RU2638600C1 - Устройство флотационного разделения смеси нано- и микроструктур - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к флотационному разделению различных нано- и микроструктур природного и техногенного происхождения. Может использоваться в горной и химической промышленности, например, при получении наночастиц и микрочастиц для создания композитов с заданными свойствами. Устройство флотационного разделения смеси нано- и микроструктур содержит конусообразный корпус, кольцеобразный наклонный желоб для сбора пенного продукта, патрубок выхода камерного продукта в нижней части конуса и аэраторы с патрубками подачи пульпы и воздуха. Конусообразный корпус разделен регулируемыми по высоте цилиндрическими перегородками, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии конусообразного корпуса. По меньшей мере внешняя цилиндрическая перегородка установлена по высоте выше кромки сливного порога. Аэраторы с патрубками подачи пульпы и воздуха установлены в корпусе равномерно по окружности его поверхности. В качестве аэраторов использованы звуковые пневмогидравлические и/или струйные аэраторы. Сопла звуковых пневмогидравлических и/или струйных аэраторов направлены вниз вдоль поверхности конуса корпуса и под острым углом к образующей конуса корпуса. Технический результат - повышение степени разделения нано- и микрочастиц при одновременном снижении энергозатрат. 2 з.п. ф-лы, 1 пр., 6 ил.

Description

Изобретение относится к флотационному разделению различных нано- и микроструктур природного и техногенного происхождения. Преимущественной областью использования является горная и химическая промышленность, например, при получении наночастиц и микрочастиц для создания композитов с заданными свойствами.

Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Нанотехнологии и наноматериалы» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - с. 18]

Из существующего уровня техники известна колонная флотомашина канадской фирмы Canadian Process Technologies Inc (URL: www.cpti.bc.ca), в которой поверхность флотируемых частиц гидрофобизируется так называемыми «пикопузырьками» (имеется в виду нанопузырьками). В дальнейшим с этими «пикопузырьками» взаимодействуют (коалесцируют) крупные транспортные пузырьки.

Признаками заявляемого устройства, совпадающими с существенными признаками аналога, являются: наличие корпуса, кольцеобразного наклонного желоба для сбора пенного продукта, патрубка выхода камерного продукта, и пневмогидравлических аэраторов.

По утверждению разработчиков данные зародышевые «пикопузырьки» гидрофобизируют поверхность минеральных нано- и микрочастиц, что способствует увеличению объема и количества пузырьков на флотокомплексе частица-пузырки, что в дальнейшем способствует переходу комплекса в пенный продукт.

Основными недостатками данного устройства флотационного обогащения является то, что:

во-первых, в устройстве создаются большие транспортные пузырьки, всплывающие с большей скоростью, чем мелкие пузырьки и флотокомплексы «пикопузырьки» - минеральные частицы. Это неприемлемо при флотации нано- и микрочастиц, так как нано- и микрочастицы (гидрофильные и гидрофобные) легко флотируются из-за значительного превышения капиллярных сил над гравитационными с другими силами;

во-вторых, нано- и микрочастицы механически выносятся крупными пузырьками в пенный слой;

в-третьих, пенный слой в устройстве орошается промывочной водой, а это дополнительные энергозатраты;

в-четвертых, применяемый аэратор создает полидисперсную систему пузырьков, которая не способствует созданию высокого слоя обводненной пены, в которой гидрофильные частицы смываются по межпузырьковым каналам.

Известно устройство (Pisan Chungchamroenkit, Sumaeth Chavadej, Ummarawadee Yanatatsaneejit, Boonyarach Kitiyanan. Residue catalyst support removal and purification of carbon nanotubes by NaOH leaching and froth flotation, The Petroleum and Petrochemical College, Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand Received 5 June 2007; received in revised form 9 August 2007; accepted 10 August 2007), которое представляет собой колонную флотомашину, в которой флотируются углеродные нанотрубки.

Признаками заявляемого устройства, совпадающими с существенными признаками аналога, являются: наличие корпуса, желоба для сбора пенного продукта, патрубка выхода камерного продукта и аэраторов.

