Способ диспергирования и растворения материалов и устройство для его осуществления

Способ диспергирования и растворения материалов и устройство для его осуществления

Реферат

 

Использование: для дезинтеграции, растворения, разделения, классификации, активации экстракции и выщелачивания различного рода горных пород и материалов. Сущность изобретения: в способе диспергирования и растворения материалов на обрабатываемую среду воздействуют постоянным электрическим током, формируют в ней вибрационные затопленные струи и осуществляют циркуляционное движение обрабатываемой среды из нижней части рабочей камеры в верхнюю, при этом в жидкость вводят электролит. Устройство для осуществления данного способа включает блок питания в виде источника постоянного тока и перегородки из двух электродных блоков, нижний из которых установлен неподвижно и соединен с положительным полюсом источника тока, а верхний снабжен перфорированной перегородкой из диэлектрического материала, при этом отверстия в перегородках выполнены соплообразными для формирования вибрационных затопленных струй. Устройство включает также выносную циркуляционную трубу, соединяющую нижнюю часть корпуса с верхней, а внутренняя боковая поверхность корпуса выполнена из диэлектрического материала. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к промышленности синтеза искусственных алмазов, к горнообогатительной, гидрометаллургической, химической, лакокрасочной и другим отраслям промышленности для дезынтеграции, растворения, разделения, классификации, активации, экстракции и выщелачивания различного рода горных пород, материалов, веществ и материалов.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение производительности и эффективности процесса диспергирования материалов, преимущественно электропроводящих, расширение области применения для диспергирования материалов любой степени прочности и обеспечение экологической чистоты процесса.

Технический результат достигает за счет комплексного виброакустического и электрохимического воздействия на материал и его структурные элементы, обеспечивающего ослабление и разрушение связей на границах структурных элементов и перевод дисперсных частиц материала во взвешенное или растворенное в воде состояние.

Технический результат достигается тем, что в известном способе диспергирования материалов, включающем подачу материала и жидкости в рабочую камеру и обработку механическими колебаниями, материал обрабатывают низкочастотными акустическими колебаниями, вибрационными затопленными струями и постоянным электрическим током, при этом частоту колебаний устанавливают равной собственной частоте вибрационных затопленных струй, амплитуду колебаний увеличивают до возникновения характерного виброкипящего состояния объема пульпы, а напряжение и силу тока устанавливают по максимальной скорости перехода частиц материала во взвешенное или растворенное в воде состояние и осуществляют циркуляционное движение пульпы из нижней части рабочей камеры в верхнюю.

Технический результат достигается также тем, что в жидкость вносят электролит, например, водорастворимые соли соляной кислоты (поваренную соль).

Технический результат достигается также тем, что в известном устройства, содержащем корпус, приспособления для подачи материала и жидкости, приспособление для отвода пульпы, источник тока, вибровозбудитель и рабочие органы в виде перфорированных перегородок, перегородки разделены на два электродных блока нижний и верхний, при этом нижний блок установлен неподвижно и соединен с положительным полюсом источника постоянного тока, верхний блок снабжен перфорированной перегородкой из диэлектрического материала и установлен с возможностью перемещения в вертикальном направлении и соединен с отрицательным полюсом источника постоянного тока, а в отверстиях рабочих органов установлены струеформирующие насадки, при этом оси струеформирующих насадок в каждом блоке смещены относительно друг друга и перегородки установлены друг от друга на расстоянии, меньшем или равном длине вибрационных затопленных струй.

Технический результат достигается также тем, что корпус снабжен циркуляционной трубой, соединяющей его нижнюю часть с верхней, а его внутренняя боковая поверхность выполнена из диэлектрического материала.

