دانتک و صنعت معدن

ما استفاده از ذره ذره‌ی  عناصر استخراجی را ممکن می‌کنیم

میکرو-نانو حباب در فلوتاسیون
استفاده از میکرو-نانو حباب در فلوتاسیون (صنعت معدن)

میکرو نانو حباب در فلوتاسیون و کاربرد آن در صنعت معدن

امروزه میکرو نانو حباب در فلوتاسیون  و صنعت معدن دارای کاربردهای متنوعی است. به طور کلی شناورسازی با استفاده از کف یا Froth flotation یک روش بسیار موثر در جداسازی ذرات در صنعت معدن به حساب می آید. مکانیزم این روش مانند کلیه روش های شناورسازی بر اساس اختلاف چگالی و شناورسازی ذرات معلق است ولی اختلاف هایی نیز با توجه به محدودیت های طراحی و یا نیازهای صنعت معدن در آن وجود دارد.

در این روش ذرات شناور و یا ذرات موجود در سیال با استفاده از شناورسازی و فلوتاسیون از سیال جدا شده و تغلیظ می شوند. مقدار محصول بدست آمده از این روش به مقدار توده ساخته شده و چسبندگی ذرات آب گریز به حباب های هوا بستگی دارد. به طور کلی هر چه ذرات ریزتر باشند احتمال برخورد آنها با حباب ها و اتصال به آن پایین تر خواهد بود و به همین نسبت احتمال گیر افتادن ذره در یک توده حباب کم خواهد بود.

این عمده ترین علت کاهش نرخ شناورسازی ذرات با اندازه ریز در فرآیندهای تغلیط مواد معدنی است. شکل 1 و2 نشان می دهد چگونه با کاهش اندازه حباب می توان احتمال برخورد ذره با حباب را افزایش داد و این امر در نهایت منجر به افزایش نرخ جداسازی ذرات معلق و نرخ بازیابی می شود.

شکل 1 احتمال برخورد ذره-حباب با توجه به اندازه حباب و اندازه ذره (برای چهار اندازه ذره برای Coal) (1)
شکل 2 احتمال برخورد ذره-حباب با توجه به اندازه ذره و برای چهار اندازه حباب (1)

میکرو نانو حباب ها و تعریف میکرو نانو حباب در فلوتاسیون

بر اساس دسته بندی های انجام شده با توجه به اندازه حباب، حباب های با اندازه 200 نانو متر تا 10 میکرو متر در دسته میکرو نانو حباب ها قرار می گیرند. بر اساس این دسته بندی حباب های با اندازه کمتر از 200 نانو متر را نانو حباب می‌نامند. وجود این حباب ها در فصل مشترک جامد سیال به وسیله میکروسکوپ اتمی AFM  نشان داده است.

بر خلاف ماکرو حباب ها، میکرو نانو حباب ها ویژگی های بسیار متفاوتی را در توزیع اندازه ذرات، راندمان انتقال جرم، ویژگی های سطح مشترک و خواص شیمیایی از خود نشان می دهند. این ویژگی ها باعث شده است استفاده از آن ها در بسیاری از زمینه های مهندسی به خصوص آلودگی های محیط زیست، به صورت روز افزون توسعه یابد.

در صنعت معدن و در فرآیند فلوتاسیون هر دو محدوده تولید حباب نیاز است و همانطور که در ادامه توضیح داده خواهد شد حباب های نانو سایز ( در مقیاس نانو ) نقشی فعال در به دام انداختن و گرفتن ذرات ریز بازی خواهند کرد. به طور کلی میکرو نانو حباب در فلوتاسیون می تواند منجر به افزایش بازیابی و استحصال مواد معدنی و ذرات ریز شود و این خود به معنی استحصال موادی است که تا پیش از این به علت دشواری در استخراج از دسترس خارج می شدند.

امروزه علاوه بر کابرد حباب، استفاده از نانو ازن نیز در صنعت معدن به صورت روز افزون در حال کاربرد است.

ویژگی های کلی میکرو نانو حباب ها و اساس تولید آن ها

میکرو نانو حباب ها به خاطر ویژگی هایی که از خودشان نشان می دهند بسیار پر کاربرد و مفید به نظر می رسند. این ویژگی ها عمدتا شامل، اندازه بسیار کوچک حباب، مساحت سطح ویژه زیاد، زمان ماند طولانی در آب و محیط سیال، پتانسیل زتای منفی در روی سطح حباب، راندمان انتقال جرم زیاد، و توانایی آن ها در تولید رادیکال های هیدروکسیل اشاره کرد. این ویژگی ها، خواصی به میکرو نانو حباب ها داده است که به طور کلی در هیچ یک از حباب هایی که در سایز بزرگتر از میکرو نانو حباب ها هستند یافت نمی شوند.

