摩擦靜電分選技術(shù)研究與應用進展①

申有悅，邵懷志，楊 曉，陶東平

（山東理工大學 資源與環(huán)境工程學院，山東 淄博 255091）

傳統(tǒng)選礦技術(shù)大多屬于濕式分選，需要在水介質(zhì)中進行，比如廣泛應用的浮選不僅需要消耗大量水資源，而且需要添加多種化學藥劑，產(chǎn)生大量有毒有害廢水，其中所含的重金屬離子、藥劑、懸浮物等對水體造成嚴重污染，對生態(tài)環(huán)境造成很大危害；同時有毒廢水還會滲入地下土壤中，超過土壤的自我凈化能力，對農(nóng)作物生長產(chǎn)生不利影響［1］。另外，濕法選礦技術(shù)無法應用于干旱缺水地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)，也不適用于低品位礦物加工的預拋尾作業(yè)［2］，因此干法選礦技術(shù)越來越受到重視。

摩擦電選是一種干法選礦技術(shù)，能耗低、流程簡單，廣泛應用于農(nóng)業(yè)產(chǎn)品清潔化生產(chǎn)、粉煤灰脫碳、礦物提純、混合塑料分離、電子廢棄物回收、食品凈化等領(lǐng)域，并取得了良好的效果。該方法不使用藥劑、選別過程無需脫水，也不改變物料的物理化學性質(zhì)，不僅更加環(huán)保和經(jīng)濟，而且在干旱和嚴寒地區(qū)具有更廣闊的應用前景。

本文主要介紹了摩擦靜電分選技術(shù)與設(shè)備的研究進展，總結(jié)了該技術(shù)在粉煤灰脫碳、礦物提純、廢舊塑料回收方面的應用現(xiàn)狀，展望了該技術(shù)未來的研究和發(fā)展方向，可為摩擦靜電分選技術(shù)進一步發(fā)展提供參考。

1 摩擦靜電分選原理

摩擦靜電分選是一種有效的細顆粒干法分選技術(shù)，該技術(shù)利用目的礦物與脈石礦物顆粒導電率和介電常數(shù)等電性質(zhì)的差異，在高壓電場中進行分選［3］。物料經(jīng)摩擦后，帶電性質(zhì)以及帶電量均會發(fā)生變化。圖1為帶正電顆粒在電場中的受力情況，顆粒進入電場后，同時受到靜電力、重力、氣體阻力和氣體曳力的作用，幾種力的合力決定了顆粒在電場中的運動軌跡。靜電力為帶電顆粒提供水平加速度，因此顆粒的水平運動狀態(tài)受靜電力影響，而顆粒穿過分選室所用時間受制于顆粒的垂直運動狀態(tài)。

圖1 帶正電顆粒在電場中的受力示意

由水平位移定義可得顆粒運動軌跡的表達式［3］為：

式中m為顆粒質(zhì)量；x為水平位移矢量；t為時間；E為電場強度；q為顆粒帶電量。

若考慮空氣阻力和黏度η，半徑為r的球形顆粒水平運動軌跡可表示為：

由式（2）可得顆粒速度與時間的函數(shù)關(guān)系為：

當t→∞時，顆粒離開電場之前的水平速度可表示為：

在這些條件下，顆粒離開電場之前的水平速度與顆粒質(zhì)量無關(guān)。但當時間t在毫秒范圍內(nèi)時，質(zhì)量對顆粒的水平運動影響較大從而對分選效果產(chǎn)生很大的影響。

顆粒在垂直方向的運動受到重力和氣體阻力的作用，理論表達式為：

式中η為氣體動力學黏度；g為重力加速度。

式（4）和式（6）表明顆粒的運動軌跡受顆粒所帶電荷量、顆粒質(zhì)量、顆粒半徑以及電場強度的影響。顆粒的運動軌跡差別越大，分選效率越高。因此可以通過增加電場強度和增大顆粒表面電荷密度來提高分選效率。不同粒度的負電荷顆粒的典型運動軌跡如圖2所示。在電場力作用下，它們向電場的正極偏移，這樣就可以與向電場負極偏移的帶正電荷的顆粒分離。

