選別分離技術(shù)進(jìn)展

袁惠新 王 飛

過濾與分離

選別分離技術(shù)進(jìn)展

袁惠新*王 飛

（常州大學(xué)分離工程研究所)

選別分離技術(shù)包括色選、磁選、電選、浮選、沉選、篩選和風(fēng)選，在工業(yè)過程和三廢處理過程中被廣泛應(yīng)用。簡要介紹了幾種常用的選別分離方法及其應(yīng)用。

分離 色選 磁選 電選 浮選 沉選 篩選 風(fēng)選

0 前言

人們生活在一個混合物的世界里。自然資源和人們生活的環(huán)境都是混合物，而人們都是從這些混合物中獲取生活資源的。對自然資源的加工或處理過程，如采油、選礦、冶煉、食品加工以及生物制品生產(chǎn)等活動的主要過程，都是分離過程。 “垃圾只是有用的東西放錯了地方”。只要能有效地分離利用，垃圾也能變成寶貝。

混合物的分離過程是依據(jù)混合物內(nèi)相或組分的特性差異 （如密度、粒度、電性、磁性、吸附性等），通過分離劑的作用將混合物內(nèi)的相或組分分離的過程單元操作。分離劑包括能量分離劑 （如機(jī)械能、熱能、冷能等）和質(zhì)量分離劑 （如助濾劑）。選別分離過程都是物理分離過程，常用于非均相混合物的分離。有些是根據(jù)分離過程所用的分離劑來命名的，如篩選、風(fēng)選、磁選和電選等；有些是根據(jù)分離的依據(jù)——混合物內(nèi)相或組分的特性差異來命名的，如色選、浮選、沉選和磁選等。

1色選

色選是利用不同顏色物料反射光波的不同頻率或波長來分離的。色選 （color selector）技術(shù)是集光、機(jī)、電、氣等高科技成果于一體的快速分離、分撿技術(shù)，主要用于大米、花生、瓜子、芝麻等糧食中變黃、霉變等異色粒和雜質(zhì)的分選，是保證食品安全及品質(zhì)的重要技術(shù)。該技術(shù)最早由國外發(fā)達(dá)國家實現(xiàn)商品化，但由于技術(shù)壟斷，一直以來其生產(chǎn)商僅限于美國、英國、日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國家。

作為一個需要為全世界1/5人口提供優(yōu)質(zhì)、安全食品的農(nóng)業(yè)大國，糧食加工行業(yè)在我國的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。需求與供給之間的巨大落差為我國色選技術(shù)的發(fā)展提供了契機(jī)，國內(nèi)一些糧機(jī)企業(yè)瞄準(zhǔn)這一市場，開始涉足這一領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的色選技術(shù)經(jīng)歷了由單面色選到雙面色選，由CMOS傳感器到CCD，由模擬到數(shù)字的發(fā)展歷程，技術(shù)日臻成熟，但色選技術(shù)還沒有停滯，反而發(fā)展越來越快。在未來的幾年，數(shù)字化色選主要向兩個方向發(fā)展。一是向大生產(chǎn)量色選技術(shù)發(fā)展，性價比進(jìn)一步提高；二是向雜糧、脫水蔬菜、化工、礦石等領(lǐng)域發(fā)展，系統(tǒng)模塊化配置。圖1為色選機(jī)工作原理圖。

色選技術(shù)雖然誕生在國外，但由于我國民族企業(yè)勇于探索、自主創(chuàng)新，打破了國外的壟斷，加快了我國糧食加工行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前色選行業(yè)在我國已經(jīng)成為一個漸趨成熟的產(chǎn)業(yè)。隨著色選機(jī)的不斷良性競爭，我國色選技術(shù)不斷趨于完善，將與世界同行比翼齊飛。在我國的新疆、寧夏等地都在使用這種技術(shù)對枸杞、葡萄進(jìn)行分離選擇，并且取得了不錯的效果。

圖1 色選原理

2 浮選

浮選是從液體中分離固體或液態(tài)顆粒的分離單元操作，被分離的顆粒密度與介質(zhì)的密度相近。在工藝上是利用高度分散的微氣泡吸附懸浮顆粒，使其成為視密度小于液體介質(zhì)的復(fù)合體而上浮到懸浮液表面，實現(xiàn)兩相分離的目的。浮選是一種約定俗成的稱呼，實際上更為科學(xué)的名稱應(yīng)該是鼓泡與泡沫分離 （鼓泡吸附分離）。值得指出的是，實現(xiàn)浮選分離有兩個基本前提： （1）必須向懸浮液中提供足夠數(shù)量的微細(xì)氣泡，氣泡直徑必須適當(dāng)； （2）固體或液體顆粒必須具有疏水性質(zhì)或使其具有疏水性質(zhì)，從而可附著于氣泡表面。

