И. И. Никулин
ООО «Белгородская горнодобывающая компания», г.Белгород
Предложеныдва способа отмучивания фракции мельче 0, 001 мм. Рассмотрены способы выделения твердой фазы из глинистой суспензии и предложены некоторыеприемы по их усовершенствованию с учетом полученных результатов исследования.Наиболее эффективными приемами выделения можно считать принудительную сушку, выполняемуюбез увеличения температуры, и отжим при помощи сверхскоростной центрифуги сцентробежным типом осаждения.
Характернойособенностью рыхлых гипергенных образований, в частности элювия и продуктовближнего переотложения, является повышенное содержание в них тонкодисперсныхминералов с тем или иным содержанием относительно крупнозернистых реликтовыхзерен алевритовой или песчаной размерности.
Гранулометрическийанализ литологами используется давно и широко, по сути являясь основным. Тем неменее при получении фракций мельче 0, 01 мм неизбежно сталкиваются с проблемой во времени. К тому же еще, если основной целью является получение глинистыхфракций, то возникает вопрос о так называемой стерильности используемыхметодов. Нарушение стерильности начинается от просева на ситах, сетка которыхвсегда имеет окисленные участки, посуды с микроскопическими царапинами и самоенежелательное – химической обработки. Помимо этого большая часть глинистыхминералов является природным сорбентом, поэтому все воздействия на них впроцессе прохождения пути от литологической пробы в таре до фракции
Получениесуспензии с тонкодисперсным материалом Предварительная обработка до полученияводной суспензии с фракцией мельче 0, 001 мм достигается путем отмучивания пробы. Отмучивание применяется обычно для выделения фракции размерностью
Способ1. В данном случае используются сита с полиэтиленовыми © Никулин И. И., 2010ячейками, которые применяются в пищевой промышленности при просеивании муки.Чаще всего ячейки у таких сит имеют диаметр менее 0, 5 мм. Далее навеску просеивают мокрым способом через это сито. Оставшиеся на сите частицы высушивают,взвешивают и определяют содержание в весовых процентах. В случаях когда имеетсядело с уплотненными глинами, распаривают пробу в дистиллированной воде наводяной бане в течение 5 ч и более. После этих процедур небольшими порциямисодержимое чашки переводят в градуированный стакан до уровня на 2 см выше нулевого, взбалтывают мешалкой и через 100 с сливают до нулевого уровня. Повторяют этуоперацию до тех пор, пока весь материал из фарфоровой чашки не будет переведенв стакан и после взбалтывания через 100 с в слое воды от нулевой линии доотметки 2 см не будет взвешенных частиц. Таким путем отмучивают фракцию
Способ2. При малых количествах проб достаточно навески воздушно-сухой глины массой15– 35 г, которая размачивается в фарфоровой чашке дистиллированной водой.После размокания (от 2 до 24 ч) вода с легкорастворимыми солями сливается, доливаетсянемного свежей воды и глина растирается до получения густой однороднойсуспензии. Далее суспензия переводится в стеклянную посуду (банку) вместимостью3–4 л и перемешивается зигзагообразными движениями.
Послесуточного отстаивания суспензии сливаются верхние 7 см, содержащие частицы мельче 0, 001 мм, или через 6 ч, если выделяют фракцию
Втех случаях, когда глина коагулирует долго (не удается получить устойчивойсуспензии после нескольких удалений слоя воды над осевшей глиной), дляполучения устойчивой суспензии добавляют аммиак до появления слабого запаха илипирофосфат натрия. Однако достаточно 10–15 дней ежедневных сливов верхнего слоя,чтобы избежать использования химических веществ.
