Способ сепарации частиц измельченной пробы горной породы и поляризационный сепаратор для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК B03C7/02 

Группа изобретений относится к области обогащения проб горных пород для последующего фазового химического анализа, а именно к средствам разделения твердых материалов с помощью электрического поля, образованного высоким напряжением.

Известен способ разделения частиц, имеющих различную удельную проводимость, в котором для создания проводящей плазмы к электроду диаметром менее 1 мм приложено напряжение 10-50 кВ. При этом вокруг электрода создается электрическое поле высокой интенсивности, что обусловлено его малым радиусом, и поскольку напряженность этого поля не превышает напряженность поля для разрыва молекулы воздуха, это приводит к разряду и создает проводящую зону вокруг электрода. Диаметр этой проводящей зоны зависит от приложенного напряжения, и возрастает по мере увеличения напряжения и именно в этой зоне происходит непосредственная зарядка частиц материала (патент РФ №2360741, приор. 15.07.2005, опубл. 10.07.2009, B03C 7/02).

В известном способе используется зарядное средство в виде по меньшей мере одного коронирующего электрода, расположенное в области выпускного отверстия дозатора. Зарядное средство в значительной степени погружено в материал, чтобы непосредственно заряжать частицы. Зарядное средство включает металлические пластины под высоким напряжением, сложенные в стопку с возможностью проскальзывания вдоль пластин частиц для их заряда.

Рядом с выпускным отверстием дозатора расположено средство переноса в виде вращающегося барабана.

При использовании зарядное средство образует множество одинаково заряженных частиц, покидающих дозатор через выпускное отверстие. Частицы осаждаются на вращающийся барабан в виде одиночного слоя, причем проводящие частицы последовательно отдают свой заряд барабану и в результате падают с поверхности барабана. Не проводящие и менее проводящие частицы остаются заряженными и, таким образом, притягиваются к поверхности барабана, так что их следует удалять с вращающегося барабана дополнительным электрическим или механическим средством.

Указанное средство предназначено для разделения мелкодисперсных частиц сухих смесей без образования агломератов.

Недостаток известного средства заключается в том, что оно предназначено для разделения только проводящих частиц.

Известен электростатический сепаратор (патент US №724679, опубл. 07.04.1903 г.), использующий различия реакции частиц на приложенное электрическое поле, возникающее за счет разной проводимости частиц. Попадание смеси проводящих и непроводящих частиц, характерных для раздробленной руды, в сильное электрическое поле приводит к тому, что проводящие частицы сначала притягиваются к проводящему электроду, а затем отталкиваются от него, в то время как непроводящие частицы остаются сравнительно индифферентными к электрическому полю. Сепаратор для руды представляет из себя комбинацию из источника высоковольтного напряжения, пару одинаково заряженных пластин, между которыми проходит руда, третий, противоположно заряженный электрод, расположенный между первыми двумя, и устройство для сбора отделенного материала в разных сборниках.

Недостатком этого устройства является то, что он может быть применен только для отделения проводящих частиц, в то время как микроскопические включения проводящих частиц в непроводящих зернах породы останутся в пустой породе.

Известно также устройство для обнаружения электропроводящих частиц в породах (патент RU №2184617, опубл. 10.07.2002 г., B03B 13/04).

Устройство предназначено для определения наличия электропроводящих частиц в сыпучем материале. Металлические проводящие частицы под действием силы гравитации оказываются в нижней части лотка и замыкают там электроды, на которые подан различный потенциал, в результате чего доля проводящих частиц может регистрироваться анализаторами и притягивается к электродам.

Недостатком данного устройства является невозможность сепарации частиц с размером, не превышающим толщину диэлектрической прокладки между электродами.

Известен сепаратор (патент US №1110896, опубл. 15.09.1914 г.), взятый в качестве прототипа, в котором частицы разделяются по разной степени проводимости. Сепаратор состоит из непроводящего транспортера, электростатически заряжаемого электрода над концевым сегментом этого транспортера. Транспортер служит для удаления сепарированного материала после разделения. Под этим непроводящим транспортером находится проводящий транспортер для подачи разделяемого материала в электростатическое поле электрода, заряжаемого противоположным полюсом источника напряжения. Частицы породы притягиваются к этому электроду, перемещаются верхним транспортером от электрода и падают на диэлектрическую пластину, отделяясь от пустой породы, которая падает с дальнего конца проводящего транспортера.