浮選技術(shù)最初應(yīng)用于濃集礦物，以后逐漸應(yīng)用于處理造紙廢水、機(jī)械廠乳化液廢水、鋼鐵廠廢水、印染紡織廢水、合成橡膠廢水和污泥濃縮等。浮選技術(shù)也從常規(guī)走向高效，并在不斷向更加高效的目標(biāo)發(fā)展。

3 沉選

相對于浮選還有沉選，其沉選劑的密度大于介質(zhì)密度，所形成聚集體的表觀密度大于介質(zhì)，顆粒聚集體運動方向與浮選相反，向下運動從而實現(xiàn)分離，我們把這種過程稱為沉選。如活性炭吸附分離；工業(yè)選礦中利用各種不同密度的可溶性高密度無機(jī)鹽或高密度有機(jī)液體 （杜烈液、四溴乙烷、三溴甲烷等）從金剛石和石墨混合物中分離不同粒徑的金剛石；利用不同的重液濃度分離出不同粒徑的煤炭等。沉選與浮選的關(guān)鍵就是找出經(jīng)濟(jì)有效的介質(zhì)，從而得到不同要求的產(chǎn)品。

4 篩選

篩選是利用篩面對一定大小顆粒的截留作用將顆粒按照粒度大小分離的單元操作。這種分離即為分級。不同尺寸的各種粒狀、片狀或團(tuán)狀的固體顆粒的混合物通過篩子分成若干粒級，每個粒級中所包含的顆粒均在規(guī)定顆粒的最大和最小尺寸范圍內(nèi)，即借助孔徑不同的兩種篩孔可限定一個粒級范圍，其中較小孔徑的篩子把這一粒級的所有顆粒全部截留住，而較大孔徑的篩子則使所有顆粒全部通過。篩選廣泛應(yīng)用于粒狀或粉狀物料按規(guī)定的粒度范圍的分離。如從干燥機(jī)中出來的砂糖，晶粒大小不一，帶有團(tuán)塊和糖粉，必須經(jīng)篩選分級處理。通過篩選可得到不同粒度大小的煤與礦石。

篩選的另一種應(yīng)用是脫水。篩分脫水是物料以薄層通過篩面時發(fā)生的水分與顆粒脫離的過程。從原理上講，篩分脫水是一種在重力場下進(jìn)行的過濾過程。篩分脫水一般應(yīng)用于0.5mm以上的較粗物料的脫水，也可以應(yīng)用于粒度范圍為0.1～1 mm的較細(xì)物料的脫水，在對錫、銅、鉛、鋅礦石、金剛石以及煤的加工中應(yīng)用得很普通。在選煤廠中，洗選后的精煤和粗粒煤泥的脫水也常用脫水篩脫水，而且精煤脫水篩能同時把大量的煤泥洗去，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

5 風(fēng)選

風(fēng)選一般用于分離兩種用篩選或浮選等其他選擇方法不能分離或是使用上述方法經(jīng)濟(jì)不合理的固體顆粒分離，它是依據(jù)兩種固體的密度不同而達(dá)到分離目的的。主要原理是在風(fēng)場力的作用下，使物料產(chǎn)生一個初速度，由于沉降速度不同，其在相同的風(fēng)力下得到的初速度也不同，從同一高度落下后，其水平方向通過的距離不同，從而達(dá)到分離的目的。圖2即為風(fēng)選微粒的工作原理。圖3為風(fēng)選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 風(fēng)選微粒沉降工作原理

圖3 風(fēng)選機(jī)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在大部分農(nóng)村還在利用風(fēng)選機(jī)來分離糧食和其外殼，得到更純凈的糧食。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，利用風(fēng)選除雜系統(tǒng)來分離原料里夾雜的雜物。由于原材料與麻絲、紙片、塑料之間懸浮速度存在差異，在垂直氣流的作用下，麻絲、紙片、塑料等輕質(zhì)物料會隨著氣流上升，而原材料會在重力作用下下降，在風(fēng)場與重力的雙重作用下，實現(xiàn)輕質(zhì)雜物與較重質(zhì)原材料的分離。風(fēng)選技術(shù)還被應(yīng)用于煙草行業(yè)中分離煙葉、煙絲。

