Магнито-жидкостная сепарация

XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Магнито-жидкостная сепарация

Кишиневский Д.Д. 1
1МБОУ - Алданский лицей МР "Алданский район" РС(Я)
Фалина А.С. 1
1МБОУ - Алданский лицей МР "Алданский район" РС(Я)
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. При обогащении золотосодержащих шлихов до настоящего времени пользуются малопроизводительными, трудоемкими и иногда экологически вредными методами. Все это негативно сказывается как на экономических показателях предприятий, так и на экологической обстановке в районе добычи.

Магнитная жидкость была изобретена более 50 лет назад, но до сих пор ее свойства удивляют и завораживают, а возможности поражают воображение. Спрос научно-технических работников и экспериментаторов к магнитным жидкостям постоянно растёт, ими активно интересуются физики-механики. Они представляют большой интерес и для специалистов в химии, биологии и медицине, как за рубежом, так и в нашей стране: Арефьев И. М. «Применение магнитных жидкостей. Магнитная смазка», Р. Штольц «Техника молодежи». В то же время вопрос однозначного представления о механизме электропроводности магнитной жидкости остается открытым. Не ясным является и вопрос поведения магнитных жидкостей в электрическом и однородном и неоднородном магнитном поле. Применение магнитных жидкостей в промышленности и медико-биологических исследованиях предусматривает изучение особенностей их взаимодействия, как с поверхностью исполнительных механизмов технических устройств, так и с поверхностью клеток и тканей живых организмов.Магнитные жидкости как конструкционный материал обладают свойствами, которые во многом уникальны и трудно прогнозируемы. Возможность практического использования магнитных жидкостей в различных отраслях способствуют развитию фундаментальных исследований по их изучению [1]. Промышленное использование магнитных жидкостей у нас в стране пока еще весьма ограниченно, несмотря на явные технические преимущества магнитожидкостных герметизаторов [2] по сравнению с традиционными уплотнениями. К таким преимуществам относятся: практически нулевые утечки герметизируемой среды при заданных условиях работы, отсутствие износа вала и низкие потери мощности двигателя вследствие чисто жидкостного трения в зазоре между подвижными и неподвижными элементами, отсутствие необходимости в смазке, простота технического обслуживания, незначительные эксплуатационные расходы.

Цель работы: исследование возможности применения магнитожидкостной сепарации для извлечения золота из шлихов.

Для достижения цели поставлены задачи:

  • изучить состав и способы изготовления МЖ;

  • изучить историю использования МЖ;

- экспериментально исследовать свойства МЖ;

- определить возможности применения МЖ в золотодобыче.

Методы исследования: информационный; теоретическое исследование; сравнительный анализ; практическое исследование (рис.1); проектирование.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Магнитные жидкости - коллоидные растворы, состоящие из железных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии [3] в органическом растворителе или воде.

Рис. 1. Получение МЖ химическим способом.

Магнитные жидкости — это коллоидные растворы — вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать магнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах. Магнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Магнитные жидкости теряют свои магнитные свойства при своей температуре Кюри, которая для них зависит от конкретного материала магнитных частиц, ПАВ и несущей жидкости [4].

Первая МЖ была произведена в 1963 году в Америке Соломоном Стивеном Пайпеллом. В 1965 г. в СССР Дмитрием Васильевичем Орловым в Ивановском энергетическом институте. В 1970 г. в Германии Кайзером была создана МЖ на воде и органических растворителях. В 2000 г. в Японии Сачико Кодама разрабатывает технику «Ферромагнитная скульптура и картины». Сейчас МЖ изучают все передовые государства и в своих разработках ими пользуются NASA (уплотнители в космических кораблях), Ferrari (смазка валов), ВВС США (отражение электромагнитных волн от поверхностей техники, покрытой МЖ) [5]. Исследованием магнитной жидкости я занимаюсь с первого класса. Опыты проводил в лаборатории Алданского лицея научного общества учащихся «ЛОГОС». Первые мои работы были посвящены применению магнитной жидкости для ликвидации аварийных розливов нефти (ЛАРН) (рис. 2).

Рис. 2. Первые опыты с магнитной жидкостью.

Первый этап практической части - изготовление магнитной жидкости двумя способами. Первый способ - механический. Он более прост в исполнении. Тонер (рис. 3) лазерного принтера перемешивается с подсолнечным маслом, прогреваясь на водяной бане (рис.4).

Рис. 3. Тонер Рис.4. Водяная баня.

Второй способ – химический более сложный. Перемешал хлориды двух и трёхвалентного железа с дистиллятом. Затем, профильтровав (рис.5), влил смесь в аммиачную воду. Раствор из коричневого сразу стал чёрным (рис.6). Затем промывал и отцеживал железо (рис.7). Далее перемешал его с поверхностно-активным веществом, поставил на час в центрифугу и затем на кольцевой магнит [6].

МЖ уже при приготовлении проявляла магнитные свойства.

Рис. 5. Фильтрование. Рис.6. Смешивание. Рис. 7. Отстаивание.

