СПОСОБ СЕПАРАЦИИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF SEPARATING DIAMOND-CONTAINING MATERIALS

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно к способам сепарации сухих алмазосодержащих материалов, например концентратов первичного обогащения.
Известен способ трибоэлектрической сепарации (Справочник по обогащению руд. Основные процессы. / Под ред. Богданова, 2 изд., перераб. и доп. М., Недра, 1983, стр.209), который применяется для разделения минералов, имеющих близкие значения проводимости.
Согласно данному способу сепарируемые частицы приобретают электрический заряд трибоэлектризацией при трении о металлическую или диэлектрическую поверхность, например при движении по вибрирующей поверхности вибрационного транспортного механизма. При подаче трибоэлектризованного материала в область сильного электрического поля происходит его разделение, обусловленное различным отклонением частиц под действием внешнего электрического поля.
Данный способ неприменим для сепарации материала крупнее 2 мм вследствие того, что при увеличении размеров сепарируемых частиц величина электрических сил становится меньше, чем силы тяжести.
Наиболее близким к предложенному способу является способ сепарации алмазосодержащих материалов, включающий перемещение сортируемого материала в зону измерения, бесконтактное измерение электрофизических свойств, сравнение измеренного значения с порогом разделения, дальнейшее перемещение материала в зону действия исполнительного механизма и отклонение обнаруженного зерна полезного компонента в приемник концентрата с помощью исполнительного механизма (патент России №2353439, МПК В07С 5/344, опубл. Бюл. №12, 27.04.2009). В качестве физической характеристики, по которой выделяют алмазы из смеси минералов, используется электрический заряд, создаваемый одновременно с перемещением сепарируемого материала за счет трения о поверхность транспортирующего устройства - заземленного металлического вибролотка (трибозаряд). Материал, размер и режим вибрации лотка выбраны так, чтобы обеспечить максимальное значение трибозаряда, сообщаемого алмазу, при минимальном значении трибозаряда сопутствующих минералов. Бесконтактное измерение знака и величины наведенного электрического заряда проводят при свободном падении заряженного сепарируемого материала с помощью быстродействующего электрометрического усилителя, а порог разделения выбирают на основании предварительно оцененных значений для природных алмазов заданного класса крупности. Указанный способ позволяет обнаруживать и извлекать алмазы, например, из продуктов первичного обогащения обогатительных фабрик и обладает преимуществами по сравнению с другими способами извлечения алмазов, например, со способами рентгенолюминесцентной сепарации, поскольку позволяет дополнительно извлекать нелюминесцирующие алмазы из хвостов рентгенолюминесцентной сепарации.
Недостатком способа является нестабильность его работы и не достаточно полное извлечение алмазов. Нестабильность работы данного способа связана с зависимостью накопленного алмазом трибозаряда от температуры, влажности окружающего воздуха, состояния поверхности алмаза и вибролотка и т.д. При воздействии на процесс трибозарядки перечисленных факторов накопленный на алмазе трибозаряд может быть незначительным и не превышающим порогового значения, такие алмазы не будут извлечены.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности процесса сепарации за счет увеличения различий в величине заряда на алмазе и отделяемых минералах, что позволяет повысить извлечение алмазов.
Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа сепарации алмазосодержащих материалов, включающего транспортирование сепарируемого материала с одновременной его трибозарядкой, последующее бесконтактное измерение электрических зарядов минералов, сравнение измеренных значений величины заряда с заданным значением порога разделения и отклонение полезного компонента в приемник концентрата с помощью исполнительного механизма, во время транспортирования с одновременной трибозарядкой материал дополнительно облучают электромагнитным излучением с длиной волны, достаточной для стимуляции фотоэффекта в полезном компоненте, например излучением рентгеновского, ультрафиолетового или оптического диапазона спектра.
Из курса физики известно, что при трении вещества заряжаются и приобретают некоторый электрический потенциал. Величина и знак этого потенциала определяются из соотношения: Ue=Е, где U - потенциал (В), е - заряд электрона, Е (эВ) - энергия, которая необходима электрону, чтобы преодолеть некоторый потенциальный барьер и покинуть материал (энергия сродства к электрону).
Большинство веществ обладают положительным сродством к электрону. Это означает, что потенциальный барьер Е является положительной величиной. Такие вещества при трении о металл заряжаются отрицательно, в материале остается некоторый избыток электронов, поскольку покиданию ими вещества препятствует наличие положительного потенциального барьера.
