DE2621454A1

DE2621454A1 - Verfahren und vorrichtung zum reinigen von mineralien, besonders sand, durch ultraschallwellen

Info

Publication number: DE2621454A1
Application number: DE19762621454
Authority: DE
Inventors: Bernard Merigaud
Original assignee: SIFRACO FRANCAISE DE Cie
Current assignee: SIFRACO FRANCAISE DE Cie
Priority date: 1976-01-22
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1977-07-28
Also published as: LU74886A1; FR2338745A1; FR2338745B1; BE841451A; NL7605080A

Description

DR. HANS ULRICH MAY

D S MÜNCHEN 22, THIERSCHSTRASSE 27 2 6 2 1 H 5 ^+

TELEGRAMME: MAYPATENT MÖNCHEN TELEX 52 4487 PATOP
TELEFON CO 893 22 OO 51

S-57-P-1/1459 München, den 14. Mai 1976

SP 145 PB Dr. M./es

"SIFRACO" Compagnie Fran?aise des Silices et des Sables de Nemours in F-75OO8 Paris, Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Mineralien, besonders Sand, durch Ultraschallwellen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Mineralien, besonders Quarzsand, wodurch die die Sandkörner umgebende Gangart beseitigt und ein hochreines Mineral (Sand) als Endprodukt erhalten werden kann.

Mit Sand wird jedes leichte Sediment bezeichnet, das aus dicht aneinanderstoßenden, jedoch freien Körnern mit einer Größe zwischen zwei Millimeter und einigen Dutzend Mikron besteht. Bekanntlich werden die Quarzsande in großem Maße gebraucht, z.B. in der Glasindustrie. Da die Reinheitsanforderungen immer strenger werden und weniger reine Vorkommen ausgebeutet werden müssen, ist es notwendig geworden, die jedes Sandkorn oberflächlich umgebende Gangart vom Kern des Korns zu trennen, um reines Siliciumdioxid mit nur einigen ppm Gehalt an Verunreinigungen zu erhalten.

Es sind chemische Verfahren zur Beseitigung der Gangart bekannt, z.B. die Behandlungen mit Pyrophosphat. Diese chemischen Behandlungen haben den Nachteil, daß sie teuer sind und in den Sand chemische Verunreinigungen einführen, die in den zum Reinigen benutzten chemischen Materialien enthalten sein können. Außerdem lassen sich diese chemischen Verfahren nicht leicht kontinuierlich durchführen .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur wirksamen und kontinuierlich durchführbaren Reinigung von Sanden zu schaffen, das von den erwähnten Nachteilen der chemischen Verfahren frei ist. Die Aufgabe wird gelöst durch ein

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Verfahren, das sich rein physikalischer Mittel bedient.

Das die Aufgabe lösende erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von Sand und Wasser mit Ultraschallwellen bestrahlt wird, wodurch sich der saubere Sand (oder das Mineral) durch Schwerkraft in einer Kammer absetzt, die dauernd mit Sand und Wasser gespeist wird, wobei das bei der Trennung der von den Körnern abgelösten Verunreinigungen (der Gangart) anfallende unreine Wasser am Kopf der Kammer zurückgewonnen wird, wo sich die Reinigung durch Abtrennung vollzieht.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich noch nicht vollständig physikalisch erklären. Es scheint jedoch, daß das Verfahren befriedigender arbeitet, wenn der Ultraschallstrahl eine genügende Intensität aufweist, z.B. in der Größenordnung von einigen Watt/ cm², nämlich eine Intensität, die über der Kavitationsschwelle im Gemisch Sand-Wasser liegt. Die Kavitationsschwelle hängt stark von der Dichte des Gemisches Sand-Wasser ab. In reinem Wasser liegt sie in der Größenordnung von 0,35 Watt/cm (Leistung im Strahl von Ultraschallwellen, bei denen Kavitationsblasen auftreten).