Существенная новизна отличительных признаков определяется тем, что впервые осуществляется диспергирование материалов комбинированным низкочастотным акустическим, виброструйным и электрохимическим воздействием, при этом электрохимическое воздействие обеспечивает разрушения связей на границах частиц материала из-за различия в их электропроводности и различной скорости анодного (катодного) растворения в условиях изменения поверхностных физико-химических свойств частиц вследствие протекания окислительно-восстановительных реакций при усилении процессов массопереноса интенсивным относительным движением фаз и компонентов пульпы, а также ускоренном разрушении частиц знакопеременным давлением, кавитацией, пульсирующими и осциллирующими парогазовыми пузырьками, выделяющимися из жидкости, и пузырьками газов, образующихся при электролитическом разложении жидкости. Конструктивные элементы устройства выполняют функции рабочих органов, электродов и средств направленного (циркуляционного) движения пульпы и обеспечивают постоянство электрических и виброструйных параметров процесса. При этом исключается возможность забивания отверстий перегородок частицами материала, а перевод среды в виброкипящее состояние, взвешивание и равномерное распределение части материала по всему обрабатываемому объему обеспечивает высокую проводимость среды и протекание физико-механических и электрохимических процессов во всем объеме пульпы при минимальных затратах электрической энергии. Созданием циркуляционного движения пульпы обеспечивается возможность применения предлагаемого технического решения для диспергирования материалов как в непрерывном, так и в дискретном режиме работы.

На фиг.1 представлено устройство в разрезе; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1.

Устройство содержит корпус 1, внутренняя боковая поверхность которого выполнена из диэлектрического материала, например фугерована резиной, полимерными материалами и др. приспособление 2 для загрузки материала с шибером (задвижкой) 3, приспособление 4 для подвода жидкости, приспособление 5 для отвода пульпы и циркуляционную трубу 6. Приспособления 4,5 и 6 снабжены соответственно задвижками 7,8,9 и 10. Устройство содержит также вибровозбудитель 11, излучающий поршень 12 с мембраной 13, нижние неподвижно установленные перегородки 14 и 15 с установленными в них струеформирующими насадками 16 и 17 и соединенные друг с другом шпильками 18, и верхние, установленные с возможностью перемещения в вертикальном направлении, перегородки 19 и 20 с выполненными в них струеформирующими насадками 21 и 22.

Нижние перегородки 14 и 15 соединены токопроводом 23 с положительным полюсом источника постоянного тока и образуют анодный электродный блок, а верхние перегородки 19 и 20, связанные шпильками 25 и соединенные посредством удлиняющегося токопровода 26 с источником постоянного тока 24, образуют катодный электродный блок. Тяга 27 совместно с фиксирующим приспособлением 28 обеспечивает возможность перемещения или фиксирования катодного блока, в нижней части которого с зазором установлена пластина 29 из диэлектрического материала с выполненными в ней отверстиями 30. Оси струеформирующих насадок 16 и 17 анодного блока и оси струеформирующих насадок 21 и 22 катодного блока смещены относительно друг друга. Оси струеформирующих насадок 22, перегородки 20 и оси отверстий 30 пластины 29 совпадают друг с другом.

Работает устройство следующим образом.

При дискретном режиме работы верхний электродный блок поднимается вверх с помощью тяги 27 и приспособления 28. Корпус 1 заполняется жидкостью через приспособление 4 при открытой задвижке 7 и через загрузочное приспособление 2 при открытом шибере 3 в корпус подается исходный материал, который распределяется по поверхности перегородки 15. Верхний электродный блок опускается на материал и занимает положение соответствующее объему загруженного материала. На оба электродных блока подается электрическое напряжение от источника постоянного тока 24, при этом материал и нижний электродный блок являются анодом, а верхний электродный блок катодом. Анод от катода разделены перфорированной пластиной 29, при этом электрическая проводимость среды между анодом и катодом определяется в основном проводимостью среды в зазоре между перегородкой 20 и перфорированной пластиной 29, т.е. межэлектродное расстояние является фиксированным, а следовательно электрические параметры процесса не зависят от объема обрабатываемого материала.

Прохождение постоянного электрического тока в системе "Электроды 14,15 - обрабатываемый материал жидкость электроды 20 и 19" вызывают комплекс электрохимических и электрофизических процессов, к числу которых относятся анодное разрушение материала, реакции на границе раздела "Материал-жидкость", характеризуемые превращением электрической энергии в химическую, электрофорез, изменение рH среды, окислительно-восстановительные реакции, электроосмос, фазово-дисперсные превращения частиц материала и примесей жидкости, электрохимическая деструкция и микроискновые явления. Все это в совокупности приводит к анодному растворению материала и ослаблению связей между его структурными элементами. Процесс значительно ускоряется при введении в воду электролитов, например растворимых солей соляной кислоты (например хлористого натрия). В этом случае ионы хлора восстанавливаются на аноде в молекулярный хлор, который в воде образует хлорноватистую кислоту и гипохлорит соответствующего металла, например натрия, обладающего сильным окислительным действием. Такого рода окислитель способствует разрушению связей на границах зерен материала и растворение материалов.

