軟錳礦的微波干燥特性

蘇 曉 杜金佳 普 婧 阮榕生 段利平 陳 菓, 2, 3

(1.云南民族大學(xué) 云南省高校綠色化學(xué)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500；2.昆明理工大學(xué) 非常規(guī)冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093；3.中南大學(xué) 錳資源高效清潔利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083)

錳及其化合物廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，其中鋼鐵工業(yè)消耗量最大，占90%～95%。錳是煉鐵或煉鋼過程中的脫氧劑和脫硫劑，也可以用來制造合金[1-2]。軟錳礦的主要成分為二氧化錳，是一種常見的含錳礦物，但軟錳礦水含量高，采用高溫焙燒工藝提取錳時(shí)需經(jīng)過干燥預(yù)處理[3]。傳統(tǒng)的干燥方法通常采用外部加熱，物料溫度分布呈現(xiàn)外高內(nèi)低，熱量需經(jīng)過物料表面吸收后才能通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等傳熱方式逐漸傳遞至物料內(nèi)部，從而使物料內(nèi)部溫度不斷升高，然后物料內(nèi)部的水分從物料內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面，實(shí)現(xiàn)干燥。整個(gè)過程中熱量傳遞的方向與水分蒸發(fā)的方向相反，干燥速率較低[4]。微波干燥技術(shù)無需任何熱傳導(dǎo)過程，熱量可從物料內(nèi)部產(chǎn)生，且物料內(nèi)部和外部的水分同時(shí)被加熱，干燥過程中表里溫度較為均勻，物料溫度呈外低內(nèi)高分布，水分受熱汽化后產(chǎn)生巨大的壓差，形成的推動(dòng)力可使水分快速地由物料內(nèi)部轉(zhuǎn)移至空氣中，溫度梯度及傳熱方向與水蒸汽轉(zhuǎn)移方向相同，所受阻力小，干燥速率快、效率高[5-7]。如李新冬等[8]采用微波干燥褐鐵礦，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)加熱干燥相比，微波加熱褐鐵礦的脫水速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)加熱方式干燥的速率。PICKLES C A[9]利用微波干燥含褐鐵礦型紅土礦時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度在44～228 ℃內(nèi)，微波干燥的速率比常規(guī)干燥的高出2～3倍。LI L Z等[10]利用微波加熱輔助干燥褐煤研究時(shí)發(fā)現(xiàn)微波加熱可以有效提高褐煤的脫水速率，在微波功率231 W條件下干燥6 min，煤的熱值提高8.1%，硫含量降低68.6%。本研究基于微波可加熱的特性，采用微波技術(shù)干燥軟錳礦，重點(diǎn)研究了軟錳礦的初始含水率、樣品質(zhì)量及微波功率等對(duì)軟錳礦干燥效果的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

原料取自廣西大新縣軟錳礦，干燥前用行星式球磨機(jī)進(jìn)行破碎，篩取粒徑為80～250 μm部分進(jìn)行試驗(yàn)和分析。原料主要化學(xué)成分見表1。

表1 軟錳礦的化學(xué)成分

由表1可知，軟錳礦中的錳含量為53.64%，除錳以外，硅的含量為21.23%，同時(shí)鐵的含量較高，達(dá)到15.62%。

1.2 試驗(yàn)方法

稱取一定質(zhì)量的軟錳礦放入微波爐進(jìn)行微波干燥，每隔20 s用電子天平稱量一次加熱后軟錳礦的質(zhì)量直至樣品質(zhì)量讀數(shù)變化很小甚至不變，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究軟錳礦質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律。每次進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)值。含水率按式(1)進(jìn)行計(jì)算，干燥速率按式(2)進(jìn)行計(jì)算。最后分析相關(guān)影響因素對(duì)軟錳礦微波干燥過程的影響規(guī)律。

1）經(jīng)核查無線側(cè)有450個(gè)左右enodeb只對(duì)接了SGSN3，已經(jīng)協(xié)調(diào)無線廠家人員（中興約為200個(gè)基站，華為約為150個(gè)，貝爾約為100個(gè)）配全到所有SGSN的S1鏈路。

(1)

“蘑菇，你聽過那些關(guān)于我的傳聞？”當(dāng)手術(shù)結(jié)束，年僅10歲的男孩被推出手術(shù)室時(shí)，我脫下橡膠手套，反復(fù)清洗雙手用力甩干問身旁的實(shí)習(xí)醫(yī)生蘑菇，通常實(shí)習(xí)醫(yī)生是醫(yī)學(xué)院的在校學(xué)生。我為男孩刮除那顆在他頸椎上蓬勃生長的骨樣骨瘤，這顆超過2cm的腫瘤使他進(jìn)行性加重疼痛，側(cè)彎畸形，侵犯他的脊柱。清理縫合傷口，術(shù)前的深夜里，我在熒光燈下靜靜端詳男孩的CT片，他的骨骼和他的生命同樣稚嫩純真，還沾著清晨的朝露，而由硬化的骨質(zhì)圍成的巢盤踞著，腫瘤肆無忌憚地蔓延至椎弓根，周邊出現(xiàn)軟組織腫塊。

