Сепарация минералов

14.12.2016

Для облегчения диагностики и изучения россыпных минералов последние разделяют на основании физических свойств на возможно более узкие группы. Для этих целей, кроме описанного выше фракционирования по удельному весу, применяется магнитная и электромагнитная сепарация минералов, а также разделение их электростатическими методами (электростатическая и диэлектрическая сепарации).
Магнитная сепарация осуществляется при помощи подковообразного или брускового магнита и предназначена для отделения ферромагнитных минералов от парамагнитных. Операция упрощается путем использования тонких прокладок между полюсами магнита и разделяемой пробой или же при помощи специальных наконечников из алюминиевой фольги, целлофана или плотной бумаги, надеваемых на полюса магнита.
В фракции простого магнита (или в магнитной фракции) выделяются: магнетит, титаномагнетит, мэртитизированный магнетит, мушкетовит, пирротин, кубанит, некоторые ферромагнитные хромшпинелиды и ильменит, а также частицы окисленного метеорного никелистого железа, магнетитсодержащие обломки различных горных пород и железная стружка, часто встречающаяся в концентратах из разведываемых или отрабатываемых россыпей.
Электромагнитная сепарация производится для отделения типичных парамагнитных минералов от диамагнитных или же от минералов, обладающих слабо выраженными парамагнитными свойствами. Такое разделение тяжелой фракции на более узкие группы, в состав которых входят минералы с близкими магнитными свойствами, значительно упрощает и облегчает дальнейшее определение минерального состава концентратов. Оно основывается на различиях в магнитной проницаемости и восприимчивости минералов.
Каждый минерал, помещенный в магнитное поле, вследствие магнитной индукции намагничивается. Напряжение возникающего при этом суммарного поля (магнитная индукция β) зависит от магнитной проницаемости минерала μ и связано с напряжением индуцирующего поля H выражением β = μH, откуда следует μ = β/H.
За единицу магнитной проницаемости принята проницаемость пустоты.
Обычно для характеристики магнитных свойств минералов пользуются так называемой магнитной восприимчивостью x, характеризующей интенсивность намагничивания минерала (J). Последняя связана с напряжением поля уравнением J=xH.
Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость связаны выражением μ=1+4пх.
Обычно пользуются понятием удельной магнитной восприимчивости, отнесенной к единице массы.
Магнитное поле, индуцированное в минеральной частице, может быть ориентировано различно по отношению к индуцирующему полю. Если ориентировка обоих полей одинакова, то возникают силы, стремящиеся переместить частицу (в случае неоднородного поля) в тот участок поля, где напряжение его является наименьшим. В однородном поле частицы будут ориентироваться своим удлинением поперек силовых линий. Такие вещества, в которых индуцируется магнитное ноле, одинаково ориентированное по отношению к главному полю, называются диамагнитными. Для них μ≤1, а х является величиной отрицательной.
Свойствами диамагнитных веществ обладают сравнительно немногие минералы (медь, золото, серебро, алмаз, графит, флюорит и др.), а возникающие при этом силы очень невелики и недостаточны для перемещения частиц.
В случае взаимообратной ориентировки индуцирующего и индуцированного полей возникают силы притяжения, стремящиеся переместить частицу в тот участок поля, где напряжение его является наибольшим Такие вещества получили название парамагнитных. Для них μ≥1, х положительна и весьма различна по величине.
Парамагнитные силы обычно достаточно велики и могут быть использованы для сепарации минералов.
Среди парамагнитных веществ особо выделяют так называемые ферромагнитные, для которых величина % является весьма значительной и находится в функциональной зависимости от напряжения поля. Индуцированное поле у ферромагнитных веществ сохраняется в виде остаточного магнетизма. К ферромагнитным веществам относятся, в частности, все минералы, выделяющиеся в фракции простого магнита.
Магнитные свойства минералов зависят в основном от их химического состава и в первую очередь от присутствия в них элементов, ионы которых имеют на внешних оболочках неспаренные электроны. К таким элементам — магнитофорам относятся элементы с достраивающимися оболочками: переходные элементы, элементы семейства железа, а также лантаниды и актиниды, имеющие недостроенные 4f и 5d оболочки.
Существенное влияние на магнитные свойства миноратов оказывает также характер химической связи между ионами и структурное положение последних.
Большинство минералов характеризуется непостоянством магнитных свойств, изменяющихся в зависимости от характера изоморфных замещений, от количественного содержания элементов — магнитофоров, а также от наличия или отсутствия механических включений других минералов, В связи с этим величина магнитной восприимчивости минералов варьирует в широких пределах. Наиболее надежные определения магнитной восприимчивости минералов, выполненные различными исследователями, недавно обобщены А.С. Поваренных, данные которого (с некоторыми изменениями и дополнениями) приводятся в табл. 6.
Сепарация минералов