В зависимости от электропроводности материала, характера процесса диспергирования, напряжение и силу тока устанавливают по максимальной скорости разрушения материала. Обычно это 6-48 В и сила тока до 600-800 А.

Вибровозбудителем 11 приводится в колебательное движение поршень 12 с мембраной 13. Колебательное движение поршня 12 трансформируется в низкочастотные акустические колебания жидкости и вибрационные затопленные струи, формируемые струеформирующими насадками 16,17,21 и 22.

Поскольку площадь сечения струеформирующих насадок каждого электрода много меньше площади поперечного сечения корпуса 1, постольку скорость движения среды в них много больше амплитуды колебательной скорости движения поршня 12 и мембраны 13. Дважды за период колебаний, т.е. при движении поршня 12 вверх и вниз, скорость струй достигает максимальных значений и в них силу закона Бернулли падает давление. Падение давления до и ниже давления насыщенного пара жидкости вызывает в ней кавитацию, т.е. появление многочисленных парогазовых пузырьков. Весь объем среды насыщается пульсирующими и осциллирующими парогазовыми пузырьками.

Формирование и взаимодействие реактивных факторов, а именно: периодическое изменение сжимаемости (упругости) среды и массы в зонах между перегородками 14,15.19 и 20, а также свойства резонаторов Гельмгольца вызывает сложный параметрический резонанс, когда совпадение частоты колебаний поршня 12 и мембраны 13 с собственной частотой упругой среды вызывает резкое увеличение длины, скорости и дальности действия вибрационных затопленных струй, т. е. возникает резонанс виброструй. На резонансной частоте увеличением амплитуды колебаний добиваются формирования характерного виброкипящего состояния среды, фиксируемого визуально как интенсивное "кипение" жидкости во всем объеме и аппаратурно по уменьшению сопротивления нагрузки на поршень 12 и мембрану 13.

Вибрационные затопленные струи обладают мощным взвешивающим действием и частицы материала переходят в интенсивное относительное движение. Поскольку оси струеформирующих насадок 16 и 17, 21 и 22 смещены относительно друг друга, струи падают на смежные электроды, где происходит их резкое торможение, носящее характер гидроудара. Резкое повышение давления приводит к схлопыванию парогазовых пузырьков, в результате чего развиваются высокие давления (до 100 МПа) и температура (до 10⁴K), разрушающие материал. Эффективность диспергирования материала возрастает за счет взаимодействия и взаимных столкновений частиц при их интенсивном относительном движении.

Струеформирующие насадки 16,17,21 и 22 обладают активной составляющей сопротивления, вследствие чего интенсивность колебаний уменьшается снизу вверх, что приводит к направленному движению среды в корпусе 1 в направлении сверху вниз, посредством трубы 10 организуется циркуляционное движение среды, способствующее более равномерной обработке материала и насыщению жидкой фазы взвешенными частицами и растворенными компонентами обрабатываемого материала.

По мере разрушения или растворения обрабатываемого материала и перехода его во взвешенное или растворенное в воде состояние происходит перемещение верхних перегородок 19 и 20 вниз. При полном диспергировании материала верхние перегородки 19 и 20 опускаются на нижние 14 и 15 и разделены друг от друга диэлектрической пластиной 29. Полученная пульпа или суспензия выводится из корпуса 1 через патрубки 5. Для последующей обработки перегородки 19 и 20 поднимаются вверх, корпус 1 заполняется материалом и процесс повторяется.

При непрерывном режиме работы верхний блок электродов из перегородок 19 и 20 фиксируется элементами 27 и 28 в исходном положении. Обрабатываемый материал непрерывно подается в корпус 1 через загрузочное приспособление 2 при регулируемом открытии шибера 3. Вода или другая жидкость с регулируемым расходом подается в корпус 1 через патрубок 7, а продиспергированный материал в виде пульпы непрерывно отводится через патрубок 5. В остальном обработка материала аналогичная обработке в дискретном режиме.