یک از صنعتی ترین روش های تولید میکرو نانو حباب استفاده از جریان ورتکس دوفازی و تغییر در فشار گاز محلول است. در این روش، در شرایط تحت فشار هوا یا هر گاز دیگر درون سیال حل می شود و به صورت مافوق اشباع در سیال انحلال پیدا می کند. پس از آن به طور ناگهانی فشار از مخلوط سیال گاز بر داشته شده، گاز به صورت ناگهانی از حالت مافوق اشباع خارج می شود و منبسط شده و به شکل حباب های ریز مقیاس خود را نشان می دهد.

مکانیزم جداسازی ذرات کوچک توسط میکرو نانو حباب در فلوتاسیون

هنگامی که از حباب های ریز مقیاس و در اندازه میکرو و نانو استفاده می شود، تصاویر مشاهده شده با استفاده از میکروسکوپ اتمی روبشی نشان می دهد این حباب ها به ذرات بسیار کوچک چسبیده و به عنوان یک پل گازی مویین باعث جذب ذرات هیدروفوبیک یا آبگریز به یکدیگر می شود. تشکیل این پل مویین و مکانیزم چسبیدن ذرات به یکدیگر در شکل 3 نشان داده شده است. اتصال ذرات هیدروفوبیک به سطوحی که حباب های نانو به آن ها چسبیده است و به صورت پوششی برای ذره در آمده است، موجب می شود توده ای از ذرات شکل بگیرد.

این توده ذرات قطعا بزرگتر از یک ذره خواهد بود و این امر در نهایت منجر به  برخورد بیشتر ذرات با حباب های بزرگتر و بازیابی بهتر ذرات معدنی خواهد شد. بنابراین ذرات بسیار ریز با نرخ بیشتری شناور شده و بازیابی می شوند.

میکرو نانو حباب در فلوتاسیون
شکل 3 تشکیل پل هوایی مویین بین ذرات و مواد معدنی با اندازه کوچک(1)

مکانیزم چسبیدن / جدا شدن ذرات به میکرو نانو حباب در فلوتاسیون

پس از برخورد ذرات با حباب ها احتمال چسبیدن حباب به ذره و جدا شدن آن وجود دارد در ادامه به بررسی این احتمال در برخورد ذرات با میکرو نانو حباب در فلوتاسیون پرداخته خواهد شد.

مکانیزم چسبیدن ذرات به میکرو نانو حباب در فلوتاسیون

به طور کلی هنگامی که ذره بر روی حبابی که از آن ها بزرگتر است می نشیند، می تواند از روی آن بلغزد و فرار کند؛ تا پیش از اینکه این اتفاق رخ دهد نیاز است که سطح حباب خیس شود تا برای چسبیدن به حباب آماده گردد. زمانی حباب و ذره به طور صحیح به یکدیگر می چسبند که زمان مورد نیاز برای لغزش ذره بیشتر از زمان تشکیل لایه خیس کننده جامد باشد. در این حالت ذره فرصت پیدا می کند که به حباب بچسبد(1).   

پس از برخورد حباب با ذره، فرآیند چسبندگی آغاز می شود. در حقیقت در این مرحله حباب به ذره چسبیده و ذرات دیگر به هم متصل می شوند. زمان باقی ماندن حباب بر روی ذره و مدت زمان چسبیدن ذرات به یکدیگر در جداسازی و شناور سازی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

هنگامی که ذرات کوچک می شوند این زمان افت پیدا می کند و  فرصت گیر انداختن ذرات کاهش می یابد. از دست می رود. یک راه برای غلبه بر این مشکل استفاده مواد آب دوست کننده است، در این شرایط ذرات بیشتر آب دوست شده و فرآیند جدا سازی سریعتر انجام می شود. البته این امر با افزایش هزینه و مصرف مواد سورفوکتنت همراه است. در این حالت روش بهتر، استفاده از حباب های با قطر ریز و مقیاس نانو حباب است.

به تازگی تحقیقاتی بر روی اثر میکرو نانو حباب در فلوتاسیون  انجام شده است که نشان می دهد حباب های نانو سایز باعث تخریب لایه سیال در نزدیکی ذرات معدنی شده و به این ترتیب امکان اتصال این ذرات را به حباب های میکرو سایز فراهم می کند. این اصل در حقیقت پایه ای ترین اصل در فرآیند فلوتاسیون است.

به طور کلی اندازه گیری های انجام شده در اثر میکرو نانو حباب در فلوتاسیون نشان داده است که بهترین حالت برای تشکیل لایه خیس و اتصال ذرات آبگریز به یکدیگر آن است که اندازه حباب های نانو برابر اندازه لایه wetting film در بر دارنده ذرات مواد معدنی باشد. اگر اندازه نانو حباب ها از ضخامت wetting film کمتر باشد این میکرو نانو حباب در فلوتاسیون  نقش کمی را بازی خواهند کرد و در از هم گسیختگی این لایه اثری نخواهند داشت. شکل 4 نشان دهنده لایه wetting film و نانو حباب های کوچکتر از این لایه است.