圖2 電場中帶負電荷的不同粒度顆粒的運動軌跡

2 摩擦靜電分選設(shè)備

摩擦靜電分選設(shè)備按照摩擦起電器輸送礦粒方式的不同可以分為兩類：一類是以機械力輸送礦粒摩擦荷電，如帶式摩擦起電器；另一類是以氣流輸送礦粒摩擦荷電，如流化床式摩擦起電器、旋流器式摩擦起電器和旋轉(zhuǎn)摩擦起電器等［4］。機械力輸送礦物摩擦起電時，給礦量大小直接影響荷電效果，給礦量大時，多數(shù)礦粒無法接觸起電器，致使電選分選效率下降。流化床摩擦起電器存在的問題是微細顆粒難以流態(tài)化，從而難以分選。旋流器式摩擦起電器由于細顆粒集中在旋流器中心而造成荷電不足，分選效果欠佳。文獻［5］設(shè)計了矩形管式摩擦電選機，但該設(shè)備摩擦荷電效果不理想，而且容易出現(xiàn)磨損和堵塞。文獻［6］設(shè)計了對輥擠壓摩擦起電器用于粉煤灰的分選，荷電效果較好，但設(shè)備易磨損，并且不適于粒徑小且吸附性強的粉體。美國STI公司研制出了STI皮帶式摩擦電選機［7］，這種電選機處理量大、荷電效率高，然而皮帶的磨損和堵塞問題制約了其進一步發(fā)展。文獻［8］改進了傳統(tǒng)的旋流器式摩擦起電器，將其成功應用于塑料、固體廢棄物等的荷電，但該起電器存在帶電礦粒在沉砂口易堵塞和電性中和、細顆粒容易直接從溢流管排出難以荷電等缺陷。文獻［9］發(fā)明了振動摩擦電選機，由于礦粒獲得的電荷量少，分選效果較差，并且有處理量小的缺點。文獻［10］發(fā)明的帶式摩擦電選機工作較穩(wěn)定，且處理量較大，但輸送帶磨損和堵塞問題嚴重，需要經(jīng)常更換輸送帶。

傳統(tǒng)摩擦電選機依靠高壓氣流帶動顆粒造成與摩擦起電材料的摩擦，多數(shù)顆粒與摩擦體表面接觸機會少，起電效率低，顆粒帶電密度低，導致分選困難。顆粒帶電量隨給料量增加而減少，設(shè)備放大后處理量增大導致該問題更嚴重，只能小裝置低處理量運行。而旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選機是一種新型自由下落式摩擦靜電分選機，它利用專門設(shè)計的旋轉(zhuǎn)起電器使顆粒帶電，通過給旋轉(zhuǎn)起電器施加外部電場，強化顆粒的起電效果，并可以獨立控制起電室和分選室［11］。摩擦材料與不同表面電性質(zhì)的粒子之間摩擦產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移的電荷不均勻或相反是電分離的前提。旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選機如圖3所示。分選過程如下：物料經(jīng)入料裝置給入，與進風風流一同進入旋轉(zhuǎn)摩擦輪中與旋轉(zhuǎn)摩擦輪接觸，在摩擦輪的轉(zhuǎn)動下，顆粒與顆粒之間、顆粒與摩擦材料之間互相碰撞摩擦帶電，并在外加電場強化作用下荷電。由于顆粒本身電子結(jié)合力等性質(zhì)的差異，待分選物料所帶電荷正負性及帶電量均不同，物料經(jīng)摩擦荷電后進入分選室，在高壓電場作用下不同電性的物料在極板之間發(fā)生偏移，因運動軌跡不同實現(xiàn)分離，達到分選的目的。

圖3 旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選機示意圖

文獻［12］開發(fā)出一種分離物料粒度可達10 mm的新型金屬／塑料顆粒靜電分離設(shè)備，該設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖4所示。該設(shè)備基于相互交錯的電極，其新穎之處在于對沉積在傳送帶上的金屬顆粒施加電黏附力，可用于分離平均粒徑1～10 mm的金屬／塑料顆粒。

圖4 新型金屬／塑料顆粒靜電分離設(shè)備

文獻［13］研究出的采用直線移動電極的摩擦靜電分選裝置如圖5所示，裝置由兩個極性相反的高壓直流供電電源構(gòu)成兩個“來回”移動的水平板電極，電極在微粉顆粒的流化床內(nèi)進行水平“來回”運動，以收集帶電顆粒。該設(shè)備中摩擦帶電和分離在同一區(qū)域同時發(fā)生。對平均粒徑100 μm的微粉白色聚氯乙烯顆粒和灰色聚氯乙烯顆?；旌蠘悠愤M行分選，結(jié)果表明該裝置具有良好的分選效果，且分選效果取決于電壓、電極運動速度、流化速度以及顆?；旌衔锝M成比。

圖5 采用直線移動電極的摩擦靜電分選機

綜上所述，國內(nèi)外關(guān)于摩擦電選機的研究已經(jīng)克服了許多問題，摩擦靜電分選設(shè)備逐漸趨于完善，但這些設(shè)備仍有許多不足之處。大多數(shù)研究和開發(fā)工作的目標是在充電步驟中獲得足夠的選擇性和足夠強度的電荷，以及解決充電和運輸微粒的空氣動力學問題，對摩擦電選的理論研究相對比較匱乏，其中對摩擦起電器形狀影響分選效率的研究涉及較少。因此，提高設(shè)備的處理能力、研究更加高效的摩擦靜電分選設(shè)備是科研工作者未來的重點研究方向之一。