Пример осуществления способа.

Проверка осуществления способа проводилась на лабораторном стенде, конструкция которого аналогична конструкции устройства, приведенной на фиг.1. В качестве вибровозбудителя применялся электродинамический вибратор БЭДС-200. Исследования проводились в диапазонах частот от 2 до 200 Гц и амплитуд от 0,1 до 4 мм. В качестве источника постоянного тока использовался выпрямительный агрегат марки ШОС-24/600-ОУХЛ4 с диапазонами регулирования напряжения до 24 В и силы тока до 600 А.

Внесением порошка окиси алюминия фиксировалась длина возбуждаемых колебаниями вибрационных затопленных струй. Соответствующая амплитудно-частотная характеристика длины виброструй представлена на фиг.3 как для верхних перегородок (кривая 1), так и для нижних перегородок (кривая 2).

Максимальная длина струй реализуется в диапазоне частот 8-14 Гц. Увеличением амплитуды колебаний среда вводилась в характерное виброкипящее состояние. Именно в таких диапазонах параметров воздействия проводились исследования процессов диспергирования графито-алмазных спеков, слюды (мускавита и вермикуллита) с исходной крупностью частиц до 3-6 мм, мела с крупностью частиц до 3 мм, приготовления глинистых шликерных и буровых растворов, цементного тампонажного раствора, а также растворения металлов.

Пример 1. Диспергирование графито-алмазных спеков с целью выделения из них искусственных (синтетических) алмазов.

Графито-алмазные спеки цилиндрической формы с диаметром 30 мм и высотой 10-15 мм обрабатывались в воде. Установлено, что заметного диспергирования материала под действием низкочастотных акустических колебаний и вибрационных затопленных струй не происходит. Только после 30 мин обработки на поверхности спеков заметна эрозия результат действия кавитации. Воздействие постоянным электрическим током без колебаний приводит в первую очередь к растворению содержащегося в спеках катализатора марганца и при повышении плотности тока свыше 200 МА/см² происходит медленное разрушение материала. Заметное диспергирование происходит в течение 30-45 мин обработки. При совместном действии колебаний, вибрационных затопленных струй и постоянного электрического тока процесс диспергирования начинается через 5-6 мин обработки. Скорость диспергирования материала резко увеличивается при внесении в воду электролита (солей соляной кислоты), например поваренной соли (хлорного натрия). За счет увеличение проводимости среды необходимая плотность тока (200 МА/см²) достигается при напряжении 6-12 В. Установлено, что оптимальная концентрация поваренной соли, при которой обеспечивается наиболее эффективное диспергирование графито-алмазных спеков, составляет 0,8-1,4 г/л. Повышение концентрации соли не приводит к существенному росту скорости диспергирования, а уменьшение приводит к необходимости повышения напряжения и снижает скорость диспергирования.

Полное диспергирование графито-алмазных спеков происходит в течение 10-15 мин обработки. В результате образуется суспензия из тонкодисперсных (до 50 мкм) графитовых и алмазных частиц (до 50 мкм). При увеличении длительности или интенсивности обработки частицы графита разрушаются до коллоидных размеров (менее 1 мкм), а частицы искусственного алмаза разрушению не поддаются, при этом происходит дополнительная очистка их поверхности от металлического катализатора и графита, что зафиксировано наблюдателями под микроскопом.

Пример 2. Диспергирование слюды с целью получения дисперсного накопителя для красок и пластмасс.

Обработка слюды низкочастотными акустическими колебаниями и вибрационными затопленными струями в течение 15 мин дает увеличение выхода частиц с размером менее 30 мкм с 12% до 20% у мускавита и до 18% у веримуллита. Такая же обработка при воздействии постоянным электрическим током с плотностью 200 МА/см² в присутствии электролита (хлористого натрия) в количестве 1 г/л дает увеличение выхода частиц с размером менее 30 мкм до 78-84% Воздействие постоянным электрическим током диспергирующего действия на частицы слюды не производит.

Пример 3. Диспергирование мела с целью получения побелки.

