فرآیند جداسازی مغناطیسی و انواع روش ها

1. معرفی

جداسازی مغناطیسی یک فرآیند جداسازی فیزیکی است که مواد را با توجه به حساسیت مغناطیسی آنها جدا می کند. از آنجایی که این فرآیند بر اساس خواص فیزیکی به جای شیمیایی است، جداسازی میتواند با تولید حداقل زباله ثانویه به دست آید.
جداسازی مغناطیسی تکنیکی برای حذف ضایعات و تغلیظ سنگ آهن است. دستگاه های جداسازی مغناطیسی معمولی به طور کلی به جداسازی مواد شدیدا مغناطیسی مانند آهن محدود می شوند.

ارائه میدان های مغناطیسی شدید پالسی یا ثابت (بین 5 تا 10 تسلا) در آزمایشگاه در حال گسترش است و زمینه های کاربرد در حال افزایش است. اثرات میدان های مغناطیسی شدید بر روی ماده در واقع بسیار زیاد است و کنجکاوی محققان را بیشتر می کند.

اثرات کوانتومی ، ترمودینامیکی ، مکانیکی در ماده تحت میدان مغناطیسی قوی مشاهده می شود. تصفیه آلودگی صنعتی و محیطی با جداسازی مغناطیسی در فرآیندهای خالص سازی گوگرد زدایی از زغال سنگ های مورد استفاده به عنوان سوخت در کوره های نیروگاه های حرارتی و الکتریکی استفاده می شود. این شامل کاهش محتوای خاکستر و سولفید (FeS2) موجود در توده زغال سنگ است. همچنین در تصفیه سیالات در نیروگاه های حرارتی یا هسته ای برای تولید انرژی الکتریکی با استخراج محصولات خاص یا خورنده استفاده می شود.

توسعه جداسازی مغناطیسی ذرات بر اساس بهبود گرادیان میدان مغناطیسی با شدت H بر حسب Ka/m است.(گرادیان به معنای تغییر تدریجی و منظم میدان در یک مسیر خاص می باشد) این روش فیلتراسیون خمیر از طریق چند لایه مغناطیسی انجام میشود. نشان داده شده است که انتخاب شکل قطب نقش کلیدی در به دست آوردن یک میدان مغناطیسی غیر همگن با حداکثر مقدار گرادیان دارد.

این ناهمگنی و یکنواختی میدان گستردگی بیشتر بخش مغناطیسی را تضمین می کند و با سهولت نفوذ آب از میان لخته های مغناطیسی به فرآیند شستشوی این بخش های مغناطیسی کمک می کند که روند جداسازی را ادامه می دهد. این شستشو ذرات غیر مغناطیسی را که به ذرات مغناطیسی چسبیده اند حذف می کند.اولین فیلترها توسط ترکنیچ و همکاران ساخته شد. این قطب ها از صفحات فلزی ساخته شده از فولاد ملایم با آهن زدایی سریع تشکیل شده اند، مانند هسته ترانسفورماتورها که معمولاً در جداکننده های گرادیان بالا استفاده می شوند.

در حال حاضر این جداکننده‌ ها شامل یک قسمت دوار (روتور) است که در آن ماتریس‌های پروفیل‌های مختلف مغناطیسی می‌شوند، و یک بخش ثابت (استاتور) که میدان مغناطیسی را با شار بسیار شدید متمرکز بر دیواره‌های جداسازی ماتریس‌ها ایجاد می‌کند. ویژگی جداسازی با گرادیان بالا، برقراری  سیستم الکترومغناطیسی است، که در آن یک القای بسیار بالا در هسته های حلقه فولادی الکتروتکنیکی ایجاد می شود که از طریق قالب ها عبور می کنند.

انتخاب شکل و ابعاد عناصر ماتریس جداکننده به شدت میدان بستگی دارد. با یک میدان مغناطیسی نسبتا ضعیف، جداسازی تنها در صورتی حاصل می‌شود که از یک محیط چند گرادیان استفاده شود که بتواند سطح نیروهای مغناطیسی مورد نیاز برای استخراج را بهبود بخشد. تقریباً همه انواع ماتریس های گرادیان بالا میدان مغناطیسی گرادیان مورد نیاز را فراهم می کنند . بنابراین شکل آنها برای انتخاب ذرات مغناطیسی بر اساس خواص مکانیکی و رژیم جریان سیال ضروری است.

برای به دست آوردن سطح نیروی مغناطیسی لازم برای استخراج، با یک میدان مغناطیسی نسبتا ضعیف، فقط باید از یک محیط چند گرادیان میدان استفاده کرد. امکان بازسازی آن باید بسیار اهمیت داده شود زیرا چرخه جداسازی هر بار تکرار می شود.

این بازسازی را می توان با چرخش روتور توضیح داد که با انجام همزمان چهار عملیات، ماتریس های جداکننده را در چرخش مداوم نگه می دارد، به ویژه: تغذیه ماتریس های جداسازی توسط خمیر (آب + محصول). مغناطش این محصول در ماتریس ها یافت می شود. لخته های جذب شده شسته و سپس به سطح جداسازی داخلی چسبانده میشود. مغناطیس زدایی پس از این عملیات چرخه جداسازی تکرار می شود.

یک محیط پلی گرادیان میتواند یک پشم فلزی،  مجموعه ای از صفحات راه راه که به صورت موازی چیده شده اند ، مجموعه ای از میله های فلزی موازی ، حجمی پر از توپ های فلزی باشد . از یک طرف، لازم است سطح استخراج موثر ذرات مغناطیسی افزایش یابد، و از طرف دیگرحداکثر تقریب شعاع انحنای عناصر سطح استخراج با توجه به اندازه ذرات ماده بازیابی شود.