從圖2(a)可以看出，樣品質(zhì)量不同時(shí)，軟錳礦在微波干燥過程中依然經(jīng)過平緩期預(yù)熱，加速期脫水和穩(wěn)定期干燥完全3個(gè)階段。在同樣的微波功率下，軟錳礦完全干燥所用時(shí)間隨樣品質(zhì)量的增加反而縮短，30 g樣品完全脫水需要時(shí)間為280 s。從圖2(b)可以看出，干燥速率曲線仍由升速段和降速段組成，干燥速率先增后減。軟錳礦的最大干燥速率隨樣品質(zhì)量的增加而增大，且在干燥速率曲線的升速段，樣品質(zhì)量越大，干燥速率增加的速度越快，達(dá)到最大干燥速率的時(shí)間越短。10、20、30 g樣品的最大干燥速率分別為0.067 82 、0.076 44、0.090 60 %/s，樣品質(zhì)量越大，含有的水分總量越多，所吸收的微波能量也越多，大量的微波能量轉(zhuǎn)化為熱能，加速物料內(nèi)部水分的擴(kuò)散，因此干燥速率增大。此結(jié)果表明，微波加熱干燥技術(shù)更適用于樣品較多、質(zhì)量較大物料的干燥，這與常規(guī)加熱干燥技術(shù)有所不同。常規(guī)加熱干燥往往是樣品越少，水分?jǐn)U散得越快，干燥效果更顯著[11]。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，微波干燥技術(shù)因其獨(dú)特的加熱機(jī)制，對(duì)大規(guī)模的物料干燥表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。

(2)

固定試驗(yàn)條件：軟錳礦質(zhì)量為20 g、微波輸出功率400 W，研究初始含水率分別為8%、12%、16%時(shí)物料含水率和干燥速率隨時(shí)間變化，結(jié)果如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物料初始含水率的影響

式中，R—干燥速率，%/s；Mt—干燥過程中t時(shí)刻軟錳礦含水率，%；M(t+Δt)—干燥過程中(t+Δt)時(shí)刻軟錳礦含水率，%。

從圖1(a)可以看出，隨微波加熱時(shí)間的延長，軟錳礦含水率的變化大致可以分為3個(gè)階段：平緩期(Ⅰ)、加速期(Ⅱ)和穩(wěn)定期(Ⅲ)。在平緩區(qū)，物料從室溫開始接受微波能量，物料開始預(yù)熱，此時(shí)樣品吸收的微波能量還不足以使物料中的大量水分蒸發(fā)，所以樣品含水率呈緩慢下降趨勢(shì)。物料經(jīng)過平緩期的預(yù)熱后，吸收了足夠多的微波能量，內(nèi)部溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了水的沸點(diǎn)，大量水分加速蒸發(fā)，樣品含水率呈急劇下降趨勢(shì)。隨著物料內(nèi)水分的大量蒸發(fā)，剩余水分不多，物料的質(zhì)量變化開始變小并趨于平衡到達(dá)穩(wěn)定區(qū)。從圖1(b)可以看出，干燥速率在平緩期(Ⅰ)升高較為明顯，在加速期(Ⅱ)先逐漸增大到最大值，后又快速減小，在穩(wěn)定期(Ⅲ)緩慢減小到0。軟錳礦的干燥速率變化大致由升速段和降速段組成，整個(gè)干燥速率曲線呈先增后減趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著干燥時(shí)間的延長，物料中的含水率不斷下降，當(dāng)下降到一定程度時(shí)，樣品吸收的微波能量減少，故水分蒸發(fā)速度減緩，干燥速率減小。軟錳礦的最大干燥速率隨初始含水率的增加而增大，16%初始含水率的軟錳礦最大,干燥速率為0.089 64 %/s。這是因?yàn)楦吆实能涘i礦吸收的微波能量多，溫度升高快，內(nèi)部水分的汽化速度快，物料內(nèi)部和表面形成的壓差大，可使水分快速地由內(nèi)向外擴(kuò)散。