 

Второй этап - исследование свойств МЖ. Первое свойство - отвердевание МЖ в присутствии магнитного поля. Магнитная жидкость является средой, сочетающей магнитные свойства с хорошей текучестью. Однако магнитное поле упорядочивает положение частиц железа в жидкости и делает её почти твёрдой. Это может позволить использовать МЖ как клапан или уплотнитель.

Рис.8. Текучесть. Рис.9. Твердость. Рис. 10. Нестабильность.

Следующее свойство - нестабильность в нормально направленном поле (рис. 8-9). Если налитую в чашу Петри магнитную жидкость поднести к магниту так, чтобы магнитные линии входили в неё вертикально, то на её поверхности „вырастают“ шипы, жидкость становится похожей на ежа (рис. 10). Это можно объяснить тем, что МЖ стабилизирует возмущения, вызванные магнитным полем, и силы поверхностного натяжения и тяжести. МЖ можно управлять с помощью магнита.

При воздействии на магнитную жидкость разными по силе магнитными полями можно наблюдать разные картины. Чем сильнее магнитное поле, тем тоньше и чаще иголочки «ежа» (рис. 11).

Рис. 11. Результаты воздействия разных по силе магнитных полей

Магнитная жидкость может быть источником тока. К миллиамперметру я подсоединил медный моток, затем вводил и выводил из него металлическую капсулу с магнитной жидкостью. Стрелка прибора, фиксирующего малые токи, пришла в движение, реагируя на движение. То есть МЖ, так же, как и магнит, может породить электрический ток. (рис. 12)

Рис. 12. Источник тока

Расчёт плотности магнитной жидкости провел по формуле (1):

ρ = m/V (1), гдеρ – плотность, кг/м3; m – масса, кг; V – объём, м3.

Рис. 13. Расчет плотности магнитной жидкости.

Для этого предварительно измерил массу МЖ на ученических весах с цифровой индексацией, объем определил с помощью измерительного цилиндра (рис. 13). Измерения проводил 3 раза. (табл. 1)

Таблица 1. Плотность магнитной жидкости

№/ величина

Масса,×10-3 кг

Объем, ×10-6м3

Плотность кг/м3

1.

24,01

24,7

972

2.

24,02

24,4

984

3.

24.50

24,9

984

Средние значения

24,18±0,01

24,6±0,1

980

Удивительно, но магнит в магнитной жидкости не тонет, хотя плотность его должна быть больше, чем плотность МЖ. Исходя из этих условий плавания, тело с плотностью большей плотность МЖ должно тонут, с меньшей плотностью - всплывать, а равной плотностью – плавать внутри жидкости. Магнитное поле неоднородно, и у поверхности магнита оно более напряжённое, поэтому давление жидкости вблизи магнита намного больше.

Условия плавания тел в МЖ не выполняются.Плотность доломита, известняка и др. пород ρ = 1400–2400 кг/м3. МЖ может выталкивать частички горной породы, которые обладают диамагнетическими свойствами (рис. 15). А вот золото в магнитной жидкости тонет. (рис.16).

Рис.12. Горные породы в МЖ.

Плотность ювелирных изделий из золота примерно равна 14500 кг/м3. При опускании золотого кольца оно пошло ко дну.

Рис. 16. Золото в магнитной жидкости.

В современном мире самородное золото встречается редко. Как правило, для получения чистого благородного металла применяют разнообразные методы, основываясь на его физических и химических свойствах. Существует 4 главных способа [7] получения золота: промывка, амальгамация, цианирование и регенерация.

Промывка. Данный метод относиться к ручному способу добычи, используется с самых древних времен и получил распространение благодаря высокой плотности золота. Минералы с меньшей плотностью просто смываются в потоке воды, в результате чего образуется шлих, состоящий из частиц песка и золота. Если объёмы небольшие, применяется промывочный лоток-лентяйка, их часто и используют старатели для отработки небольших россыпных месторождений. В крупных масштабах для получения золота используют драги (горно-обогатительные агрегаты), механическое оборудование способное работать под водой и при необходимости раскапывать дно реки. Промышленные приборы разной мощности для добычи золота так-же очень востребованное механическое устройство, имеющее большую популярность у старателей.  Полученные шлихи в этом случае могут содержать ряд других тяжёлых металлов, кроме золота. Для их выведения применяют другие способы получения золота, например амальгамацию.

Амальгамация. Ртуть при взаимодействии с золотом благодаря диффузии способна притягивать частицы драгоценного металла, не растворяя её и образовывая жидкий сплав, который называются амальгамой. Свойство ртути только смачивать золото забирая его в свою оболочку, не входя в химическую реакцию было взято за основу в методе амальгамации. Увлажнённую дробную породу смешивают с ртутью и оставляют на несколько часов для амальгамации, а затем удаляют остатки шлака. Нагревая амальгаму, отделяют ртуть от золота, получившийся шлам промывают и используют для дальнейшей обработки. Наибольший эффект достигается при максимально очищенных от масел и налетов золотых частиц, поэтому перед амальгамацией желательно провести химическую и механическую очистку.