6 磁選

磁選這種分離方法是在磁選機(jī)里借助磁力對被處理的物料粒子的作用不同而實現(xiàn)的。磁選的方法可以獲得兩種或多種的產(chǎn)品。早在17世紀(jì)人們就嘗試用磁鐵選別磁礦石。在長期的生產(chǎn)實踐中，磁選方法獲得了巨大的發(fā)展，理論上亦日臻完善，在實踐上已經(jīng)深入到分離微細(xì)粒磁性礦物的各個方面。30年來高梯度磁分離的出現(xiàn)以及超導(dǎo)材料在磁選中的應(yīng)用，大大拓展了磁分離的應(yīng)用范圍。它是分離極限顆粒-粗粒和微米級弱磁性礦物顆粒的一種有效方法。今天磁分離不僅廣泛應(yīng)用于礦物加工、鋼鐵廠和發(fā)電廠的水處理，而且也為煤炭工業(yè)、非金屬工業(yè)、原子能工業(yè)、化學(xué)工業(yè)甚至生物化學(xué)工業(yè)中遇到的顆粒系統(tǒng)的選擇性分離問題，提供有效的解決途徑。

應(yīng)用磁選分離的物料在磁場中同時受到磁力和機(jī)械力的作用。機(jī)械力包括重力、慣性力、離心力和流體阻力等。對于磁性較強(qiáng)的顆粒，磁力超過機(jī)械力；對于磁性較弱的顆粒，機(jī)械力超過磁力；最終合力決定了顆粒的運動軌跡。如圖4所示，通過磁選可獲得兩種或多種產(chǎn)品。

圖4 磁選機(jī)工作原理

由于所處理的礦石的磁性、粒度及其他物理性質(zhì)的不同，目前采用的磁選機(jī)的類型很多。根據(jù)承載礦粒的介質(zhì)分類分為：干式磁選機(jī)、濕式磁選機(jī)；根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小分類分為：弱磁場磁選機(jī)、強(qiáng)磁場磁選機(jī)；根據(jù)產(chǎn)生磁場的方法分類分為：永磁鐵磁選機(jī)、螺線管磁選機(jī)、超導(dǎo)磁選機(jī)；根據(jù)磁場類型分類分為：恒定磁場磁選機(jī)、旋轉(zhuǎn)磁場磁選機(jī)、交變磁場磁選機(jī)、脈動磁場磁選機(jī)等。

7 電選

電選又稱靜電分離，它利用物質(zhì)的摩擦特性、導(dǎo)電特性、介電常數(shù)差異，使靜電力、重力、離心力等力有效地作用在所有粒子上面而實現(xiàn)分選。靜電工藝簡便，易于維修操作，且設(shè)備本身有積塵作用；由于是干式作業(yè)，因此不存在廢水污染及處理問題，有利于環(huán)境保護(hù)和勞動保護(hù)。電選在工業(yè)上的應(yīng)用始于1908年，此后相當(dāng)長一段時期內(nèi)并無多大進(jìn)展，但在20世紀(jì)50年代末期，特別是近年來許多國家對用電選法來選別分離弱磁性鐵礦日益重視，進(jìn)行了許多研究工作，在試驗室和半工業(yè)連續(xù)試驗中獲得了較為滿意的結(jié)果。用電選法分離弱磁性鐵礦石的效果良好，具有選別效率高，適應(yīng)粒度范圍較大，礦石選別前不需要磁化焙燒，分離過程不消耗藥劑，不需用水因而可以無需濃縮、過濾、脫水設(shè)備等優(yōu)點。電選是有著巨大發(fā)展?jié)摿蛷V闊市場前景的技術(shù)。目前，該技術(shù)已不僅僅應(yīng)用于冶金選礦方面，電選已被應(yīng)用于某些化工類礦物及其他物料的分選，例如鉀鹽、巖鹽以及磷灰石等的分選，因為這些產(chǎn)品的需求量越來越大，故用電選處理的量也會隨之而增加。此外在農(nóng)業(yè)、糧食加工及礦種選擇上也有應(yīng)用并呈擴(kuò)大的趨勢。浙江臺州等地的廢舊物質(zhì)回收業(yè)和廢舊塑料回收業(yè)正在形成一種產(chǎn)業(yè)，在回收非鐵金屬及塑料方面，大量采用電選的可能性也日益提到議事日程上來。電選技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于貴金屬渣、鑄砂以及飛灰的分離等新領(lǐng)域中。

8 結(jié)語

以上簡述了幾種選別分離的方法。在現(xiàn)實生產(chǎn)中選擇分離方法時，不但要根據(jù)混合物內(nèi)相或組分的特性差異，而且還要考慮設(shè)備的制造、設(shè)備的強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)效益等方面的問題；有時為了滿足工藝要求，甚至還需要幾種分離方法相結(jié)合對一種物料進(jìn)行不同段的分離處理。

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TQ 02

2010-11-22）

*袁惠新，男，1957年8月生，博士生導(dǎo)師，教授。常州市，213016。