شکل 4 تشکیل لایه wetting film و نانو حباب های تشکیل شده در این لایه (نانو حباب کوچکتر از اندازه لایه wetting film است) (1)

هنگامی که اندازه لایه wetting film و نانو حباب ها به یکدیگر نزدیک می شود، نیروی سطحی شروع به نشان دادن خود می کند. همواره بین بزرگترین حباب و لایه سطحی شکست و گستیختگی لایه wetting film رخ می دهد. دلیل این امر نازک بودن بسیار زیاد لایه آب بین حباب و سطح wetting film است؛ بنابراین ضعیف ترین نقطه در لایه سیال همین نقطه می باشد. این پدیده در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5 تشکیل لایه wetting film و نانو حباب های تشکیل شده در این لایه (نانو حباب بزرگتر از اندازه لایه wetting film است) (1)

احتمال جدایش ذرات از میکرو نانو حباب در فلوتاسیون

پس از برخورد حباب با ذره و همینطور چسبیدن آن ها به هم، همچنان احتمال اینکه تمام این ذرات و حباب ها به یکدیگر متصل بمانند محدود است و بخشی از حباب ها معمولا از ذرات جدا می شوند و ذرات به فاز پالپ در می آیند. احتمال این جدایش به فاکتورهایی مانند انرژی برخورد حباب و ذره، انرژی مورد نیاز جدایش حباب ذره و کار چسبندگی حباب ذره باز می گردد.

به طور کلی هنگامی جدایش رخ می دهد که نیروی جدایش بیشتر از بیشینه نیروی چسبندگی باشد. احتمال جدایش ذره حباب با افزایش قطر حباب افزایش می یابد. بنابراین احتمال جدایش ذرات آب گریز بزرگتر و سنگین تر، از حباب های بزرگتر زیاد است و هر چه حباب کوچکتر باشد نرخ بازیابی، حتی ذرات بزرگ افزایش می یابد. در شکل 6 این قضیه نشان داده شده است.

شکل 6 احتمال جدایش ذرات با توجه به اندازه ذرات و قطر حباب ها (1) (میکرو نانو حباب در فلوتاسیون)

محدوده اندازه ذرات در سیستم های شناورسازی

یکی از مهمترین فاکتورها در تعیین راندمان شناورسازی ذرات در صنعت معدن باز می گردد به اندازه ذرات. اگر ذرات معلق از محدوده خاصی کوچکتر باشند احتمال برخورد، ذره-حباب افت پیدا می کند و اگر این ذرات از محدوده خاصی بزرگتر باشند احتمال چسبندگی آن ها کم می شود. در این حال اگر نانو حباب ها بر روی ذرات کوچک تر قرار گیرند و آن ها را به طور کامل احاطه کنند منجر به اتصال این ذرات به یکدیگر می شوند و به این ترتیب مقدار ضریب بازیابی را افزایش می دهند. این امر در اثر افزایش احتمال برخورد ذرات با یکدیگر رخ می دهد.

علاوه بر آن نانو حباب ها میزان آب دوستی ذره را افزایش می دهند و این امر موجب می شود حباب و ذره چسبندگی بهتری داشته باشند و دیرتر از یکدیگر جدا شوند. استفاده از میکرو نانو حباب در فلوتاسیون  باعث می شود که محدوده اندازه ذرات قابل جداسازی در فرآیند جداسازی افزایش یابد که حاصل آن افزایش در مقدار و نرخ بازیابی است. دلیل این امر افزایش نسبی نرخ برخورد، استحکام چسبندگی و کاهش احتمال جدایش است.

تحقیقاتی که تا کنون انجام شده است نشان می دهد استفاده از میکرو نانو حباب در فلوتاسیون  می تواند محدوده جداسازی ذرات ریز را تا ذره هایی با اندازه چند میکرون کاهش دهد (حتی در مواردی کمتر از یک میکرون) و ذرات بزرگتر با حدود 1 الی 2  میلیمتر را جدا کند. این امر می تواند به افزایش کاربرد سیستم های فلوتاسیون در صنعت معدن نیز منجر شود (1).

امروزه بسیاری از گزارش ها نشان می دهد که نرخ بازیابی در فلوتاسیون هنگامی افزایش می یابد که نانو حباب ها در کنار حباب های سایز معمولی قرار گیرند و دو مکانیزم کلی برای این امر وجود دارد.