Полное разделение при помощи электромагнитной сепарации возможно лишь для минералов, значительно отличающихся по величине магнитной восприимчивости. Помимо непостоянства химического состава минералов и присутствия механических примесей, обусловливающих вариации магнитных свойств, на полноту разделения минералов оказывают влияние различия в размерах зерен, а также анизотропия магнитных свойств минералов.
Указанные причины ограничивают возможность выделения мономинеральных фракций. Вследствие этого при электромагнитной сепарации концентраты обычно разделяют на две фракции — электромагнитною, куда попадают минералы с x=300—15, и немагнитную фракцию, где выделяются минералы с x≤15.
В фракцию простого магнетита выделяются минералы с х≥300.
Иногда при сепарации концентратов выделяют не одну, а две электромагнитные фракции: повышенномагнитную (х=300—50) и слабомагнитную (х=50—15).
Перечень наиболее распространенных тяжелых минералов, выделяющихся в каждой из фракций, приблизительно в порядке уменьшения их магнитных свойств, приводится ниже.
Повышенномагнитная фракция: гематит, ильменит, хромшпинелид, вольфрамит, колумбит, железистая платина, родонит, альмандин, андрадит, лепидомелан, оливин, гиперстен, эгирин, авгит, железистая роговая обманка, железистый эпидот, уваровит, ставролит, биотит, лимонит, железистый турмалин, вад, псиломелан, гельвин.
Слабомагнитная фракция: пиролюзит, турмалин, роговая обманка, антофиллит, актинолит, диопсид, пироп, гроссуляр, ортит, сфен, монацит, хлоритоид, ксенотим, клиноцоизит, пьемонтит, главкофан, фергусонит, самарских, эвксенит, эшиниг, платина (поликсен), осмистый иридий, плеонаст, хлорит, аксинит, рутил (нигирин), уранинит, настуран, везувиан, пирохлор (лейкоксен, циртолит, малакон, сфалерит, азурит).
Немагнитная фракция: (флогопит, турмалин, сфен), азурит, малахит, перовскит, борнит, халькопирит, молибденит, арсенопирит, циртолит, малакон, рутил, касситерит, бадделеит, марказит, кобальтин, доломит, шпинель, киноварь, торианит, циркон, сфалерит, дистеп, силлиманит, шеелит, медь, золото, флюорит, барит, корунд, галенит, топаз, алмаз, апатит.
Благодаря присутствию изоморфных примесей элементов — магнитофоров, а также наличию механических включений, некоторые обычно немагнитные минералы могут выделяться в электромагнитную фракцию. В свою очередь отдельные минералы последней, например безжелезистые гранаты, слюды, турмалин, частично диопсид, форстерит, безжелезистый и не содержащий TR сфен и другие, могут при сепарации проходить в немагнитную фракцию.
Электромагнитная сепарация обычно осуществляется при помощи электромагнита, питаемого от осветительной сети, аккумулятора или батарей. Для изменения напряжения магнитного поля в цепь включают переменное сопротивление. Напряжение может быть изменено (увеличено или уменьшено) и путем изменения расстояния между полюсами электромагнита.
Имеется много различных конструкций электромагнитов и работающих на том же принципе электромагнитных сепараторов.
На рис. 34 изображена одна из простейших конструкций электромагнита, работающего на переменном токе (через выпрямитель). Электромагнит имеет раздвижные полюсы, напряженность магнитного поля регулируется сопротивлением.
Сепарация минералов