Недостатками данного технического решения является то, что, как такового разделения наноструктур в данном устройстве, нет. В данной работе авторы просто очищают с помощью Na0H и пенной флотации в колонной флотомашине углеродные нанотрубки от кремнезема, но не до полного очищения. В качестве собирателя и пенообразователя использовался водорастворимый этоксилированный спирт. Флотация проводилась после растворения кварца в NaOH и воздействия на пульпу (плотность пульпы несколько грамм на литр) ультразвуком в течение нескольких часов. Одностенные нанотрубки выращивались из СО с использованием катализатора CoMo/SiO₂. В данной работе не было селективного разделения гидрофобных и гидрофильных наночастиц, так как перед флотацией большая часть SiO₂ растворялся в щелочи. Полученная пульпа обрабатывалась ультразвуком (от 3 ч до 14 ч) с целью распада сильных взаимодействий углеродных нанотрубок и кремнезема. Следует особо отметить, что растворение кремнезема при дальнейшем добавлении NaOH стремилось к нулю. Это говорит о том, что часть частиц кремнезема была полностью покрыта углеродом. Не производились исследования по влиянию различных значений pH на процесс флотации. Данная работа показывает, что при флотации наночастиц лучше использовать в качестве собирателей, пенообразователей и других реагентов - водорастворимые реагенты. Это объясняется тем, что любая эмульсия реагентов должна иметь частицы (капельки) сопоставимые по размерам с наночастицами. Получить такую эмульсию из не водорастворимых реагентов - задача дополнительных энергозатрат и существенных дополнительных технологических процессов по очистки наночастиц от данных реагентов. Частицы кремнезема в данных исследованиях имели неправильную угловатую форму и достаточно большой размер, что способствовало их флотации в пенный продукт. Присутствовали сростки кремнезема и углеродных трубок, которые имели достаточную поверхность контакта с пузырьками воздуха, что, очевидно, способствовало их переходу в пенный продукт. Следует также отметить, что авторы данной работы не учитывали размер пузырьков, выходящих из аэратора. Пузырьки воздуха имели большой разброс по крупности, что привело практически к переходу всех наночастиц в пенный продукт. Часть кремнезема оказалась в пенном продукте.

Из существующего уровня техники известна центробежная флотомашина (RU 2183998, МПК B03D 1/02, B03D 1/24, опубл. 27.06.2002), включающая корпус из верхней цилиндрической части, в которой расположены концентрические трубчатые аэраторы, патрубок для подвода воздуха, тангенциальный патрубок для подвода питания и нижней конической части, патрубок для вывода концентрата, отличающаяся тем, что она снабжена тангенциальным патрубком для подвода воды в верхнюю цилиндрическую часть корпуса, патрубок для вывода концентрата расположен в нижней конической части корпуса и выполнен подвижным с возможностью регулирования его верхнего среза относительно нижнего среза нижней конической части корпуса.

Признаками заявляемого устройства, совпадающими с существенными признаками аналога, являются: наличие корпуса с конусообразным участком в нижней его части, патрубка для сбора пенного продукта в центре нижней части конуса, патрубка выхода камерного продукта в нижней части конуса, и трубчатых аэраторов.

Главным недостатком флотомашины является высокая полидисперсность исходных пузырьков, выходящих из трубчатых аэраторов, а также большая крупность пузырьков, что не приемлемо для флотации нано- и микрочастиц, так как снижает степень разделения нано- и микрочастиц.

Из уровня техники также известен аппарат центробежной флотации (RU 2248849, МПК B03D 1/24, опубл. 27.03.2005), включающий цилиндроконический корпус, нижняя часть которого выполнена в виде перфорированного усеченного конуса с обечайкой, патрубки для подачи пульпы и воды, патрубок для вывода хвостов на вершине конуса в нижней части корпуса, при этом верхняя часть корпуса выполнена открытой для свободной разгрузки пенного продукта за счет перелива, патрубки для подачи пульпы и воды расположены "труба в трубе" в центральной части цилиндроконического корпуса, причем нижний срез патрубка для подачи пульпы расположен в нижней части цилиндроконического корпуса, а корпус связан с приводом для его вращения.