  • تشکیل لایه نانو حباب بر روی ذرات آب گریز که باعث تشکیل توده می شود و این امر به دلیل وجود پل حبابی و مکانیزم مربوط به آن رخ می دهد. این تشکیل توده در نهایت منجر به افزایش نرخ برخورد می گردد.
  • ذراتی که با نانو حباب ها پوشیده شده اند پتانسیل بیشتری برای چسبیدن به حباب های با اندازه معمولی دارند و به این ترتیب نرخ جداسازی آن ها افزایش می یابد.

فاز کف در فلوتاسیون (کف تولید شده توسط میکرو نانو حباب در فلوتاسیون)

در فرآیند فلوتاسیون، ذرات آب گریز با استفاده از حباب های هوا گیر انداخته شده و به سطح رویی لایه دوغاب مانند در ناحیه کف آورده می شوند. این کف هنگامی که به سطح رویی می آید سرریز کرده و از محفظه فلوتاسیون خارج می شود. برخلاف فاز دوغاب مانند، فاز کف مانند خواص و رفتاری کاملا متفاوت از خود نشان می دهد. هنگامی که حباب بالا می آید و آبی که همراه آن هست باقی می ماند و کف با بالا آمدن شروع به بزرگ شدن می کند.

در برخی از حالات ممکن است لایه بالایی کاملا خشک باشد در صورتی که لایه زیرین همچنان خیس است. در هنگامی که آب شستشو به سیستم اضافه شود، آب روی کف قرار گرفته و آن را خیس می کند. از این رو لایه کف مهمترین بخش از پروسه تغلیظ سازی است و عیار نهایی و نرخ بازیابی را مشخص می کند.

حباب هایی که در این ناحیه با شکل کره تشکیل می شوند بشدت شکننده و ناپایدار هستند. پایداری این حباب ها علاوه بر غلظت، مواد شیمیایی، به حباب های نانو درون لایه کف نیز بستگی دارد. بیشترین میزان پایداری هنگامی بدست می آید که لایه کف شامل ذراتی با آبگریزی متوسط باشد که بتوانند پل های هوایی پایداری را در لایه فوم مانند شکل دهند. اگر میزان آبگریزی ذرات بسیار زیاد باشد یا ذراتی با اشکال نا متقارن وجود داشته باشد باعث می شود لایه کف پایدار نباشد و دلیل آن ترکیدن حباب ها و از بین رفتن پل هوایی بین آن ها است.  تصویری از این پدیده در شکل 7 آورده شده است.

شکل 7 مقایسه ذرات با آبگریزی متوسط و زیاد از لحاظ برخورد و پایداری با یکدیگر (1) (میکرو نانو حباب در فلوتاسیون )

میکرو نانو حباب و دانتک (قابلیت میکرو نانو حباب در فلوتاسیون)

پمپ های ورتکس دوفازی دانتک با توانایی اختلاط سریع و با راندمان بسیار بالای گاز سیال و تبدیل گاز به حباب های در اندازه میکرو (20-50 میکرو متر ) و نانو سایز ( کمتر از یک میکرون و کمتر از 200 نانو متر ) قابلیت بسیار بالایی در بهره برداری در صنعت معدن و توسعه کاربرد میکرو نانو حباب ها در فلوتاسیون دارد.

این پمپ ها دارای دو ورودی جریان سیال و گاز می باشد و می تواند به صورت خود مکش گاز/هوا را به داخل پمپ هدایت کرده و با جریان های ورتکس شدیدی که بوجود می آورد موجب اختلاط فاز گازی با فاز سیال می گردد و جریان گاز/هوا را به حباب های ریز می شکند و امکان انحلال گاز/هوا در سیال را فراهم می کند. این انحلال شدید باعث می شود مقدار گاز در خروجی پمپ به حالت مافوق اشباع برسد.

تصویر این پمپ و خروجی و ورودی های آن در شکل 8 آورده شده است.

شکل 8 پمپ ورتکس دوفازی دانتک ( میکرو نانو حباب ساز )

از کاربردهای این پمپ تزریق گاز ازن، اکسیژن، CO2، هوا، نیتروژن و … است و فیلمی از جریان خروجی پمپ به در اختلاط هوا/آب در ادامه آورده شده است. خروجی پمپ به آب سفید ( white water ) شناخته می شود و در حقیقت آب مملو از حباب های میکرو و نانو سایز هوا است که می تواند در فلوتاسیون به شدت کاربرد داشته باشد.

مشاهده فیلم تولید میکرو نانو حباب در فلوتاسیون در صنعت معدن

https://uknowledge.uky.edu/mng_etds/8/

این سامانه توسط گروه تبلیغاتی فورسی طراحی شده است و تمامی حقوق آن برای دانتک محفوظ است. 

به بالای صفحه بردن