Außerdem ist es erwünscht, daß die Ultraschallstrahlen nicht interferieren, d.h. daß ihre geometrische Anordnung so ist, daß die von jedem Ultraschal-lwandler ausgesandten Strahlen nicht Volumina bestrahlen, die bereits von benachbarten Wandler bestrahlt sind. Es ist schließlich erwünscht, daß die von den Ultraschallwandlern ausgesandten Wellen nicht durch die Wände der Kammer oder irgendwelche Grenzflächen, wie die Grenzfläche Luft-Wasser im oberen Bereich der Kammer, wo die freie Oberfläche der Mischung Sand-Wasser liegt, zu den Wandlern reflektiert werden. Im Fall, daß die Ultraschallwellen zum Sender/Empfänger zurückkehren, wird die von den Wandlern in das Sand-Wasser-Gemisch abgegebene Leistung erheblich verringert, was die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens beeinträchtigt.

Es ist vorteilhaft, daß jedes Volumenelement der Sand-Wasser-Mischung gleichzeitig oder nacheinander durch die U1traschalistrah-

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len bestrahlt wird. Falls die Ultraschallstrahlen verhältnismäßig gerichtet sind, z.B. im Fall von ebenen Wandlern mit erheblichem Durchmesser, in der Größenordnung von cm, ist es zweckmäßig, den Wandler oder die Wandler zu drehen, so daß der Ultraschallstrahl das gesamte Volumen der zu reinigenden Sand-Wasser-Mischung überstreicht. Das verhindert die Erscheinung des "Blasens" der Sandkörner durch die Ultraschallstrahlen, wobei die Sandkörner durch den Druck der Schallstrahlung aus dem Schallstrahl herausgetrieben werden, bevor sie behandelt wurden, und eine nur wenig wirksame Abtrennung der Gangart erfolgt.

Außerdem hat es sich als günstig erwiesen, das Wasser entweder vor seiner Einleitung in die Kammer oder wenn es in die Kammer eingeleitet wird oder ist zu entgasen, da das Auftreten der Kavitation durch die Anwesenheit von Gas im Wasser gestört wird. Aus dem im Wasser gelösten Gas bilden sich durch die Einwirkung der Ultraschallstrahlen Gasblasen, die einen Teil der Energie der Ultraschallstrahlen ohne großen Vorteil für die Reinigung des Sandes absorbieren. Die so erzeugten Blasen sind viel weniger wirksam als die durch "Kavitations-Sieden" erzeugten Blasen.

Die Erfindung und weitere Vorteile derselben werden erläutert durch die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die sich auf die beigefügten Figuren bezieht. Hierin zeigen:

- Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sandreini-

gungsvorri chtung;

- Fig. 2 eine Abwandlung des Ultraschallwandlers, der zum Einleiten eines Ultraschallstrahles in die Sand-Wasser-Mischung benutzt wird;

- Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung, bei

der die Wandler an einem über dem Umfang der Kammer drehbaren Gehäuse angeordnet sind.

Die in Fig. 1 gezeigte vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine Kammer E auf, die aus zwei Teilen besteht: einem Unterteil 10, der mit einer Sand-Wasser-Mischung gefüllt ist, und einem Kopfteil 14, wo die über der freien Oberfläche 16 der Sand-Wasser-Mischung befindliche Gasatmosphäre durch

