选矿设备-陶瓷过滤机的工作原理和应用

bjsn2008

陶瓷过滤机是一种性能良好的固液分离设备,设备结构与圆盘真空过滤机相似,具有自动化程度高、能耗低、操作简便、滤饼水分低、滤液清澈、劳动强度低、性能可靠等优点。在铅锌矿的精矿脱水生产中,得到了成功应用,并取得了显著的经济效益和社会效益。本文将简单介绍其工作原理并对陶瓷板的化学清洗机理作一些探讨。
1 　基本原理
PC陶瓷过滤机采用微孔陶瓷板作为过滤介质,应用毛细效应原理,在过滤时只允许滤液通过过滤板,空气无法通过,既能保证过滤进行,又不失去真空或压力,实现了无空气消耗过滤。毛细效应原理应用于脱水过滤是圣诺集团陶瓷圆盘过滤机的独创之处[1～2 ] 。它基于微孔中产生的毛细上升。所谓毛细上升指的是将直径为D 的毛细管插入水中后,由于水的表面张力和水与管壁间的亲水作用,毛细管内的水面高于管外液面,且呈凹形的现象。此现象可用开尔文(Kelvin) 定律来描述。即:ΔP =4τcos θD= ρg h式中ΔP 为毛细作用力,kPa ;τ为表面张力,τ= 0. 070NPm;θ为润湿角, (°) ; D 为微孔直径,m;ρ为液体密度,ρ= 1 000 kgPm3 ;g 为重力加速度,g = 9. 81 mPs2 ; h为水柱高度,m。利用亲水性材料烧结氧化铝制成滤板,其独特之处是形成均匀的微孔。经计算,当这些特殊的微孔形成毛细效应时,微孔直径为1. 5μm 和2. 0μm 时,毛细作用力分别为186 kPa 和140 kPa 。当微孔内毛细作用力大于微孔两端压力差时,微孔内将保持充满液体,保持空气不会通过微孔。当滤板浸入矿浆中时,在没有外力的情况下,借助毛细效应产生的自然力开始脱水过程,矿浆中的固体颗粒堆积在滤板表面上,形成滤饼,脱水连续进行,滤液通过滤盘进入滤液管道连续排出,直到排干为止。整个过程只需1 台非常小的真空泵,即可将滤液排出。滤板具有一定的机械强度和抗酸、碱度。
2 PC陶瓷过滤机结构和工作过程
2. 1 　PC陶瓷过滤机结构陶瓷过滤机主要由矿浆槽、搅拌器、筒体、管道及PLC 可编程序等组成。PC陶瓷过滤机除滤液泵需另安装在过滤机3 m 以下的平面外,所有部件,包括矿浆槽、主传动轴、滤盘、刮刀、搅拌装置、分配阀、超声波清洗器、真空泵、酸泵、滤液桶、超声波液位计、控制盘、电气柜及其有关阀门、管路等均安装在一个坚固的底座上,形成一个结构紧凑、完整的设备。
2. 2 　PC陶瓷过滤机工作过程陶瓷过滤机的工作过程包括滤饼成形、滤饼干燥、滤饼卸料、反冲洗及定期清洗等步骤。整个工作程序由可编程序控制器PLC 控制,可自动或手动连续进行。
1) 滤饼成形。随着主动驱动装置旋转,带动微孔滤盘,在无外力作用下毛细作用立即开始。真空泵造成几乎绝对真空,液体通过过滤盘进入滤液管道,固体颗粒迅速堆积在滤板表面,形成一定厚度的滤饼。
2) 滤饼干燥。滤盘随主驱动装置连续旋转,毛细作用不断,直到液体排尽为止,使得滤饼格外干燥。
3) 滤饼卸料。刮刀将滤饼从圆盘上刮下。
4) 反冲洗。在反冲洗阶段,滤液用于冲洗滤板,清除残留的滤饼并清洗滤板微孔,保持毛细孔畅通。
5) 定期清洗。PC陶瓷过滤机结构设计特点之一是配有1 个滤板自动超声波清洗装置,使滤板保持最高的工作效率。操作者可根据需要通过控制盘设定常规使用或定期使用,也可单独使用或与化学药剂清洗结合使用(即超声波加酸洗) ,灵活机动,有效地使滤板再生,长期保持滤板的高效性。如何通过清洗保证陶瓷板中毛细管的畅通而不被堵塞,这是保证PC陶瓷过滤机正常运转的关键。3 　滤盘的清洗滤盘的清洗是过滤循环中的关键步骤,每一块陶瓷板的过滤效率的高低在于被过滤的物料是否最大限度地从陶瓷板的微孔中被清除干净。每一过滤循环完成后,陶瓷板立即被反冲洗水清洗,反冲洗水的压力约为(0. 