通過地面直達(dá)波或者反射波模型獲取土壤介質(zhì)的平均介電常數(shù)ε，即可以利用CRIM模型可以計(jì)算表層土壤的平均體積含水量：

圖1 物料初始含水率不同時(shí)的含水率-時(shí)間曲線和干燥速率-時(shí)間曲線Fig.1 Curves of moisture content and time (a), drying rate-time (b) with different initial moisture content

2.2 物料初始質(zhì)量的影響

固定試驗(yàn)條件：軟錳礦質(zhì)量為20 g、初始含水率為12%，研究微波輸出功率分別為400、550、700 W時(shí)，物料含水率和干燥速率隨時(shí)間變化，結(jié)果如圖3所示。

圖2 物料初始質(zhì)量不同時(shí)的含水率-時(shí)間和干燥速率-時(shí)間曲線Fig.2 Curves of moisture content and time (a), drying rate and time (b) with different initial mass of materials

這是一種含有校園內(nèi)部的體育信息和校園外的實(shí)時(shí)體育資訊的應(yīng)用程序。校園外的包含數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)觀賽表格、精彩賽事和視頻等。教師、學(xué)生可以在這個(gè)版塊討論、聊天。校園內(nèi)部的包含賽事活動(dòng)、健康講座等，可以讓學(xué)生及時(shí)掌握校園內(nèi)部的賽事情況和自身的身體健康。

式中，Mt—t時(shí)刻軟錳礦的含水率，%；M0—軟錳礦初始含水率，%；m0—軟錳礦初始質(zhì)量(含水分)，g；mt—t時(shí)刻軟錳礦的質(zhì)量，g。

2.3 微波輸出功率的影響

固定試驗(yàn)條件：軟錳礦初始含水率為12%、微波輸出功率400 W，研究物料初始質(zhì)量分別為10、20、30 g時(shí)，物料含水率和干燥速率隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖2所示。

圖3 微波輸出功率不同時(shí)的含水率-時(shí)間曲線和干燥速率-時(shí)間曲線Fig.3 Curves of moisture content and time (a), drying rate and time (b) with different microwave output power

從圖3(a)可以看出，微波功率不同時(shí)，軟錳礦干燥所需時(shí)間隨微波功率的增大而縮短，在微波功率400 W和550 W的條件下，20 g樣品完全干燥所需時(shí)間相應(yīng)為280 s、200 s，而在微波功率700 W時(shí)，同質(zhì)量樣品完全干燥所需時(shí)間僅為160 s。在相同的干燥時(shí)間內(nèi)(100 s)，微波功率700 W時(shí)，樣品含水率從12%下降到2.11%，而微波功率400 W，樣品含水率從12%僅下降到6.08%。這是因?yàn)槲⒉üβ试酱?，在相同時(shí)間內(nèi)釋放的微波能量越多，所以物料吸收的微波能量就越多，水分脫除的速度越快。從圖3(b)可以看出，軟錳礦的最大干燥速率隨微波功率的增大而增大，且在干燥速率曲線的升速段，微波功率越大，干燥速率增加的速度越快。微波功率400 W時(shí)，最大干燥速率為0.086 87 %/s，所需時(shí)間為80 s，而微波功率700 W時(shí)只需要25 s即可達(dá)到微波功率400 W條件下的最大干燥速率。以上結(jié)果說明，可通過加大微波功率來提高物料干燥速度，但這并不代表微波功率越高，對(duì)物料干燥越有利。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，過高的微波功率會(huì)引起軟錳礦的燒結(jié)，因此需要根據(jù)實(shí)際樣品量和含水率等指標(biāo)，選擇合適的微波加熱功率，從而既能滿足快速干燥的要求，又能保證干燥后軟錳礦的質(zhì)量。

3 結(jié)論

1)微波干燥脫水過程可分為平緩期預(yù)熱，加速期脫水、穩(wěn)定期干燥完全3個(gè)階段，干燥速率曲線由升速段和降速段組成。干燥速率在平緩期增大，在加速期先增至最大值后逐漸減小，在穩(wěn)定期緩慢減小。

2)軟錳礦微波干燥所需時(shí)間隨樣品初始含水率的增加而增加，隨樣品質(zhì)量、微波功率的增大而縮短，而軟錳礦的最大干燥速率隨樣品初始含水率、樣品質(zhì)量、微波功率的增大而增大。軟錳礦初始含水率為12%，樣品質(zhì)量分別為10、20、30 g，微波功率為400 W時(shí)，樣品的最大干燥速率分別為0.067 82、0.076 44、0.090 60 %/s。

3)微波干燥效率高、能耗少、干燥速率快、干燥效果顯著，但實(shí)際應(yīng)用中為避免燒結(jié)現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)根據(jù)樣品初始質(zhì)量、含水率指標(biāo)選擇合適的微波加熱功率。