В практике многих минералогических лабораторий вместо электромагнита пользуются постоянным магнитом высокой интенсивности. Одна из наиболее удачных конструкций такого магнита предложена А.Я. Сочневым — магнит типа С-5 (рис. 35). Изготовленный из специального сплава «Магнико», магнит Сочнева имеет четыре рабочих зоны, позволяюшие последовательно отбирать четыре фракции минералов с удельной магнитной восприимчивостью более 20—10в-6 CGSM: ферромагнитную (магнетитовую), среднемагнитную (хромито-ильменитовую), слабомагнитную (гранато-вольфрамитовую) и очень слабомагнитную (монацитовую).
Сепарация минералов

Электростатическая сепарация. Этот метод разделения минералов основан на их различной электропроводности.
По своему поведению в электростатическом поле все вещества, как известно, разделяются на две группы: проводники и диэлектрики. Попадая в электростатическое поле, диэлектрики поляризуются, диполи отдельных молекул в них ориентируются в направлении поля. В результате на поверхности частиц возникают фиктивные заряды, имеющие противоположные знаки по сравнению со знаками электродов (к положительному электроду обращен отрицательный фиктивный заряд диэлектрика и наоборот).
Проводники в аналогичных условиях электризуются по влиянию и на поверхности частиц возникают противоположные по знаку избыточные положительный и отрицательный заряды, которые могут быть легко разделены.
При соприкосновении с электродом проводники быстро заряжаются одноименно с ним и отталкиваются от электрода. Диэлектрики также перезаряжаются, но значительно медленнее.
Простейшим приспособлением для разделения смеси минералов в электростатическом поле является хорошо знакомая многим по школьным опытам физики эбонитовая палочка, электризующаяся отрицательно при трении о шерсть. Если к смеси мелких минеральных зерен, расположенных на поверхности какого-либо проводника (например, на металлической пластинке), поднести заряженную эбонитовую палочку, то минералы, обладающие хорошей проводимостью, притянутся ею, тогда как зерна плохих проводников останутся на пластинке. Этим простейшим способом рутил может быть отделен от касситерита, а зерна этого последнего — от сходных с ним зерен темноокрашенного циркона.
Более совершенные способы разделения минералов осуществляются при помощи электростатических сепараторов, одна из простейших конструкций которых схематически изображена на рис. 36.
Сепарация минералов

Электроды сепаратора представлены заземленными вращающимся барабаном (1), острием (2) и газовой (неоновой) трубкой (3). Острие и газовая трубка заряжаются отрицательно с разницей потенциалов между 1 и 2 = 15—20 кв. Разделяемый материал поступает из бункера (4) и подается на барабан специальным регулирующим питателем (5). Часть положительного электрода (барабана) экранируется пластинкой (8).
При достаточной разности потенциалов вблизи острия начинается ионизация молекул воздуха и создается поток ионов, направленный от острия к барабану («электрический ветер»). Отрицательные ионы оседают на поверхности сепарируемых минеральных зерен, находящихся в электростатическом поле, и увеличивают их заряд.
Зерна проводников практически мгновенно передают заряд барабану, перезаряжаются отрицательно, отклоняются от барабана по той или иной траектории (в зависимости от проводимости) и попадают в специальный приемник. Минеральные частицы с худшей проводимостью перезаряжаются медленнее и попадают в другой приемник. Наконец, плохие проводники увлекаются барабаном, удаляются с его поверхности вращающейся щеткой (7) и собираются в отдельном приемнике.
Варьируя положение отграничивающих плоскостей (6), скорость вращения барабана и разность потенциалов, в сепараторах такого типа удается выделить очень узкие по составу (а иногда и мономинеральные) фракции. Этим способом могут быть разделены рутил от циркона, ильменит от других рудных минералов, касситерит от сульфидов, шеелит от пирита, алмаз от сопутствующих ему других минералов и т. д.
На принципе «электрического ветра» основано и деление в електростатическом поле при помощи так называемого коронного разряда, возникающего при соответствующей разности потенциалов вблизи тонкого электрода.
Сепарация минералов