5～0. 8) ×105 Pa ,冲洗时间为2～5 s ,这样就洗掉了由于滤板与刮板之间的间隙所引起的残留滤饼及瓷片表面微孔中细小颗粒。但长时间的运行仅靠反冲洗水是不能将挤入过滤瓷片表面微孔中的细小颗粒及碳酸钙、硫酸钙等的化学物质清洗干净的,为了保持滤片的透气性,该机配备有超声波和酸洗的联合清洗,超声波振荡器安放在两个滤盘之间,清洗时箱体内部装有一定水位的水,超声波振荡器工作时,滤盘周围的水面就会产生很强的与机械刷洗的效果类似的气穴。为了加强清洗效果,还配合有酸洗,一般采用约含1 %的稀硝酸与反冲洗水同时清洗滤片,每次联合清洗间隔可根据实际情况而定。实际应用表明,每次清洗后,滤盘表面洁净程度与所过滤物料及清洗时间和所用清洗剂有关。针对堵塞微孔物质的物理化学性质,采用物理和化学清洗相结合的办法,应用不同的化学试剂及相应的方式,确保滤盘清洗达到理想效果。
4 　物料的粒级组成分析陶瓷过滤机过滤的物料来自浓密机底流,通过筛析和水析, 铅、锌、硫、混合精矿的粒级组成情况见
表2。
表2 　铅、锌、硫、混合精矿粒级组成
产品粒级
Pμm
铅精矿P% 锌精矿P% 硫精矿P% 混合精矿P%
分布负累积分布负累积分布负累积分布负累积
+ 76 3. 03 100. 00 1. 08 100. 00 3. 33 100. 00
- 76 + 40 2. 02 100. 00 26. 26 96. 97 21. 62 98. 92 17. 38 96. 67
- 40 + 20 6. 06 97. 98 12. 12 70. 71 45. 20 77. 30 28. 18 79. 29
- 20 + 10 36. 36 91. 92 30. 30 58. 59 20. 54 32. 10 16. 87 51. 11
- 10 + 5 25. 25 55. 56 12. 13 28. 29 4. 86 11. 56 19. 90 34. 24
- 5 30. 31 30. 31 16. 16 16. 16 6. 70 6. 70 14. 34 14. 34
合　计100. 00 100. 00 100. 00 100. 00
如表2 所示, 铅精矿矿粒特别细, - 5 μm 占30. 31 %,在高pH、高浓度状态下目视十分粘稠,堵塞微孔机会相当大(陶瓷板微孔名义尺寸2. 9μm) ;锌精矿属较细料浆, - 5μm 占16. 16 % ,在较高pH 值状态下过滤比较困难。硫精矿76～20μm 粒度含量相对较大, - 5μm 只占6. 70 % ,属较好过滤矿种,但因硫精矿在低pH 值状态下生产,产生的Fe (OH) 3 胶体易堵塞陶瓷板微孔,影响了硫精过滤机的过滤性能。
5 　化学清洗机理探讨
5. 1 　简单酸洗需要化学处理的物质主要有硫化铅、硫化锌和黄铁矿,以及处理这些矿物衍生的Fe (OH) 3 、碳酸钙、硫酸钙之类的化学物质,主要反应有:MS + 2H+ M2 + + H2 S
MO + 2H+ M2 + + H2O目的组分矿物在酸液中的稳定性决定于pH0T 值,pH0T 值小的化合物难被酸液洗出,pH0T 值大的化合物易被酸溶解。某些金属氧化物、硫化物的pH0T 值分别
列于表3。
表3 　某些金属氧化物、硫化物的pH0
298值
ZnO Fe3O4 Fe2O3 ZnO•Fe3O4 PbS ZnS FeS
5. 801 0. 891 - 0. 24 0. 6747 - 3. 096 - 1. 586 1. 726
从表3 可以看出, 在常温常压下, 除了ZnO、Fe3O4 、ZnO•Fe3O4 、FeS 可以简单酸溶外,其它物质都难以酸溶。
5. 2 　氧化酸洗[5 ]