Признаками заявляемого устройства, совпадающими с существенными признаками аналога, являются: наличие корпуса с конусообразным участком в нижней его части, кольцеобразного наклонного желоба для сбора пенного продукта, патрубка выхода камерного продукта в вершине конуса, и аэраторов.

В данном аппарате в отличие от центробежной флотомашины (RU 2183998, МПК B03D 1/02, B03D 1/24., опубл. 27.06.2002) происходит сепарация пузырьков, что приводит к образованию мелкопузырчатой пены на периферии аппарата, но исходные пузырьки, выходящие из перфорированного конуса в нижней части аппарата, имеют полидисперсный состав и большую крупность. Последнее приводит к механическому выносу минеральных частиц на нижнюю часть водо-пульпового параболоида, образованного вращением корпуса аппарата. Крупные пузыри разрушаются на поверхности раздела фаз пульпа-воздух, мелкие гидрофобные и гидрофильные минеральные частицы легко закрепляются на разделе фаз пульпа-воздух и происходит пленочная флотация. Например, нано- и микрочастицы кремнезема при краевом угле смачивания близком к нулю легко флотируются за счет пленочной флотации. Следовательно, данный аппарат нельзя применить для флотационного разделения нано- и микрочастиц.

Известна флотомашина Jameson Cell (Патент US 4,938,865; Jul. 3, 1990), которую разработал исследователь из Австралии G. J. Jameson.

Признаками заявляемого устройства, совпадающими с существенными признаками прототипа, являются: наличие корпуса с конусообразным участком в нижней его части, кольцеобразного наклонного желоба для сбора пенного продукта, патрубка выхода камерного продукта в вершине конуса, и аэратора.

Не смотря на достоинства флотомашины, способной разделять достаточно крупные минеральные частицы, ее недостатком является то, что она не применима для разделения нано- и микрочастиц в силу образования полидисперсной системы крупных пузырьков, которые выносят в пену как гидрофильные, так и гидрофобные нано- и микрочастицы.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является флотомашина Jameson Cell (заявка US 20090250383, дата публикации 8 октября 2009), которая представляет собой усовершенствованную конструкцию предыдущего аналога.

Флотомашина Jameson Cell состоит из короткой цилиндрической колоны с конусным дном и патрубком для хвостов, желоба для сбора пенного продукта; вертикально погруженных в объем флотомашины аэраторов, которые с помощью струй пульпы эжектируют воздушные пузырьки с образованием флотокомплексов во флотомашине; системы водяной промывки пенного слоя.

Признаками заявляемого устройства, совпадающими с существенными признаками прототипа, являются: наличие корпуса с конусообразным участком в нижней его части, кольцеобразного наклонного желоба для сбора пенного продукта, патрубка выхода камерного продукта в нижней части, и струйных / пневмогидравлических аэраторов.

В прототипе создается полидисперсная система исходных пузырьков, которые в дальнейшем упаковываются в плотную необводненную пену. Крупные пузырьки выносят в пену гидрофильные и гидрофобные частицы, что вызывает необходимость орошения пены водой для смыва мелких гидрофильных частиц, так как нано- и микро размерные гидрофильные частицы легко удерживаются поверхности раздела фаз газ-жидкость крупных пузырьков за счет пленочной флотации. Система промывки пены подает на пену или в пену значительное количество воды (75 м³/час по данным на сайте http://www.jamesoncell.com) - это лишние энергетические затраты. Кроме того в вертикальных цилиндрах струйных аэраторов образуются крупные пузыри, которые образовавшись обратно всплывают на поверхность, в которую бьет струя пульпы, что также показывает о лишних энергозатратах. Чем больше пузырьков, тем больше энергозатраты. Поверхность раздела фаз газ-жидкость, созданная исходной системой пузырьков должна быть ровно такая, чтобы сфлотировать ценный компонент, но это не достаточно для разделения нано- и микрочастиц.