Ионы газа (воздуха), образующиеся вблизи коронирующего электрода, передвигаются к заземленному второму электроду (барабану) и заряжают отрицательно все минеральные частицы, попадающие в межэлектродное пространство. Минеральные зерна притягиваются к этому электроду, осаждаются на нем и после перезарядки попадают в тот или иной приемник. Схема лабораторного барабанного коронного электросепаратора показана на рис. 37 (по Олофинскому).
По поведению в поле коронного разряда Н.Ф. Олофинский все минералы разделяет на три группы — хорошо проводящие, полупроводящие и непроводящие (табл. 7). Минералы крайних групп в мелких зернах (<1 мм) легко разделяются друг от друга.
Сепарация минералов

Для лучшего разделения на электростатическом сепараторе поверхность минеральных зерен иногда активизируют увлажнением или специальной обработкой концентрата различными реагентами. Разность потенциалов, необходимая для разделения минеральных смесей, зависит в основном от электропроводности минерала и в меньшей степени от состояния поверхности частиц и формы зерен.
Специальные исследования Г. Джонсона показали, что на поведение минеральных частиц в электростатическом поле оказывает существенное влияние знак электродов. Одни из минералов при перемене знака электродов всегда отклоняются в сторону электрода только одного какого-либо знака. Минералы, отклоняющиеся только к положительному электроду, получили название «обратимых положительно» — ОП, а минералы, отклоняющиеся только к отрицательному электроду «обратимых отрицательно» — 00. Другие минералы не реагируют на перемену полярности электродов, являются «необратимыми» — HO. Наиболее легко, по данным Джонсона, происходит разделение обратимых минералов, имеющих разные знаки. В табл. 8 приводятся данные Джонсона, характеризующие отношение равных минералов к ориентировке поля и разности потенциалов, необходимые для отклонения траектории падающих минеральных зерен от вертикали.
Сепарация минералов

Диэлектрическая сепарация. Этот метод разделения минеральных смесей основан на различном поведении проводников и непроводников в электрическом поле, создающемся около электродов в непроводящей жидкой среде. Вблизи электродов, помещенных в непроводящую жидкость, возникает электрическое поле, линии которого сходятся в концах электродов. Если в это поле поместить смесь минералов, то частицы, характеризующиеся лучшей проводимостью (большей диэлектрической постоянной ε), по сравнению со средой, будут перемещаться в те участки поля, где напряженность его является максимальной и притянутся к электроду; минералы с диэлектрической постоянной меньшей ε жидкости, будут отталкиваться от электрода.
На этом принципе основано разделение минеральных смесей и концентратов в лабораторных приборах и диэлектрических сепараторах Описание их, а также методики разделения и характеристику применяемых сред можно найти в работах Е.В. Рожковой и Л.В. Проектровского и Н.Ф. Олофинского.
Простейший из этих приборов представляет собой стеклянный сосуд с вставляемой в него решеткой из изолированных друг от друга металлических прутьев, соединенных поочередно с двумя концами провода переменного тока (200—250 в). На концах этих прутьев — электродов и происходит выделение минералов. Подбирая жидкие диэлектрики с диэлектрической постоянной, имеющей промежуточное значение между диэлектрическими постоянными минералов, можно последовательно разделить последние на относительно узкие фракции.
Диэлектрические постоянные жидких сред, употребляемых для сепарации, приведены в табл. 9.
Сепарация минералов

Особенно удобно применение смесей взаимно растворяющихся жидкостей с различными диэлектрическими постоянными, например следующих пар: четыреххлористый углерод — метиловый спирт; керосин— нитробензол, бензол — фурфурол и др. Диэлектрическая постоянная таких смесей находится в аддитивной зависимости от объемных соотношений смешиваемых компонентов и может варьировать в широких пределах.
Сведения о диэлектрических постоянных минералов, имеющиеся в литературе, немногочисленны и разноречивы; последнее, вероятно, обусловлено изменчивостью свойств минералов, зависящих от их состава.
Имеющиеся данные сведены в табл. 10, основанную на материалах E.В. Рожковой и Л.В. Проскуровского, J.L. Rosenholz и D.Т. Smith.
Описанным методом могут быть разделены минералы, различающиеся по величине диэлектрической постоянной более чем на единицу 8.
Сепарация минералов