Послеполучения нескольких десятков литров суспензии обычно перед исследователемвозникает вопрос о скорейшем высушивании глинистого материала. Используяестественное испарение, которое не должно превышать 30–35 оС, получение тонкихфракций может затянуться на неопределенное время. Экспериментальные работынекоторых исследователей [1] показали, что в водный раствор послепродолжительного времени сушки из поглощенного комплекса глинистых минераловнекоторое количество ионов натрия, кальция, магния поступает в раствор за счетлегкорастворимых солей. Это обстоятельство вызывает некоторое изменениедифракционной картины, особенно в случае присутствия в глинистом вещественабухающих минералов. Отсюда следует, что необходимо сокращать время обработкиобразцов водой и для выделения фракции применять более эффективные методы посравнению с обычным выпариванием. Другим коллективом исследователей [2]проводились работы по упрощению способа отделения из суспензии твердой части. Так,ими доказано ничтожное растворение алюмосиликатных глинистых минералов солянойкислотой. Глины предварительно обрабатываются электролитом (NaCl) дляпептизации суспензии. Обработка производится на фильтре 5% раствором NaCl споследующей промывкой дистиллированной водой при контроле на присутствие ионаCl азотнокислым серебром. Потом суспензия коагулируется 2% HCl, затемфильтруется через бумажный фильтр и вторично промывается раствором NaCl. Болеесовершенного и простого метода химического выделения глинистой фракции изсуспензии в настоящее время не опубликовано.
Высокоэффективныеприемы выделения тонкодисперсного материала из водной суспензии
Электрофорез.Электрофоретическое обогащение, предложенное Н. В. Логвиненко и А. А. Лазаренко[3], в настоящее время считается одним из наиболее прогрессивных способовизвлечения глинистого материала из суспензии. Суть этого метода заключается вследующем. Диспергированные в воде глинистые частицы представляют собойколлоидные системы и несут на своей поверхности отрицательные электрическиезаряды. В поле постоянного тока эти частицы перемещаются к аноду, гдеразряжаются и осаждаются. Используя данный принцип, ученые разработали прибор, позволяющийв течение 5–10 мин выделить на электроде до 5 г глинистого вещества из суспензии [4].
/>
Приборсостоит из стакана емкостью 5 л, на раздвижной крышке которого укреплены дваэлектродных блока (рис. 1). Анодный блок включает в себя верхнюю (2) и нижнюю(9) головки, которые соединены стеклянной трубкой (8). В корпусе верхнейголовки укреплены электроконтакт (1) и внутренняя трубка (8), в нижний конецкоторой впаян платиновый электрод (10). В корпусе головки имеются два отверстия(12), служащие для заполнения анодного пространства блока дистиллированнойводой и выпуска газов, образующихся И. И. Никулин Рис. 1. Схема прибора дляускоренного осаждения глинистых частиц. Примечание: 1 – электроконтакты; 2 –верхняя головка анодного блока; 3 – катод ный блок; 4 – крышка; 5 – электрод; 6– целлофановая пленка; 7 – стакан; 8 – стеклянные трубки; 9 – нижняя головкаанодного блока; 10 – платиновый электрод; 11 – зажимное кольцо; 12 – отверстиядля выпуска газов при электролизе. Нижняя головка анодного блока отделяетанодное пространство от суспензии без разрыва электрической цепи, чтодостигается с помощью целлофановой пленки (6), укрепленной в корпусе головкипри помощи зажимного кольца
(11).В катодном блоке, изготовленном из органического стекла, электродом служитспираль из нихромовой проволоки диаметром 1 мм. Здесь также катодное пространство отделено от суспензии целлофановой пленкой. В верхней части катодного блокаимеются отверстия для выхода газов и заполнения катодного пространствадистиллированной водой.
Послезаполнения стакана суспензией электродные блоки заполняют дистиллированнойводой и устанавливают на крышке прибора так, чтобы целлофановая пленка анодногоблока расположилась на расстоянии 1, 5 см от дна сосуда, а пленка каждого блока – вблизи зеркала суспензии.