Одно из свойств алмаза - отрицательное сродство к электрону. Суть этого явления сводится к тому, что для алмаза потенциальный барьер (работа выхода) для электронов является отрицательной величиной, и электроны легко покидают поверхность алмаза. Это ведет к тому, что при контакте с заземленным проводником (металлом), часть электронов из приповерхностного слоя переходит в металл, в результате чего алмаз приобретает положительный заряд. Именно на этом свойстве алмаза основан метод трибоэлектрической сепарации. Однако величина заряда, как правило, невелика. Это происходит потому, что при покидании электронов вещество приобретает положительный потенциал U, препятствующий дальнейшему покиданию образца другими электронами. Очевидно, что равновесное состояние установится при условии Ue=А (А - энергия электронного сродства или работа выхода электронов из вещества. Отсюда следует, что чем большей энергией будут обладать электроны в веществе, тем больший заряд приобретет вещество при трибозарядке.
Испытания макетов сепараторов, работающих на основе накопления заряда материалом при его движении по заземленному лотку, показали, что в отдельных экспериментах извлечение полезного компонента составило 97-98%, но повторные эксперименты в сходных условиях иногда показывают падение извлечения до 70-80%. Вероятная причина нестабильности работы - небольшая величина трибозаряда и небольшие отличия в величине заряда на алмазах и сопутствующих минералах. Кроме того, процесс сепарации данным способом весьма чувствителен к внешним дестабилизирующим факторам. Такими факторами могут быть состояние контактирующих поверхностей, влажность воздуха, влажность сепарируемого материала, температура окружающей среды, освещенность, влияние электромагнитных полей и ряд других. Все эти факторы либо создают дополнительный потенциальный барьер для выхода электронов из кристалла, либо способствуют рассасыванию накопленного заряда, в результате чего величина заряда на кристалле, следовательно, вероятность его извлечения, снижаются.
к
f
Из курса физики известно явление фотоэффекта - стимуляция испускания (эмиссии) электронов под действием внешних излучений. При поглощении кванта с энергией Е из вещества испускается электрон с энергией E (фотоэлектрон), величина его энергии определяется, как
f
к
E=Е-A,
где
А - работа выхода электронов из вещества при фотоэффекте, по физическому смыслу близка к величине электронного сродства при трибоэффекте.
к
Очевидно, что при Е<А фотоэлектронов не существует, поскольку они в этом случае должны обладать энергией меньше нуля. Это известно, как длинноволновая граница фотоэффекта.
Если в образце с отрицательным электронным сродством во время его трибозарядки стимулировать фотоэффект, то
т
f
Ue=(U+U)e,
т.е. потенциал образца изменится пропорционально энергии кванта излучения, стимулирующего фотоэффект. При этом для веществ с положительным сродством к электрону (А положительно) потенциал материала снизится, а для веществ с отрицательным сродством к электрону (А отрицательно) возрастет. Хорошо известно, что фотоэффект может быть стимулирован рентгеновским, ультрафиолетовым, оптическим излучением во многих веществах, в т.ч. в алмазе.
Таким образом, стимуляция испускания фотоэлектронов с поверхности алмаза под действием внешних электромагнитных излучений, например ультрафиолетового диапазона (длина волны не менее 435 нм), во время его трибозарядки при движении по лотку ведет к увеличению его заряда. Кроме ультрафиолетового, для стимуляции фотоэффекта пригодно рентгеновское излучение (длина волны не менее 10 нм), а также излучение видимого диапазона спектра с длиной волны, превышающей красную границу фотоэффекта в алмазе (400-900 нм в зависимости от примесного состава). Увеличение заряда полезного компонента за счет фотоэффекта позволит дополнительно извлечь алмазы со слабо проявленным трибоэффектом, либо снизить чувствительность сепаратора, тем самым увеличив его устойчивость к влиянию дестабилизирующих факторов, что также повысит извлечение алмазов за счет более стабильной его работы. Кроме этого, излучение вызывает некоторое увеличение и, после прогрева, постоянную поддержку температуры воздуха в объеме между излучателем и лотком, сушку лотка после прохождения по нему влажных образцов сепарируемого материала, что также способствует повышению стабильности работы аппарата в целом.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема лабораторного стенда для изучения влияния воздействия ультрафиолетового излучения на величину накопленного минералами трибозаряда; на фиг.2а - сигналы от алмазов после их движения по лотку без и при воздействии УФ-облучения, 2б - сигналы от минералов после их движения по лотку без и при воздействии УФ-излучения; на фиг.3 показана схема макета трибоэлектрического сепаратора с источником дополнительного облучения.
Изучение влияния воздействия ультрафиолетового излучения на величину накопленного трибозаряда проводилось на лабораторном стенде (фиг.1). В качестве источника облучения использована внутренняя часть люминесцентной лампы типа ДРЛ мощностью 125 Вт с отражателем. Внутренняя часть лампы типа ДРЛ представляет собой кварцевую колбу, в которой электрическим разрядом возбуждается свечение паров ртути в УФ-диапазоне спектра. Лампа 1 размещалась на расстоянии около 5 см от вибролотка 2 так, что ее ось совпадала с его осью. После зарядки на вибролотке 2 кристаллы попадали в измерительную ячейку 3. Величина сигнала регистрировалась осциллографом (не показан).