Таким образом, недостатком прототипа является то, что он не применим для разделения нано- и микрочастиц в силу образования полидисперсной системы крупных пузырьков, которые выносят в пену как гидрофильные, так и гидрофобные нано- и микрочастицы.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является флотационное разделение нано- и микроструктур с минимальными энергозатратами и расходом реагентов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение степени разделения нано- и микрочастиц при одновременном снижении энергозатрат за счет предотвращения выноса в пену с крупными пузырьками нано- и микрочастиц благодаря обеспечению в устройстве сепарации пузырей по крупности и разрушению крупных пузырьков в центральной части устройства.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в устройстве флотационного разделения смеси нано- и микроструктур, содержащем конусообразный корпус, кольцеобразный наклонный желоб для сбора пенного продукта, патрубок выхода камерного продукта в нижней части конуса, и аэраторы с патрубками подачи пульпы и воздуха, согласно изобретению, конусообразный корпус разделен регулируемыми по высоте цилиндрическими перегородками, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии конусообразного корпуса, причем, по меньшей мере, внешняя цилиндрическая перегородка установлена по высоте выше кромки сливного порога и выше пенного слоя в центральной части устройства, при этом аэраторы с патрубками подачи пульпы и воздуха установлены в корпусе равномерно по окружности его поверхности.

Технический результат заявляемого изобретения достигается также тем, что в качестве аэраторов использованы звуковые пневмогидравлические и/или струйные аэраторы. Как струйные, так и пневмогидравлические аэраторы в устройстве могут быть звуковыми, задающими требуемую систему исходных пузырьков, выходящих из аэратора.

Разделение конусообразного корпуса регулируемыми по высоте цилиндрическими перегородками (или одной перегородкой), оси симметрии которых совпадают с осью симметрии конусообразного корпуса, позволяет создать внутри корпуса камеры (или камеру), в которых происходит сепарация пузырьков по крупности.

Установка, по меньшей мере, внешней цилиндрической перегородки по высоте выше кромки сливного порога обеспечивает отсечение крупных пузырьков от мелких пузырьков. Крупные пузырьки всплывают в центральной части устройства на поверхность и разрушаются с осаждением гидрофильных частиц в камерный продукт, а гидрофобные частицы возвращаются в дальнейший процесс флотации.

Струйные и/или пневмогидравлические аэраторы установлены так, что выходные сопла направлены вниз и под острым углом к образующей конуса корпуса, то есть таким образом, что оси симметрии сопел и факелов пузырьков, выходящих из сопел звуковых струйных или пневмогидравлических аэраторов направлены вниз камеры устройства вдоль ее внутренней поверхности и под острым углом к образующей конуса (корпуса) для образования центробежного поля по часовой или против часовой стрелке.

Установка аэраторов с патрубками подачи пульпы и воздуха в корпусе равномерно по окружности его поверхности и таким образом, что сопла звуковых пневмогидравлических и/или струйных аэраторов направлены вниз вдоль поверхности конуса корпуса и под острым углом к образующей конуса корпуса, позволяет создать дополнительную сепарацию пузырьков и флотокомплексов в центробежном поле.

Экспериментально установлено, что нано- и микрочастицы аморфного углерода и углеродные нанотрубки отделялись от наношариков Si0₂ со средним диаметром 100 нм. Углеродные нанотрубки легче флотируются, так как отношение их поверхности к объему больше, чем у шарообразных частиц окиси кремния. Аморфный углерод также легко извлекается в пенный продукт, так как углерод гидрофобен. Цилиндрическая перегородка обеспечивает отсечение крупных пузырьков воздуха (газа), которые могут сфлотировать как гидрофобные (частицы углерода) так и гидрофильные частицы (Si0₂), так как для наноразмерных частиц капиллярные силы значительно превышают гравитационные силы и гидродинамические. Таким образом, в заявляемом устройстве обеспечивается вынос крупных нагруженных и ненагруженных пузырьков в центральную часть устройства, где на поверхности они разрушаются с последующим осаждением частиц Si0₂ в камерный продукт, а частицы углерода переходят в объем устройства для дальнейшего флотационного обогащения.