Известное средство основано на принципе разделения частиц, обладающих различной проводимостью, и не обеспечивает отделение частиц по принципу их поляризуемости, что не позволяет обеспечить более детальное выделение проводящих и непроводящих поляризующихся частиц по отдельным фракциям, которые содержат повышенные концентрации металлов, имеющих ценность при их низких содержаниях, например платина, золото и другие благородные металлы.

Кроме того, известное средство не предназначено для сепарации частиц горной породы, подготавливаемой к химическому анализу в лабораторных условиях, так как является громоздким и нерентабельным для использования.

Задачей предлагаемой группы изобретений является обеспечение более детальной сепарации проводящих и непроводящих частиц горной породы за счет реализации отделения множества фракций пробы по принципу поляризуемости частиц, а также - упрощение сепарации частиц горной породы, подготавливаемой к химическому анализу в лабораторных условиях, путем создания средства, обладающего небольшими габаритами с возможностью мобильного перемещения.

Заявляется способ сепарации частиц измельченной пробы горной породы с помощью электрического поля, образованного высоким напряжением, который, в отличие от известного, основан на различиях реакций частиц на приложенное электрическое поле, возникающих за счет разной поляризуемости частиц, и в котором для последовательного выделения множества фракций пробы используют поляризующее электрическое поле высокого градиента потенциала, регулируемого по величине, путем изменения высоковольтного напряжения, подаваемого от источника на электроды, образованные чередующимися проводящими полосами разной полярности, расположенные на диэлектрической основе и покрытые непосредственно примыкающим к ним диэлектрическим экраном, на который притягиваются поляризующиеся частицы горной породы, отделяющиеся после отключения напряжения.

В качестве проводящих чередующихся полос используют медные полоски, на которые подают напряжение разной полярности.

Заявляется устройство для реализации предложенного способа - поляризационный сепаратор.

Поляризационный сепаратор, содержащий систему электродов, заряжаемых противоположными полюсами от источника напряжения, диэлектрическую пластину, к которой притягиваются поляризующиеся частицы горной породы после воздействия электрического поля электродов, в отличие от известного, система электродов выполнена в виде двух ветвей из взаимопроникающих, не пересекающихся между собой проводящих чередующихся полос, образующих плоскую решетку, расположенную между неподвижными относительно друг друга диэлектрическими основами, при этом каждая из указанных ветвей подключена к противоположному полюсу регулируемого источника высокого напряжения, включенного в цепь, содержащую регулятор напряжения, генератор, умножитель напряжения и его измеритель.

В качестве нижней диэлектрической основы использована пластина текстолита, на одной стороне которой методом травления получены полоски меди, образующие плоскую решетку электродов из двух ветвей, подключенных к разным полюсам источника высокого напряжения.

Пластина текстолита с электродами покрыта пленкой из диэлектрического материала.

На фиг. 1 представлена блок-схема поляризационного сепаратора.

На фиг. 2 изображена схема расположения электродов между диэлектрическими пластинами (в сечении по А-А).

На фиг. 3 представлена таблица с данными эксперимента по сепарации проб горной породы.

Поляризационный сепаратор (фиг. 1) представляет собой рабочую пластину 1 из текстолита, на одной стороне которой методом травления получены полоски меди 2, образующую показанную на фиг. 1 систему электродов из двух ветвей 3 и 4 из взаимопроникающих, не пересекающихся между собой проводящих чередующихся полос, образующих плоскую решетку, при этом каждая из указанных ветвей решетки подключена к противоположному полюсу регулируемого источника высокого напряжения 5, включенного в цепь, содержащую регулятор напряжения 6, генератор 7, умножитель напряжения 8 и его измеритель 9.

Система электродов покрыта пленкой из диэлектрического материала 10.

Все устройство представляет собой монолитную трехслойную пластину поляризатора: нижнее основание - пластина 1 из текстолита, с нанесенными на ней медными полосками-электродами 2, образующими две проводящие ветви 3 и 4, подключенные проводниками 11 и 12 к разным полюсам источника напряжения, верхнее основание - диэлектрическая пленка 10, покрывающая всю систему электродов (фиг. 2).

Суть способа раскрывается в описании принципа работы устройства.