Обработка природного мела колебаниями и вибрационными затопленными струями обеспечивает получение устойчивой суспензии в течение 15-18 мин. Электрохимическое воздействие постоянным током в присутствии хлористого натрия в течение 15 минут приводит к снижению прочности поверхности частиц, их разрыхлению и частичному переходу в раствор коллоидных фракций мела.

Совместная обработка обеспечивает получение устойчивой суспензии в течение 3-5 мин.

Пример 4. Диспергирование глин и цемента с целью получения шликерных, буровых и тампонажных растворов.

Совместное виброакустическое и электрохимическое воздействие на Кудиновскую глину "Cало" с числом пластичности 24-28 обеспечивает получение устойчивого шликерного раствора при отношении т:ж 1:4 в течение 2-3 мин. Такие же результаты при обработке глины в импеллерном реакторе достигаются в течение 40-45 минут.

Порошок бентонитовой глины полностью растворяется в воде в течение 20-30 с совместной обработки. Обработка только виброакустическим воздействием позволяет получить буровой раствор в течение 5-8 мин. Электрическое воздействие само по себе оказывает отрицательное влияние вследствие флотации и выведения из объема воды глинистых частиц.

Тампонажный раствор из алинитового цемента, золы ТЭЦ и резиновой крошки приготовлялся совместным воздействием в течение 2-5 мин при водоцементном отношении 0,5-0,6. Установлено, что при такой обработке растекаемость раствора увеличивается в среднем на 38% при увеличении прочности на 52% При этом коэффициент водоотделения уменьшается в 2,8 раза, а время загустевания снижается на 22,8% по сравнению с результатами, получаемыми стандартным способом приготовления растворов.

Пример 5. Растворение железа и алюминия с целью получения коагулянтов для очистки сточных вод.

Анодное растворение металлической стружки производилось при плотности тока 200 МА/см² в течение 15 мин. За это время концентрация железа в воде поднималась до 12-14 мг/л.

При виброакустическом воздействии концентрация железа поднималась до 25-28 мг/л за 3-5 мин обработки. В этом случае скорость образования гидроксидов железа в 3-4 раза выше скорости их образования без воздействия колебаний за счет скорости их образования без воздействия колебаний за счет трансформации диффузионного механизма в кинематический.

Скорость растворения алюминиевой стружки при совместном виброакустическом и электрохимическом воздействии в 5-8 раз превышает скорость растворения только при электрохимическом воздействии. При этом предотвращается шламование металлической стружки и ее пассивация отложениями солей за счет виброакустического воздействия.

Формула изобретения

1. Способ диспергирования и растворения материалов, включающий подачу материала и жидкости в рабочую камеру и обработку низкочастотными акустическими колебаниями, отличающийся тем, что на обрабатываемую среду воздействуют постоянным электрическим током, формируют в ней вибрационные затопленные струи, при этом частоту колебаний устанавливают равной собственной частоте колебаний вибрационных затопленных струй, амплитуду колебаний увеличивают до возникновения виброкипящего состояния обрабатываемой среды, а напряжение и силу тока устанавливают по максимальной скорости перехода частиц материала во взвешенное или растворенное состояние и осуществляют циркуляционное движение обрабатываемой среды из нижней части рабочей камеры в верхнюю.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в жидкость вводят электролит.

3. Устройство для диспергирования и растворения материалов, содержащее корпус, приспособления для подачи материала и жидкости, приспособления для отвода среды, блок питания, вибровозбудитель и рабочие органы в виде перегородок с отверстиями, отличающееся тем, что устройство снабжено выносной циркуляционной трубой, соединяющей нижнюю часть корпуса с верхней, блок питания выполнен в виде источника постоянного тока, перегородки выполнены в виде двух электродных блоков, из которых нижний установлен неподвижно и соединен с положительным полюсом источника тока, а верхний снабжен перфорированной перегородкой из диэлектрического материала, установлен с возможностью перемещения в вертикальном направлении и соединен с отрицательным полюсом источника тока, при этом отверстия в перегородках выполнены соплообразными для формирования вибрационных затопленных струй, оси отверстий в каждом блоке смещены одна относительно другой, а перегородки установлены одна от другой на расстоянии, меньшем или равном длине вибрационных затопленных струй.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что внутренняя боковая поверхность корпуса выполнена из диэлектрического материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2