对于不能简单酸溶的物质可以考虑先氧化后酸溶的方法。某些金属硫化物MS2H2O 体系的ε2pH 曲线 如图1 所示。图1 　MS2H2O 体系ε2pH图从图1 中曲线可知,金属硫化物虽然较稳定,但在氧化剂存在下,几乎所有硫化物在酸液或碱液中均不稳定,此时存在两类氧化反应:MS+12O2 + 2H+ M2 + + S + H2O
MS + 2O2 M2 + + SO42 -
不同硫化物在水溶液中的元素S 稳定区pH0上限和pH0下限不相同,表4 列举了主要金属硫化物的元素S 稳定区的pH0上限、pH0下限及M + 2e + S MS平衡线的平衡电位值ε0 。
表4 　元素S 稳定区的pH0上限、pH0下限、ε0 值硫化物名称pH0 上限pH0 下限ε0
FeS2 - 1. 19 - 4. 27 0. 423
PbS - 0. 946 - 3. 096 0. 354
ZnS 1. 07 - 1. 58 0. 264
FeS 3. 94 1. 78 0. 066
从表4 可知,只有pH0下限较高的FeS 等可以简单酸溶,大部份硫化物的pH0下限为负值,只有使用氧化剂才能将硫化物中的硫氧化。按工艺要求,可以通过控制酸洗pH值和电位,使硫化物中的金属转入溶液,使硫氧化为元素硫或硫酸根。凡口铅锌矿选矿厂使用的氧化剂为68 % HNO3 ,其被还原的电化方程及标准电位为:NO-3 + 3H+ + 2e HNO2 + H2O 　　ε0 = + 0. 94 V由上式及表4 可知,元素S 稳定区的pH0下限从高到低的顺序是FeS、ZnS、PbS、FeS2 ε0 从低到高的顺序亦是FeS、ZnS、PbS、FeS2 。当HNO3 氧化时,与以上矿物形成的电池电动势从大到小的顺序是FeS、ZnS、PbS、FeS2 。这也就是氧化酸洗难易的顺序。
5. 3 　草酸清洗
有些物质既不能简单酸溶又不易被氧化或者氧化后不能简单酸溶,如Fe2O3 等化合物,可以采用草酸使其形成草酸盐。许多金属草酸盐能形成络合物而溶于水,从而清洗了微孔。例如草酸铁能溶于草酸钾溶液中:
Fe2 (C2O4 ) 3 + 3K2C2O4 + 6H2O
2K3 [ Fe (C2O4 ) 3 ]•6H2O
采用草酸来清洗硫精矿陶瓷过滤机,就是依据上述机理。
5. 4 　物料预先处理
对于某些既不溶于酸也不被硝酸氧化的物料,可以在进入过滤机前进行预先处理,使其不产生或少产生这种物质,从而减轻清洗和过滤难度,如凡口铅锌矿的硫精矿过滤,就是在物料进入浓密机之前,加入了少量的石灰,将pH 值调整到9. 64 以上,使Fe2 + 首先形成Fe (OH) 2沉淀附着于矿物颗粒,并进一步氧化形成的Fe (OH) 3就不会堵塞微孔,清洗效果很好。
6 　清洗实践
6. 1 　清洗周期确定
陶瓷过滤机清洗周期是由陶瓷过滤机滤板的微孔大小、多少以及所过滤的物料性质决定的，具体到每一台设备,则视其过滤水量的大小变化。我们的做法是滤液量达到0. 12 m3 所需要的时间延长了1 倍即过滤能力下降了一半时就需要进行清洗。即每2 个班就要清洗一次。由于过滤机处理能力有富余,实际上每个班即8 h 清洗1 次。
6. 2 　清洗方法
通过摸索和生产实践,目前凡口铅锌矿引进的4台陶瓷过滤机的清洗方法分别是:铅、锌、混合精矿陶瓷过滤机采用硝酸2超声波结合使用方法;硫精矿陶瓷过滤机采用石灰2草酸2硝酸2超声波联合使用方法。
7 　结　　语
通过引进陶瓷过滤机,解决了长期困扰凡口铅锌矿精矿出厂水分高的问题。凡口矿作为国内第一家使用进口陶瓷过滤机的企业,在使用方面碰到了很多清洗难的问题,为了解决这些问题,并针对过滤的物料和陶瓷板堵塞的原因,做了大量深入细致研究探索工作,尤其在硫精矿过滤清洗方面,探索出石灰2草酸2硝酸3种化学药剂与超声波结合使用的新方法,解决了陶瓷板清洗难问题。这种清洗方法,在多家矿山已经得到推广应用。