Постоянное электрическое напряжение от источника 5 через регулятор напряжения 6 от генератора 7 подается через умножитель напряжения 8, посредством проводников 11 и 12, на электроды 2 из двух ветвей 3 и 4, подключенных к противоположным полюсам источника 5, что обеспечивает большой диапазон возможных постоянных напряжений, регулируемых в диапазоне от сотен вольт до 1 кВ. В результате на поверхности пластины поляризатора формируется высокоградиентное электрическое поле, способное поляризовать частицы, попавшие в область его действия в соответствии с фиг. 2, в результате чего наведенный на частицах горной породы заряд будет притягивать частицу к пластине поляризатора по принципу Кулона взаимодействия заряженных частиц. Если частицы изначально имеют электрический заряд, они также будут притягиваться, но не к области наибольшего градиента поля, а к полюсам противоположного заряда.

На фиг. 2 показано также распределение частиц разного размера. Крупные частицы при поляризации располагаются между электродами (на пластине - слева), а частицы мелкого размера при поляризации располагаются на поверхности электродов с противоположным знаком (на пластине - посередине).

В заявленном изобретении происходит отделение также поляризующихся непроводящих частиц и микроскопических проводящих частиц, заключенных в непроводящих зернах.

В первом случае происходит отделение только тех диэлектрических частиц, которые хорошо поляризуются.

Во втором случае - несмотря на то, что проводимость такой частицы будет относительно мала по причине отсутствия связи между зернами проводников, интегральная поляризуемость будет велика благодаря тому, что каждая из микроскопических проводящих частиц поляризуется в отдельности в виде диполя (это - объемная поляризуемость, тогда как для цельной проводящей частицы будет наблюдаться поверхностная поляризуемость).

Поляризуемость - способность частиц приобретать дипольный момент в электрическом поле. Появление дипольного момента обусловлено смещением электронов (электронная поляризуемость) и атомных ядер (атомная поляризуемость) под действием электрического поля; такой наведенный (индуцированный) дипольный момент исчезает при выключении поля.

Все указанные свойства зависят также от размеров частиц, например удлиненные частицы легче испытывают в данном случае поляризацию и притягиваются. Выделенная на пленке фракция больше подвержена перемещению под действием электрических полей, чем оставшаяся. В результате сепарация происходит по параметру подвижности, обусловленной наличием поляризующего электрического поля.

Благодаря возможности регулирования высокого напряжения, подаваемого на электроды, возможно выделение не только двух групп частиц - поляризующихся и нет, - а целого ряда групп с постепенно изменяющейся поляризуемостью для более детального анализа. Также возможен подбор оптимального напряжения для различных проб, например для проб с очень малым количеством поляризуемых частиц (чтобы набрать минимальную навеску сепарированной фракции, необходимую для дальнейшего химического анализа, следует применять более высокое напряжение). Однако в пределах изучения одного участка работ выясненную экспериментально оптимальную величину напряжения не следует менять.

Таким образом, в способе сепарации частиц измельченной пробы горной породы с помощью электрического поля, образованного высоким напряжением, основанным на различиях реакций частиц на приложенное электрическое поле, возникающих за счет разной поляризуемости частиц, используют поляризующее электрическое поле высокого градиента потенциала, регулируемого по величине путем изменения высоковольтного напряжения, подаваемого от источника 5 на электроды 2, образованные чередующимися проводящими полосами разной полярности, расположенные на диэлектрической основе 1 и покрытые непосредственно примыкающим к ним диэлектрическим экраном 10, на который притягиваются поляризующиеся частицы горной породы, отделяющиеся после отключения напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Для более детального анализа пробы при выделении нескольких групп (фракций) с постепенно изменяющейся поляризуемостью необходимо применять напряжение, наращиваемое от меньшего к большему, и для каждого этапа с разным напряжением отделенная часть пробы ссыпается в отдельный пробосборник. Для этого измельченную пробу породы размещают на плоской поверхности, далее к ней подносят многослойную пластину поляризатора с электродами. Затем включают напряжение. После этого пластину поднимают, часть измельченной пробы притягивается к пластине и остается на ней. Затем напряжение выключают, притянутые полем частицы пробы отделяются от пластины, их собирают в отдельном пробосборнике для дальнейшего химического анализа в лаборатории.

Таким образом, поляризационный сепаратор позволяет осуществлять обогащение пробы горной породы хорошо поляризуемыми частицами.

Более детальное отделение частиц важно для дальнейшего химического анализа, так как позволяет выделять фракции, которые содержат повышенные концентрации благородных металлов.

