыртуйское 2,9 3,0 3,8 4,8 3,4
Холинское 6,8 7,3 -- 8,6 7,8
Процесс растворения железа изучали в условиях интенсивного перемешивания суспензии (2400 об./мин.) при отношении Т:Ж= 1:10, чем достигнут переход процесса растворения из внешней во внутридиффузионную область, в которой скорость растворения в большей степени зависит от дефектности поверхности частиц.
Результаты исследования зависимости количества растворённого железа от времени воздействия МЭМИ, а также от времени перемешивания представлены в табл. 3. Данные по адсорбции цеолитами паров воды представлены в табл. 4.
Наряду с изучением кинетики растворения железа и адсорбции паров воды оценено изменение показателей магнитной восприимчивости цеолитсодержащих пород.
Из анализа таблиц следует, что в результате обработки образцов мощными электромагнитными импульсами повысились показатели растворения железа, адсорбции паров воды и магнитной восприимчивости цеолитсодержащих пород.
Наиболее высокие значения показателей растворения железа, магнитной восприимчивости и адсорбции паров воды выявлены при частоте импульсов 125 Гц, напряжении 44 кВ и времени обработки 5 мин. Установлено, что дальнейшее увеличение времени обработки, вероятно в результате спекания частиц и закрытия образовавшихся микроповреждений, приводит к снижению показателей.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об эффективности данного вида высокоэнергетического воздействия и о целесообразности его использования при создании современных технологий переработки труднообогатимых цеолитсодержащих пород.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ревнивцев В.И. Роль технологической минералогии в обогащении полезных ископаемых // Записки Всесоюзного минер. общества, 1982.- Вып. 4.- С. 443449.
2. Чантурия В.А., Гуляев Ю.В., Лунин В.Д., Бунин И.Ж., Черепенин В.А., Вдовин В.А., Корженевский А.В. Вскрытие упорных золотосодержащих руд при воздействии мощных электромагнитных импульсов // ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 1999, том 366, № 5, с. 680-683.
3. Хатькова А.Н. Минералого-технологическая оценка цеолитсодержащих пород Восточного Забайкалья / А.Н. Хатькова. - Чита: ЧитГУ, 2006. - 243 с. ііїи=і
Chanturiya V.A., Bunin I.Z., Ivanova A.N., Dutov V. V.
THE INFLUENCE OF HIGH-POWER ELECTROMAGNETIC PULSE IMPACTS ON THE INTENSIFICATION OF THE PROCESSES OF REFINEMENT OF ZEOLITE-BEARING MINERALS AT EASTERN TRANS-BAIKAL
The effectiveness of implementation of high-power electromagnetic pulse impacts during ore refinement is studied on the example of studies of their influence on the kinetics of ferrum dissolution at zeolite-bearing minerals of Shivirtuiskoe, Holinskoe, Badinskoe and Talan-Gozagorskoe deposits as well as on the characteristics of magnetic susceptibility and adsorption of water vapour.
Key words: zeolites, electromagnetic pulse impacts, disintegration of particles.
— Коротко об авторах ----------------------------------
Чантурия В.А., Бунин И.Ж., Иванова Т.А., Хатькова А.Н., Дутов В. В. - ИПКОН РАН, [email protected]