با توجه به نتایج مطالعات انجام شده توسط کارمازین موثرترین ابعاد ذرات چسبنده بر روی سطوح مغناطیسی بین 0.04 تا 0.05 میلی متر است، زیرا این الزامات بیشترین سازگاری را با پشم فلزی دارد. ضخامت 0.1 میلی متر، مورد استفاده در جداکننده های چند گرادیان سرعت فیلتراسیون پایینی دارد، به سرعت توسط آخال ها و نمک های سخت غیر مغناطیسی مسدود می شود.

آزمایش‌ها نشان می‌دهند که حتی برای مقادیر کوچکی از قدرت میدان مغناطیسی، پشم فلزی به اندازه کافی استخراج خوب از ذرات بسیار مغناطیسی خمیر را فراهم می‌کند. از طرفی ، ساختار ریز متخلخل پشم فلزی باعث آزادسازی و عبور خمیر کاغذ نمی شود و شستشوی ذرات مگنتیت در شرایط صنعتی که تحت فشار زیاد آب انجام می شود. علاوه بر این، به دلیل جهت‌گیری مجدد میدان مغناطیسی، ذراتی که در حالت نسبتاً آزاد در سطح لایه‌های انباشته‌شده قرار دارند، گشتاور چرخشی را به دست می‌آورند.

هنگامی که آب آلی با روش جداسازی مغناطیسی با گرادیان بالا تامین شود، با تخلیه، چرخش ذرات استریل و ضعیف مغناطیسی آسان می شود که کیفیت کنسانتره را افزایش می دهد. کار ارائه شده به تجزیه و تحلیل توزیع میدان در فضای جداسازی برای ماتریس های مختلف مورد استفاده توسط ارزیابی کمی گرادیان میدان برای هر نقطه بین قطب های جداسازی مربوط می شود. هدف نهایی استفاده از این روش در کارخانه فولاد M’sila (الجزایر) است که از محصولات بازیافت آهن تولید می کند.

2.روشهای جداسازی مغناطیسی و مواد آزمایشی 

دستگاه مورد استفاده برای تحقق ماتریس ها از آزمایشگاه دانشگاه ملی Kryvyi Rih اوکراین، بخش غنی سازی مواد معدنی مفید است (شکل زیر). از سیم پیچ های جداکننده آزمایشگاه (1) دهانه ای برای محل قالب ها بین قطب های هسته مغناطیسی (2) یک هسته بیرونی سیم پیچ های سیستم مغناطیسی برای بسته شدن شار مغناطیسی (3) و مکانیزمی برای بستن قالب ها در داخل قطب های مغناطیسی (4) تشکیل شده است.

پنج نوع ماتریس وجود دارد که به صورت تجربی (شکل 2) برای جداسازی با گرادیان بالا با فرم های لخته ساز مغناطیسی استفاده می شود. پس از چندین آزمایش بر روی اجسام مغناطیسی شده، به عنوان مثال آنهایی که در شکل 3، a-d نشان داده شده اند. ما به فرم های نهایی ارائه شده در شکل 4، a-c رسیدیم. برای راحتی اندازه‌گیری‌ها و برای تمایز خوب خطوط میدان مغناطیسی، در ابتدا هر گروه از دندان‌ها را با اشکال مختلف در قطب‌های جلویی شکل‌های صاف بررسی کردیم.

شروع هر گروه از دندان ها با اشکال مختلف در قطب های جلویی شکل های صاف. ماتریس‌های مختلفی برای جداکننده‌های با گرادیان بالا استفاده می‌شوند.اگر مقدار آن بین 40 تا 60 درجه باشد، زاویه کار قطب های مغناطیسی در جداسازی مغناطیسی مؤثر می شود. با توجه به راحتی و سهولت ساخت در کار حاضر، زاویه این قطب ها برای هر گروه از دندان ها برابر با 45 درجه در نظر گرفته شده است.

از نمای بالا، فاصله بین نقاط اندازه گیری 5 میلی متر است، در هر دو جهت برای به دست آوردن شیب کم و بیش دقیق فرم مورد مطالعه. هر ماتریس انتخاب شده بین قطب های مغناطیسی دو سیم پیچ مغناطیسی و این قبل از منبع تغذیه DC آنها معرفی می شود و سپس سفت کردن توسط سیستم پیچ انجام می شود (شکل 1, b) و این کار پس از قرار دادن قالب ها بین این قطب های سیم پیچ انجام می شود.

جدا کننده مرحله بعدی اندازه‌گیری القای مغناطیسی برای هر یک از اشکالی است که در جلوی قطب‌های مسطح برای ساده‌سازی اندازه‌گیری‌ها استفاده می‌شود. e, f, g به نقاط جلویی که مربع های a’, b’, c’, e’, f’, g’ از شبکه های ترسیم شده بین اشکال مختلف قطب ها هستند همانطور که در شکل های زیر نشان داده شده است. پس از بدست آوردن مقادیر القای مغناطیسی توسط تسلامتر، نیروهای مغناطیسی و سپس شیب میدان این نیروها را محاسبه کرده و سپس منحنی گرادیان ها را بر اساس انواع و شکل ماتریس ها رسم کردیم.

در بخش دیگر این مقاله میتوانید درباره مطالعات نظری فرایند تصفیه مغناطیسی بخوانید