В камере, близкой к сливному порогу, образуется высокий слой обводненной пены, образованный ультра мелкими одинаковыми пузырьками за счет необходимого режима работы звуковых струйных/пневмогидравлических аэраторов, сепарации пузырьков воздуха по размерам в центробежном поле и вихрей в вертикальной плоскости и отсечения крупных пузырьков в центральную часть устройства. В обводненной пене гидрофильные частицы Si0₂ по межпузырьковым каналам легко смываются обратно в объем устройства и уходят в камерный продукт (хвосты). Поэтому, в данном устройстве нет необходимости орошать пенный слой какой-либо промывочной водой (жидкостью), что существенно снижает энергозатраты. Следует также отметить, что при такой сепарации пузырьков воздуха (газа) в камере перед сливным порогом, образуется пенный слой при меньшей концентрации пенообразователя и собирателя. Снижение концентрации пенообразователя способствует лучшему разрушению крупных пузырьков в центральной части флотационного устройства и образованию в ней тонкого слоя пены, непрерывно разрушающегося.

В заявляемом устройстве реализуется наилучший вариант образования хорошо флотируемого комплекса частица-пузырки - это увеличение пузырька на флотокомплексе путем перехода растворенного воздуха в жидкости (пульпе) в пузырек флотокомплекса или коалесценции ультра мелких пузырьков с закрепившимися пузырьками на минеральной поверхности. Поэтому, как сказано в аналогах и прототипе, коалесценция зародышевых пузырьков, закрепленных на данных минеральных частицах, с транспортными пузырьками больших размеров, менее вероятна и вероятнее всего большие пузырьки создают турбулентный поток пульпы, который будет механически поднимать частицы малых размеров, так как скорость их подъема значительно больше, чем у отдельных частиц и частиц с зародышевыми нанопузырьками.

Преимущества заявляемого устройства по сравнению с прототипом заключаются в следующем.

1. Обеспечивается возможность задания концентрации пенообразователя меньшей, чем обычно применяется при флотации (менее 10-16 мг/л).

2. При заданных параметрах работы звуковых струйных/пневмогидравлических аэраторов создается система мелких пузырьков, близкая к монодисперсной.

3. В объеме заявляемого устройства за счет образованного центробежного поля и цилиндрических перегородок производится дополнительная сепарация пузырьков по крупности. Более мелкие пузырьки переходят в камеру возле сливного порога и образуют высокий слой обводненной пены. Общеизвестно, что, чем мельче пузырьки, тем выше слой пены.

Также близкие по крупности пузырьки образуют более высокий слой пены и упаковываются в обводненную пену, так как в пространство между пузырьками не попадают пузырьки другой крупности. Данная пена более подвижная из-за того, что нано- и микроразмерные пузырьки уже подвержены броуновскому движению.

4. Исключается флотация гидрофильных нано- и микрочастиц на крупных пузырьках и вынос их вверх флотомашны за счет отсечения крупных пузырьков путем сепарации пузырьков в цилиндрических камерах устройства и центробежного поля, образованного работой звуковых

струйных/пневмогидравлических аэраторов. Изначально можно задать такие параметры работы звуковых струйных/пневмогидравлических аэраторов, при которых будет исключена большая часть крупных пузырьков.

5. В обводненном высоком слое мелкопузырчатой пены гидрофильные нано- и микрочастицы легко самопроизвольно смываются вниз флотационного устройства по межпузырьковым каналам, а гидрофобные частицы закрепляются в этой пене и уходят в пенный продукт. При таком флотационном процессе не требуется какого-либо орошения пены промывочной водой для улучшения селективности процесса разделения минеральных частиц.

6. Обеспечение заявляемой совокупностью признаков разделения монодисперсной системой мелких пузырьков частиц нано- и микроразмерной крупности, незначительно различающихся по флотируемости. Тогда как, при обычной флотации полидисперсной системой пузырьков такое разделение не достигается.

Отличия от прототипа доказывают новизну заявляемого устройства, а неизвестность влияния отличительных признаков на получение нового технического результата доказывает соответствие условию патентоспособности «изобретательский уровень». А именно, неизвестно из уровня техники влияние установки цилиндрических перегородок во флотомашинах и заявляемое расположение аэраторов на достижение заявляемого технического результата, заключающегося в повышении степени разделения нано- и микрочастиц за счет отсечения крупных пузырьков в процессе флотации, создания высокого слоя мелкопузырчатой обводненной пены, в котором создаются условия для самопроизвольного смыва гидрофильных нано- и микрочастиц вниз в камерный продукт.