Цианирование. Цианирование - гидрометаллургический химико-технологический процесс извлечения золота из кремнистых и серебряных руд, основан на факте, что золото и серебро хорошо растворяются в цианидах, к которым относятся цианистый калий и цианистый натрий. Реакция золота с цианидами происходит в присутствии кислорода, содержащегося в воздухе, после получения нужного раствора драгоценный металл осаждают металлическим цинком.

Данный способ включает в себя два этапа, которые имеют формулы:

  1. Обработка золотоносной породы раствором цианида натрия (менее 1%):

4Au + 8NaCN + O2+ 2H2O  →  4Na[Au(CN)2] + 4NaOH;

  1. Осаждение золота из цианоаурата натрия при помощи цинковой пыли:

2Na[Au(CN)2] + Zn  →  Na2[Zn(CN)2] + 2Au↓.

Цианирование становится невозможным, если руда содержит большое количество сульфидов или арсенидов, поскольку цианиды дают реакцию с этими веществами. Для отделения сульфидов от золота успешно применяют метод флотации, когда с помощью водного раствора выделяют частицы золота из рудной массы. Технологический процесс происходит в специальных флотационных установках и применяется формула раздела фаз, когда плохо смачиваемые водой твердые частицы драгоценных металлов отделяются от хорошо смачиваемых сульфидов.

Регенерация. Покрытие позолотой разных ювелирных и бытовых изделий часто используются в ювелирной, часовой промышленности и медицине обработки золотом медицинского оборудования. На сегодняшний день в связи интенсивным ростом выпуска электронной техники изготовители предъявляют повышенные требования к надежности готового оборудования.

Принимая во внимание этот факт, многие детали покрывают золотом и поэтому объемы гальванических и химических покрытий во много раз увеличились.Поэтому на многих ювелирных заводах и мастерских повышенное внимание пользуется регенерации (вывод) золота из отработанных растворов и электролитов. Также в связи увеличением сбыта лома радиотехнических деталей извлечение драгоценных металлов методом регенерации имеет повышенный спрос. 

Если посмотреть сточки зрения экологии, то все способы описанные выше наносят урон окружающей среде:

-промывка своими большими водозатратами и стоком отработанной мутной воды в водоемы,

-амальгамация вредными парами ртути,

- кучное выщелачивание цианидом натрия, который является сильнодействующим ядовитым веществом, особенно для организмов, использующих гемоглобин для кислородного обмена. При выщелачивании золота происходит попутное растворение различных примесей, содержащихся в руде, в частности, тяжелых металлов, которые образуют комплексные соединения.

Я предлагаю более широкое применение способа МЖ – сепарации в золотодобыче [8]. Перед вами принципиальная схема такого процесса. Руда, содержащая шлиховое, мелкое, пластинчатое золото (d =0,04 - 0,5 мм), подается в магнитную жидкость, где разделяется, золото оседает, а порода (d =1 - 4 мм) плавает внутри или всплывает. Если этому придать движение, то можно получить отдельную выгрузку (рис.17).

Рис. 17. Принцип работы МЖ – сепаратора.

МЖ сепарацию можно использовать:

  • На финишных операциях технологических процессов обогащения и стадиях доводки, в старательских артелях, с целью выделения из шлиховых продуктов благородных металлов. 

  • В геологоразведочных работах при обработке шлиховых проб. 

  • При отработке технологий извлечения драгоценных металлов и тяжёлых минералов из руд, россыпей и техногенных образований. 

  • Для учебных целей и научных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы:

  • Получена МЖ двумя способами.

  • Исследованы ее свойства.

  • Опытным путем определена плотность МЖ.

  • Исследованы условия плавания тел.

  • Исследованы основные способы извлечения золота.

  • Рассмотрена возможность применения МЖ в золотодобыче.

  • Предложена принципиальная схема МЖ – сепарации.

  • Определены дальнейшие пути исследования.

Список литературы:

  1. Еремин В. В., Дроздов А. А. Нанохимия и нанотехнологии. 10–11 классы. Профильное обучение. Учебное пособие – М.: Дрофа, 2009г.

  2. Горенков H.JL, Сычева М.Н., Турлычкин В.М. и др. Технология кучного выщелачивания золота из высокоглинистых кор выветривания //Цветные металлы, 2001, №12, с. 12-13.

  3. Дементьев В.Е., Строганов Г.А., Татаринов А.П. и др. Промышленные испытания сорбционного метода извлечения золота из продуктивных растворов кучного выщелачивания //Цветные металлы, 1993, №7, с. 63-64.

  4. Калаева С. З., Макаров В. М., Шипилин А.М. Способ получения магнитной жидкости из железосодержащих отходов производства // Известия высших учебных заведений. Серия «Химия и хим. Технология», Наука, 2002г.

  5. Портал «Магнитные жидкости» //www.magneticliguid.narod.ru

  6. Разумовская И. В. Нанотехнология. 11 класс. Учебное пособие. – М: Дрофа, 2009г.

  7. https://cvmet.misis.ru/jour/article/viewFile/603/342

  8. https://elibrary.ru/title_about.asp?id=57848

Просмотров работы: 11