Измерения производились следующим образом. При выключенной лампе по лотку поштучно пропускали кристаллы алмаза, измеряли сигналы от каждого из них, затем, не изменяя условий эксперимента, включали лампу и повторяли измерения. Результаты измерений сигналов от алмазов (фиг.2а), показывают, что увеличение накопленного заряда под действием УФ-облучения обнаруживается практически для всех алмазов, но в разной мере. Для некоторых из них увеличение составляет несколько процентов, для некоторых из них сигнал увеличивается на 3-4 В, что соответствует энергии квантов использованного излучения (3-4 эВ). Поскольку величина фотоэмиссионного тока в существенной мере зависит от состояния и чистоты поверхности кристаллов, которая изменяется от кристалла к кристаллу, то наблюдаемый разброс в мере увеличения сигнала естественен.
Подобные же измерения, проведенные с цирконом (фиг.2б) существенного влияния на величину сигналов не обнаружили. Сигнал от минералов оставался примерно тот же, в пределах погрешности измерений. Это также легко объясняется, поскольку использованное излучение не обладало энергией, достаточной для преодоления длинноволновой границы фотоэффекта в данных минералах.
Предлагаемый способ сепарации испытан в условиях одной из обогатительных фабрик. Использован трибоэлектрический сепаратор, предназначенный для обработки сухого алмазосодержащего материала класса крупности -5+2 мм и -2+1 мм, извлеченного из хвостов РЛ сепарации адгезионным (жировым) методом. Сепаратор дополнительно оборудован источником УФ-излучения: - лампой типа ДРЛ 125 с отражателем (фиг.3).
Сепаратор состоит из источника излучения 1, бункера 4, подающего лотка 5, лотка 2, на котором осуществляется трибозарядка материала, измерительной ячейки 3, исполнительного механизма 6, хвостового 7 и концентратного 8 отсеков.
Способ осуществляется следующим образом. Из бункера 4 подающим лотком 5 сепарируемый материал подавался на лоток 2, где осуществлялась его трибозарядка. Одновременно с трибозарядкой материал облучался потоком электромагнитного излучения от источника 1 с длиной волны, достаточной для стимуляции фотоэффекта в полезном алмазе - излучением лампы ДРЛ. Величину заряда определяли бесконтактным способом в свободном падении измерительной ячейкой 3. Исследования, предварительно проведенные по вышеуказанной методике в лабораторных условиях, позволили определить, что при покристальной подаче материала на лоток сигналы от отделяемых минералов редко превышали 0,6 В (фиг.2). Это послужило основанием для выбора именно такого порога разделения. Если измеряемый сигнал (величина заряда на кристалле) не превышал 0,6 В, то образец попадал в приемник хвостовых продуктов 7, если величина сигнала превышала установленный порог разделения 0,6 В, то образец считался алмазом, срабатывал исполнительный механизм 6, который отклонял образец в приемник концентрата 8.
Из сепарируемого материала отбиралась проба и делилась на две части. Первая часть пробы использована в качестве экспериментальной, вторая часть той же пробы использовалась в качестве контрольной. При обработке экспериментальных проб материал заряжался при включенном источнике облучения 1, при обработке контрольных проб облучатель выключали, не изменяя других условий эксперимента. После обработки пробы концентрат и хвосты сепарации разбирались вручную, выбранные алмазы взвешивались, подсчитывалось извлечение.
Результаты экспериментальной сепарации при пороге разделения 0,6 В показаны в таблице 1. С индексом (э) - результаты эксперимента, с индексом (к) - результаты обработки контрольных проб. Как следует из таблицы 1, при обработках пробы в условиях облучения ультрафиолетовым излучением получены более высокие и более стабильные показатели по извлечению алмазов по сравнению с обработкой контрольных проб в тех же условиях.
С целью повышения селективности сепарации был установлен порог разделения 1 В. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
При пороге разделения 1 В извлечение алмазов снизилось как при экспериментальной, так и при контрольной обработке проб, что и должно наблюдаться в такого рода экспериментах. Однако извлечение алмазов оказалось выше для экспериментальной пробы. Разброс извлечения по классам крупности оказался меньше для экспериментальной пробы.
Таким образом, испытания в промышленных условиях подтверждают работоспособность способа и его преимущества по сравнению с прототипом. Эти преимущества (повышение извлечения алмазов и увеличение стабильности работы сепаратора) достигаются за счет дополнительного воздействия на сепарируемый материал электромагнитного излучения, стимулирующего фотоэффект в алмазе. В результате совместного действия трибо- и фотоэффектов заряд алмазов увеличивается, кроме того, создание и поддержание стабильного температурного режима сепарации также способствует повышению стабильности работы аппарата в целом.