Изобретение поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 схематично показано устройство флотационного разделения смеси нано- и микроструктур в разрезе по оси симметрии.

На фиг. 2 схематично показан вид сверху заявляемого устройства.

На фиг. 3 схематично показано движение пульпы в заявляемом устройстве (в разрезе по оси симметрии) в процессе флотационного разделения смеси нано- и микрочастиц.

На фиг. 4 схематично показано движение пульпы в заявляемом устройстве (вид сверху).

На фиг. 5 приведена фотография, полученная на электронном сканирующем микроскопе JEOL JIB-Z4500, пенного продукта с углеродными нанотрубками со средней толщиной нанотрубок 100 нм.

На фиг. 6 приведена фотография, полученная на электронном сканирующем микроскопе JEOL JIB-Z4500, камерного продукта с наношариками SiO₂ со средним диаметром 100 нм.

Устройство флотационного разделения смеси нано- и микроструктур содержит (фиг. 1, фиг. 2) конусообразный корпус 1, кольцеобразный наклонный желоб для сбора пенного продукта 2, патрубок выхода камерного продукта 3, расположенный в нижней части конусообразного корпуса 1, аэраторы 4 с патрубками подачи пульпы 5 и воздуха 6. Конусообразный корпус 1 разделен регулируемыми по высоте цилиндрическими перегородками 7 и 8, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии конусообразного корпуса 1. Причем, по меньшей мере, внешняя цилиндрическая перегородка 8 установлена по высоте выше кромки сливного порога, и соответственно слоя пены, образующегося в центральной части устройства и ограниченного этой перегородкой. При этом аэраторы 4 с патрубками подачи пульпы 5 и воздуха 6 установлены в конусообразном корпусе 1 равномерно по окружности его поверхности. В качестве аэраторов 4 использованы звуковые пневмогидравлические и/или струйные аэраторы. При этом сопла 9 звуковых пневмогидравлических и/или струйных аэраторов 4 направлены вниз вдоль поверхности конуса корпуса 1 и под острым углом к образующей конуса корпуса 1. Конусообразный корпус 1 снабжен по периметру верхней кромки сливным порогом 10 и патрубком для выхода пенного продукта 11.

Работает устройство следующим образом:

Исходная прокондиционированная с собирателями, депрессорами и пенообразователями пульпа смеси нано- и микрочастиц подается в струйные/пневмогидравлические аэраторы 4, сопла 9 которых направлены вдоль стенки конусообразной поверхности корпуса 1 вниз устройства и под острым углом к образующей конуса корпуса 1.

Режим работы звуковых струйных/пневмогидравлических аэраторов 4, расход пульпы, воздуха/газа, давление и частота звукового и/или вибрационного воздействия и геометрия элементов аэраторов 4 подбираются так, чтобы исходящие пузырьки образовывали систему нано- или микроразмерных пузырьков, близких по крупности или с требуемой полидисперсностью. Геометрия струйных/пневмогидравлических аэраторов 4 подбирается так, чтобы камера, в которую подается воздух (газ) была резонансной камерой газодинамического свистка и/или аэратор 4 озвучивается любым электродинамическим звуковым устройством. При резонансном воздействии струя пульпы/жидкости эжектирует в объем устройства пузырьки любой требуемой крупности - от моно дисперсной до полидисперсной системы.