Наэлектроды необходимо подавать напряжение 300–400 В и ток 100 мА. При такихпараметрах тока примерная скорость осаждения частиц с размером
Вболее простой конструкции (обыкновенный стеклянный стакан емкостью 3–5 л) припостоянном токе 100–120 В, 5 А можно использовать для анода свинец, а длякатода – медь. Оптимальное расстояние между ними 15–20 мм. Из соответствующейнавески глинистой породы на дистиллированной воде готовится устойчиваясуспензия объемом до 1–2 л (в зависимости от величины установки). Через 1 ч 20мин верхние 10 см суспензии с размером частиц
Проблемаиспользования электрофореза заключена в том, что не каждая лаборатория можетсебе позволить использовать платиновые электроды. Графитовые электродыотказываются работать в такой системе. И остаются только электроды из цветныхметаллов (меди или свинца), которые влияют на глинистую суспензию крайнепагубно.
Каквыше обозначено, и с этим согласится любой исследователь – чем меньше фактороввлияет на результат, тем чище получатся эксперимент. Придерживаясь этогопринципа, автор отработал два экспресс-приема выделения фракции мельче 0, 001 мм без применения химических реактивов и повышенных температур, влияющих на кристаллохимическиехарактеристики глинистых минералов: принудительная сушка путем выдува и отжимпри помощи центробежной центрифуги.
Принудительнаясушка. Сушкой принято называть процесс удаления влаги из материалов за счетиспарения. Обычно по литературным источникам под оптимизацией процессаиспарения понималось лишь увеличение интенсивности процесса сушки с сохранениемкристаллохимических характеристик глинистых минералов. В простых условиях этотпроцесс осуществляется, если к поверхности подводится тепло и за счет этогопарциальное давление паров воды у поверхности больше их парциального давления вокружающей среде. Парциальное давление на поверхности можно создать различнымиспособами: конвекцией от нагретого воздуха, тепловым излучением от нагретыхповерхностей, пропусканием через влажное тело переменного электрического тока, кондукциейпри непосредственном соприкосновении влажного тела с нагретой поверхностью идругими способами. Так как при сушке для глинистой суспензии приемлем узкийтемпературный режим (не выше 30–35 оС), то нами использовался последний прием.Вместо температуры на поверхность суспензии предлагается подавать не повышеннуютемпературу, а поток фильтрованного воздуха. Конструкция системы принудительнойсушки без использования нагревательных приборов весьма проста (рис. 2).
Вцентр накопительного стакана сверху подается поток воздуха, который посредствомкондукции атмосферного воздуха с поверхностью глинистой суспеси ускорят процессвысушивания емкости. Физико-механические условия эффективности данного приемазависят от процесса влагопереноса – скорости потока и температуры окружающейсреды [5]. Дополнительным условием является постоянное проветривание помещения.Данный прием принудительной сушки позволяет сократить время выделения сухойфракции мельче 0, 001 мм из суспензии до 1–2 дней.
Ещеболее эффективным приемом может оказаться отжим частиц с размером
Отжим.Одним из распространенных промышленных способов разделения неоднородных жидкихсистем является центрифугирование, осуществляемое в специальных машинах –центрифугах. В центрифугах происходят процессы отстаивания и фильтрации в полецентробежных сил, поэтому центрифуги – это более эффективные системы дляразделения неоднородных суспензий [6]. В настоящее время существует огромноеколичество различных конструкций центрифуг. Все они подразделяются по следующимпризнакам: по технологическому назначению, по способу проведения процесса(непрерывные или периодические), по основному конструктивному признаку, а такжепо способу выгрузки осадка из ротора центрифуги. Главными факторами, определяющимивыбор центрифуг и показатели их работы, являются физические свойстваразделяемых сред, характерные для каждого отдельного технологического процесса.К этим факторам относятся:
— гранулометрический (дисперсный) состав твердой фазы;
— вязкость жидкой фазы;
— плотность твердой и жидкой фазы;
— концентрация суспензии;
— форма частиц.
/>
Попринципу действия нами предлагается использовать «отстойный» тип центрифуги сцентробежным типом осаждения [7]. Для отработки приема выделения глинистогоматериала из суспензии путем отжима эксплуатировалась высокоскоростнаяцентрифуга с большим объемом загрузки ОС-6М отечественного производства (рис. 3,а).