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lie Pumpe 20 abgepumpt wird. Das Wasser wird durch die Pumpe 6 in Leitungen 2 geleitet. Die Leitung oder Leitungen 2 weisen Löcher 4 auf, die an der Seite oder am unteren Teil der Leitung 2 angeordnet sind, damit sie durch den Sand nicht verstopft werden, und die das Wasser hindurchtreten lassen, das dann aufsteigt, wie durch den Pfeil 5 angegeben Der Sand wird durch den Fülltrichter 8 und die Leitung 9 (oder durch ein System zum Einpumpen des Sandschlammes) eingeleitet, das im Unterteil 10 der Kammer E mündet. Das Wasser läuft am oberen Ende des Unterteils 10 der Kammer E in eine Rinne 27 über und wird aus dieser durch die Pumpe 28 abgeleitet. Der Tauchkopf 12 trägt vier Ultraschallwandler 30,32,34 und 36, welche schematisch durch die Pfeile 22 angedeutete Ultraschallstrahlen aussenden, und wird durch den Motor M, der ein Ritzel 38 antreibt, das mit einem Zahnrad 40 kämmt, mit einer Drehbewegung angetrieben. Der die verschiedenen Umwandler tragende Tauchkopf 12 dreht sich um eine Achse Z-Z¹, die im wesentlichen mit der Achse der Kammer E zusammenfällt. Die Stromversorgung der Ultraschallumwandler erfolgt von der Versorgungseinrichtung A über einen Schleifkontakt 42 und Zuleitungsdrähte 45 und 47, die gegenüber dem im Unterteil 10 der Kammer E enthaltenen Wasser isoliert sind. Der Sand wird, nachdem er den von den Wandlern 30,32,34 und 36 ausgesandten Ultraschallwellen ausgesetzt war, durch den am Boden der Kammer E liegenden Ablauf 26 abgezogen. Die Erregungsfrequenz der Ultraschallwandler 30,32,34 und 36 liegt beispielsweise in der Größenordnung von 20 bis 40 kHz; Versuche bei 25 kHz waren erfolgreich.

Die Kammer E hat einen Durchmesser in der Größenordnung von einem Meter, was der mittleren Abklingweite der Ultraschallwellen im Gemisch Sand-Wasser entspricht. Die Sand-Wasser-Mischung wurde hergestellt, indem man in die Kammer E 1 kg Sand für etwa 2 1 Wasser einlaufen ließ, was infolge der durch die Löcher 4 der Wasserzuleitungen 2 aufsteigenden Wasserstrahlen eine verhältnismäßig gleichmäßige Emulsion ergibt. Die Wandler 30,32,34 und 36 sind genügend weit voneinander entfernt, um Interferenzen der Ultraschallwellen in der Kammer E zu vermeiden. Der Durchmesser der Wandler beträgt einige cm, von 2 bis 20 cm. Der durch den zulauf 9 eingeführte Sand wurde zuvor gewaschen, indem man ihn in Wasser leitete, was die vorangehende Beseitigung der gröbsten Verunreini-

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gungen bewirkt. Die Vorreinigung verhindert jedoch nicht, daß das durch die Löcher 4 der Leitung oder Leitungen 2 zugeführte klare Wasser in der mit der Pumpe 28 zusammenwirkenden Rinne 27 als gelbliches trübes Wasser aufgefangen wird, was die Wirksamkeit der dargestellten Vorrichtung beweist, während der beim Ablauf 26 abgenommene Sand sehr rein ist.

Zwar ist in Fig. 1 nur eine einzige Reihe von Wandlern am Tauchkopf 12 gezeigt, jedoch können selbstverständlich mehrere senkrechte Reihen vorgesehen sein. Ebenso kann man einen zylindrischen Ultraschallwandler 40 verwenden, wie in Fig. 2 gezeigt. Dieser Wandler 40 hat die Form eines zylindrischen Kranzes, dessen innere und äußere Teile durch die elektrischen Zuleitungsdrähte 42 und 44 erregt werden, die gegenüber der Sand-Wasser-Mischung durch die Leitung 46 isoliert sind. Das untere Ende des Wandlers ist durch den Stopfen 48 aus einem verhältnismäßig elastischen Material abgedichtet. In diesen beiden Fällen bewirkt die Anordnung der Wandler, daß die vom Tauchkopf 12 bzw. vom zylindrischen Wandler 40 ausgesandten Ultraschallstrahlen im wesentlichen waagrecht verlaufen, was bewirkt, daß man nur wenige, auf die Reflexion der Ultraschallwellen an der freien Oberfläche der Flüssigkeit und"an den verschiedenen Wänden der Kammer E zurückzuführende Interferenzen beobachtet.

In Fig. 3 ist eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, die mit den gleichen Einrichtungen wie die Kammer E der Fig. 1 versehen ist, außer daß die verschiedenen Wandler 50,52,54 und 56 in einem Drehpropeller. 60 um die Wellen 62 und 64 angeordnet sind, die sich in Richtung des Pfeils 66 drehen. Diese Wandler sind durch eine in der Figur nicht gezeigte isolierte Speisung erregt. Die in Richtung der Achse z-z¹ der Höhe nach abgestuft angeordneten Wandler sind auf einer Halbspirale in Winkelabständen angeordnet, so daß die Sand-Wasser-Mischung durch die von diesen Wandlern ausgesandten Ultraschallstrahlen gleichmäßig bestrahlt wird.

Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch andere Vorrichtungen zur Einführung und Ableitung des Sandes sowie zum Einleiten des Wassers und Ableiten des verbrauchten Wassers sowie zum Drehantrieb der Wandler benutzt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Reinigen von körnigen Mineralien, besonders Quarzsanden, welche die Sandkörner umgebende Verunreinigungen enthalten, dadurch gekennzeichnet, dai3 man ein Gemisch des Sandes und von Wasser einer Ultraschallbestrahlung unterwirft und dadurch die Verunreinigungen von den Körner ablöst und den nach der Bestrahlung reinen Sand durch Absetzen von dem durch die abgelösten Verunreinigungen verunreinigten Wasser abtrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den zu reinigenden Sand und das zur Bildung der Mischung dienende Wasser kontinuierlich in eine Kammer leitet und das Wasser der Mischung entgast.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wasser entgast, indem das zwischen der freien Oberfläche der Sand-Wasser-Mischung und dem oberen geschlossenen Ende der Kammer befindliche Gasvolumen abgepumpt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wasser vor seiner Einleitung in die Kammer entgast.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Bestrahlen der Sand-Wasser-Mischung verwendete Ultraschallwandler bezüglich der. Mischung gedreht wird.

6. Vorrichtung zur Reinigung von feinkörnigen Mineralien, und besonders Quarzsand, der die Körner umgebende Verunreinigungen enthält, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine geschlossene Kammer (E), Vorrichtungen (8,9) zur Zuführung von Sand und Vorrichtungen (2,6) zur Zuführung von Wasser in die Kammer (l), eine Anordnung von Ultraschallwandlern (30 bis 36, 40 bis 46, 50 bis 56), die von einer Energiequelle gespeist sind und Ultraschallwellen in die Sand-Wasser-Mischung in der Kammer senden, eine Pumpvorrichtung (20), die mit dem oberen Ende des Innenraums der Kammer verbunden ist und in dem dort oberhalb der freien Oberflä-

befmdliehen Volumen .Π4) ehe (16) der Sand-Wasser-Mischung / der Kammer ein Teilvakuum erzeugt, und eine am Boden der Kammer (E) angeordnete Vorrichtung (26) zur Abfüllung des abgesetzten reinen Sandes.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserzufuhrvorrichtung Ring-leitungen (2) aufweist, die am Boden der Kammer (E) angeordnet sind und durch eine Förderpumpe (6) mit Druckwasser gespeist sind, so daß der durch Löcher (4) der Ringleitungen austretende Wasserstrom in der Kammer aufsteigt, und weiter gekennzeichnet durch im oberen Teil der Kammer vorgesehene Überlaufeinrichtungen (27) und/oder Abpumpvorrichtungen (28) für das gebrauchte Wasser.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler oder die Ultraschallwandler (30 bis 36)· in der Nähe der Achse (Z-Z¹) der Kammer und in der Sand-Wasser-Mischung untergetaucht so angeordnet sind, daß die mittlere Richtung des Ultraschallstrahles oder der Ultraschallstrahlen, die von den Wandlern ausgesandt werden, im wesentlichen waagrecht ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (50 bis 56) von der Kammer (E) mechanisch isoliert und längs eines Teils einer bezüglich der Kammer drehbaren Schraube angeordnet sind, wobei die Drehachse der Schraube im wesentlichen mit der Achse der Kammer (E) zusammenfällt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler aus mindestens einem senkrechten zylindrischen Kranz (40,46,48) besteht, dessen Achse im wesentlichen die gleiche wie die Achse der Kammer (E) ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Ultraschallwandlern abgegebene Leistung

in der Größenordnung von Watt/cm liegt und größer ist als die Schwelle der Kavitation in der in der Kammer (E) enthaltenen Sand-Was s er-Mi s chung.

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