На фиг. 3 представлена таблица сравнения полученных коэффициентов накопления элементов - спутников платиноидов для двух групп проб: 1 проба взята из нерудной зоны, 2 проба взята из рудной зоны платиноносного массива. (Расчетный коэффициент накопления получается отношением величины концентрации металлов после сепарации к величине концентрации металлов несепарированной (исходной) пробы.)

Сравнение данных таблицы показало, что в сепарированных с помощью поляризационного сепаратора пробах химический анализ выявил большие значения для элементов, чем в исходных пробах (цифровые значения содержания металлов в пробах по строкам 3 и 5 больше значений указанных в строках 2 и 4).

Технический результат достигается за счет создания поля высокого градиента. Система взаимопроникающих полос электродов с противоположным зарядом (при подаче постоянного электрического напряжения через умножитель напряжения от генератора), расположенных на пластине из текстолита, обеспечивает большой диапазон возможных постоянных напряжений и высокий градиент электрического поля между заряженными электродами. При этом пластина поляризатора является легко переносимой, что позволяет создать мобильное оборудование, пригодное для подготовки пробы горной породы в лабораторных условиях.

Группа изобретений относится к области обогащения проб горных пород для последующего фазового химического анализа, а именно к средствам разделения твердых материалов. Способ сепарации основан на различиях реакций частиц на приложенное электрическое поле, подаваемое от источника на электроды, образованные чередующимися проводящими полосами разной полярности, расположенными между двумя диэлектрическими основами, к одной из которых притягиваются поляризующиеся частицы горной породы, отделяющиеся после отключения напряжения. Для выделения множества фракций пробы используют постоянное поляризующее электрическое поле высокого градиента потенциала, регулируемого по величине, от меньшего значения к большему путем изменения высоковольтного напряжения, подаваемого от источника на указанные электроды. Сепаратор содержит заряжаемую противоположными полюсами от источника напряжения систему электродов в виде двух ветвей из взаимопроникающих, не пересекающихся между собой проводящих чередующихся полос, образующих плоскую решетку, расположенную между неподвижными относительно друг друга диэлектрическими основами, к одной из которых притягиваются поляризующиеся частицы горной породы. Каждая из ветвей подключена к противоположному полюсу регулируемого источника постоянного высокого напряжения, который включен в цепь, содержащую регулятор напряжения, генератор, умножитель напряжения и его измеритель. Обеспечивается более детальная сепарация проводящих и непроводящих частиц горной породы, упрощение сепарации частиц горной породы, подготавливаемой к химическому анализу в лабораторных условиях. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ сепарации частиц измельченной пробы горной породы, основанный на различиях реакций частиц на приложенное электрическое поле, подаваемое от источника на электроды, образованные чередующимися проводящими полосами разной полярности, расположенными между двумя диэлектрическими основами, к одной из которых притягиваются поляризующиеся частицы горной породы, отделяющиеся после отключения напряжения, отличающийся тем, что для выделения множества фракций пробы используют постоянное поляризующее электрическое поле высокого градиента потенциала, регулируемого по величине, от меньшего значения к большему, путем изменения высоковольтного напряжения, подаваемого от источника на указанные электроды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве проводящих чередующихся полос используют медные полоски, на которые подают регулируемое высоковольтное напряжение разной полярности.

3. Поляризационный сепаратор, содержащий заряжаемую противоположными полюсами от источника напряжения систему электродов, выполненную в виде двух ветвей из взаимопроникающих, не пересекающихся между собой проводящих чередующихся полос, образующих плоскую решетку, расположенную между неподвижными относительно друг друга диэлектрическими основами, к одной из которых притягиваются поляризующиеся частицы горной породы после воздействия электрического поля на систему электродов, отличающийся тем, что каждая из указанных ветвей подключена к противоположному полюсу регулируемого источника постоянного высокого напряжения, который включен в цепь, содержащую регулятор напряжения, генератор, умножитель напряжения и его измеритель.

4. Поляризационный сепаратор по п. 3, отличающийся тем, что в качестве нижней диэлектрической основы использована пластина текстолита, на одной стороне которой методом травления получены полоски меди, образующие плоскую решетку электродов из двух ветвей, подключенных к разным полюсам источника высокого напряжения.

5. Поляризационный сепаратор по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что пластина текстолита с электродами покрыта пленкой из диэлектрического материала, являющейся верхней основой.

6. Поляризационный сепаратор по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что пластина текстолита с электродами, покрытая пленкой из диэлектрического материала, конструктивно выполнена с возможностью переноса в лабораторных условиях.