Наиболееэффективный режим эксплуатации с угловым ротором производится при следующихпараметрах: Tср = +22 °С, N = 5500 об./мин. Ротор позволяет загружать за одинсеанс восемь колб с общим объемом до 720 мл (рис. 3, б). Типоразмер колб выбраннеслучайно, т. к. позволяет применять широко распространенные пластиковыеодноразовые «чайные» ложки. С помощью «чайных» ложек собирается со дна колбыотжатая от воды глинистая фракция (рис. 3, в).
Скоростьседиментации глинистых частиц (ν) зависит от угловой скорости (ω), эффективногорадиуса ротора rэфф (расстояние от оси вращения) и седиментационных свойствчастиц. Седиментационные свойства частицы характеризуются коэффициентомседиментации S и выражаются в единицах Сведберга (1S = 10-13 с). Величина Sможет колебаться в широких пределах, поэтому время центрифугирования достаточнорассчитать эмпирически (обычно tср ≈ 15 мин). После сбора глинистойфракции на стерильную поверхность она должна подсушиться некоторое время вкомнатных условиях для взвешивания и дальнейшей упаковки в соответствующуютару. Прозрачную воду из колб собирают в другой стакан, если необходимопровести дополнительные расчеты.
Скоростьвыделения глинистой фракции из водной суспензии после отмучивания с применениемотжима оказывается пример но в 20 раз выше, чем при выдуве в батарейныхстаканах. Кинетическая энергия, развиваемая центрифугой, позволяет дажевыделять из суспензии глинистые частицы, поведение которых можноохарактеризовать как броуновское. В таких суспензиях после отмучивания обычноочень малый процент глинистой составляющей, не способной коагулировать иоседать в обычных комнатных условиях.
/>
Обсуждениерезультатов
Изсравнения дифрактограмм становится очевидным, что примене ние различныххимических и электрических воздействий для ускорения выделения глинистойсоставляющей из пробы, искажает в той или иной мере истинный фазовый составглин, или не дает сущест венных преимуществ перед обычным отмучиванием.
Проведенныеисследования показали, что при подготовке к дифрактометрическому иликакому-либо другому лабораторному виду анализа глин не следует применятьэлектрофорез, а также использовать различные химические обработки, рассчитанные на ускорение коагуляции вещества. В таких случаях целесооб разноограничиться обычным отмучиванием с предварительным распа риванием образца наводяной бане.
Всвязи с изложенным для выделения и подготовки к лабораторным анализам глинистой фракции в больших масштабах наиболее целесообразно использоватьцентрифугирование с большим запасом полиэтиленовых колб. Применениецентробежной центрифуги позволяет в десятки раз ускорить лабораторный процесспри минимальных воздействиях на глинистые минералы.
Список литературы
1.Логвиненко Н. В. Методы определения осадочных пород: учеб. пособие для вузов /Н. В. Логвиненко, Э. И. Сергеева. – Л.: Недра, 1986. – 240 с.
2.Морозов А. Н. Подготовка проб глин для изучения глинистых минералов / А. Н.Морозов // Исследование и использование глин. Материалы совещания во Львове в1957 году. – Львов: Изд-во Львовского университета, 1958. – С. 727–735.
3.Логвиненко Н. В. Выделение глинистых частиц при помощи электрофореза / Н. В.Логвиненко, А. А. Лазаренко // Изв. АН СССР. Сер.: Геол. – 1961. – № 9. – С.1017–1024.
4.Потапов В. П. Прибор ускоренного количественного осаждения глинистой фракции изсуспензий низкой концентрации / В. П. Потапов, А. Ф. Евсеев // Литология иполез. ископ. – 1974. – № 4. – С. 131–133. 5. Кузьмин В. А. Метод расчетаэффективности использования энергии при внутреннем тепловлагопереносе в процессесушки / В. А. Кузьмин, Д. Л. Овсянников // Материалы докладов Школы-семинара. –Казань, 1999. – С. 194–197.
6.Соколов В. И. Центрифугирование / В. И. Соколов. – М., 1976. – 408 с.
7.Шкоропад Д. Е. Центрифуги для химических производств / Д. Е. Шкоропад. – М.:Машиностроение, 1975. – 248 с.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.vestnik.vsu.ru