Проаэрированная пульпа попадает в центральную часть корпуса 1, в которой часть гидрофильных частиц осаждается в камерный продукт, а часть частиц (гидрофильных и гидрофобных) переходит в верхнюю часть центральной части корпуса 1, ограниченную цилиндрической перегородкой 7 и переходит в кольцеобразную камеру, ограниченную цилиндрическими перегородками 7 и 8, в которой образуется небольшой пенный слой, в котором происходит первичная сепарация частиц по их свойствам. За счет вихрей (вертикальных и горизонтальных) в кольцеобразной камере, ограниченной цилиндрическими перегородками 7 и 8, происходит сепарация нагруженных и ненагруженных минеральными частицами пузырей. Более мелкие пузырьки (нагруженные и ненагруженные) передвигаются в кольцеобразную камеру, ограниченную конусообразной стенкой корпуса 1 и цилиндрической перегородкой 8. В данной части устройства образуются вихри (вертикальный и горизонтальный), сепарирующие флотокомплексы и пузырьки по крупности и плавучести. Более мелкие пузырьки и флотокомплексы передвигаются к конусообразной поверхности корпуса 1 ближе к сливному порогу 10. В кольцеобразной камере перед сливным порогом 10, ограниченной внешними стенками корпуса 1 и цилиндрической перегородкой 8, образуется наибольшая высота пенного слоя, в котором происходит дальнейшая сепарация флотокомплексов. Пена, образованная в этой камере, наиболее обводненная, так как пузырьки, близкие к нано- и микроразмерным меньше подвержены слипанию (коалесценции) и даже подвержены к броуновскому движению, что способствует образованию высокого обводненного подвижного пенного слоя. Пузырьки с низкой полидисперностью (одинаковые пузырьки) упаковываются в обводненную пену - межпузырьковые пространства одинаковых пузырьков не заполняются другими пузырьками и в силу этого она становиться более обводненной с нисходящем потоком воды по межпузырьковым каналам. В высоком слое обводненной пены по межпузырьковым каналам гидрофильные частицы смываются вниз устройства, и для данной пены не требуется какое-либо ее орошение промывочной водой. Дополнительное орошение промывочной водой это дополнительные энергетические затраты и лишняя операция во флотационном процессе. Наименее гидрофобные и гидрофильные частицы отрываются от пузырьков за счет нисходящего потока жидкости между пузырьками пены. Крупные пузырьки и флотокомплексы в подпенном слое, имеющие большую парусность, смываются потоком пульпы вниз устройства.

Пример флотационного разделения смеси нано- и микрочастиц.

Проводилась флотация 2 кг порошка, содержащего смесь углеродных нано- и микрочастиц (углеродные нанотрубки, аморфный углерод) и нано- и микрочастиц кремнезема (шарики Si0₂, кварцевый песок) туманообразной системой пузырьков с образование высокого слоя (более 15 см) обводненной пены перед сливным порогом в опытном лабораторном образце заявляемого устройства с объемом 20 л. При расходе реагентов: сосновое масло - 15 мг/л, керосин - 2 г/кг, жидкое стекло - 2 г/кг, извлечение углеродных нано- и микрочастиц составило 85-97% (фиг. 5) в пенный продукт и кремнезема - 85-97% (фиг. 6) в камерный продукт.

При таких же условиях при флотации в опытном устройстве по прототипу при подаче пульпы с воздухом сверху - при полидисперсной системе исходных пузырьков, выходящих из аэратора, - извлечение углеродных нано- и микрочастиц в пенный продукт составляло 60-72%, а нано- и микрочастиц кремнезема в камерный продукт - 60-72%. Высота пенного слоя была равна 5 см.

Claims (3)

1. Устройство флотационного разделения смеси нано- и микроструктур, содержащее конусообразный корпус, кольцеобразный наклонный желоб для сбора пенного продукта, патрубок выхода камерного продукта в нижней части конуса и аэраторы с патрубками подачи пульпы и воздуха, отличающееся тем, что конусообразный корпус разделен регулируемыми по высоте цилиндрическими перегородками, оси симметрии которых совпадают с осью симметрии конусообразного корпуса, причем по меньшей мере внешняя цилиндрическая перегородка установлена по высоте выше кромки сливного порога, при этом аэраторы с патрубками подачи пульпы и воздуха установлены в корпусе равномерно по окружности его поверхности.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве аэраторов использованы звуковые пневмогидравлические и/или струйные аэраторы.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что сопла звуковых пневмогидравлических и/или струйных аэраторов направлены вниз вдоль поверхности конуса корпуса и под острым углом к образующей конуса корпуса.

Images