3 摩擦靜電分選技術(shù)的應用研究

3.1 摩擦靜電分選技術(shù)在粉煤灰脫碳領(lǐng)域的應用

粉煤灰是煤燃燒過程中產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)品，回收利用粉煤灰中未燃碳對減少能源浪費和灰的堆積、提高灰的利用價值和利用率具有顯著的經(jīng)濟和環(huán)境意義；脫碳后的低燒失量粉煤灰是優(yōu)良的建筑材料、道路建筑材料，其中也含有多種高值功能性材料［14］。

粉煤灰摩擦電選脫炭是根據(jù)粉煤灰中炭和灰的功函數(shù)不同，通過摩擦使炭和灰顆粒帶上異種電荷，然后在同一靜電場中實現(xiàn)炭和灰的靜電分離。文獻［15］針對影響粉煤灰摩擦電選的因素進行了大量試驗研究，結(jié)果表明，顆粒粒度、電場強度、氣流速度和荷質(zhì)比對分選過程有顯著影響，化學改性方法可以有效改善煤和礦物顆粒的摩擦荷電性能，擴大煤與礦物顆粒摩擦異性荷電。文獻［16］利用旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選機對粉煤灰靜電分離脫碳進行了研究，結(jié)果表明，粒徑范圍0.038～0.074 mm時脫碳效果較好。他們也對荷電粉煤灰顆粒進行了動態(tài)分析，證實電極板電壓和修正風速是影響飛灰分離脫碳效率的關(guān)鍵因素，該研究結(jié)果對旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分離性能及其脫碳效率的提高具有重要意義［17］。文獻［18］利用Design-Expert系統(tǒng)中的Box-Behnken試驗設(shè)計，以脫炭效率為優(yōu)化指標，探究了粉煤灰摩擦電選脫碳的最佳試驗條件，結(jié)果表明，進風風速3.7 m／s、矯正風速1.8 m／s、分選室隔板寬度2∶1∶3、分選電壓40 kV時，獲得了較好的脫碳效率，且優(yōu)化值與實測值具有較高的吻合度。在后續(xù)研究中，采用Design-Expert系統(tǒng)中的Box-Behnken試驗設(shè)計方法，證實分選效率隨著摩擦輪轉(zhuǎn)速增加先增加后降低，隨著氣流速度增加不斷降低，隨著分選電壓增加不斷增加，摩擦輪轉(zhuǎn)速5 000 r／min、氣流速度1.5 m／s、分選電壓40 kV時，分選效率較高，為21.34%，微粉煤灰降灰效果良好［19］。該團隊還利用柴油對微粉煤灰表面改性強化旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選，與未改性的微粉煤灰相比，精煤灰分及硫分均降低，精煤產(chǎn)率提高，有效提高了旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選粉煤灰脫硫降灰效果［20］。文獻［21］使用旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選機將粉煤灰的燒失量減少到2%以下，證實旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選機在分選細粒煤方面的巨大潛力。

為研究摩擦器內(nèi)顆粒的運動特性，文獻［22］采用標準κ-ε湍流模型結(jié)合顆粒軌道模型，以粒徑10 μm和74 μm的球形顆粒為研究對象，研究了不同顆粒在不同結(jié)構(gòu)摩擦器內(nèi)的運動速度和運動軌跡，并采用紅外熱像技術(shù)對摩擦器內(nèi)的溫度場進行研究，結(jié)果表明，顆粒粒徑及摩擦棒分布是影響顆粒碰撞概率的重要因素，相同結(jié)構(gòu)的摩擦器中，大顆粒的碰撞概率優(yōu)于小顆粒；相同粒徑的顆粒在正三角形摩擦器中的碰撞概率優(yōu)于正方形摩擦器；且摩擦器內(nèi)溫度呈對稱分布，溫度較高的區(qū)域，顆粒的碰撞概率更大。在后續(xù)研究中，文獻［4］采用標準κ-ε湍流模型，結(jié)合顆粒軌道模型，以粒徑20 μm，40 μm和60 μm的球形炭、灰顆粒為研究對象，對不同進氣速率和摩擦輪轉(zhuǎn)速下的顆粒運動進行數(shù)值仿真，結(jié)果表明，影響顆粒在起電器內(nèi)運動行為的因素包括入口速率、摩擦輪轉(zhuǎn)速、顆粒粒徑及種類等。在研究粒徑范圍內(nèi)，顆粒粒徑越大，平均速率越大，摩擦起電效果越好。粉煤灰顆粒主要通過與起電器外殼內(nèi)壁面的碰撞摩擦以及顆粒間的碰撞摩擦進行荷電。文獻［23］研究了反向進料摩擦電選裝置中粉煤灰顆粒的受力情況，并通過分析不同操作條件下分選粉煤灰的燒失量探究出分選電壓越大，分選濕度越低，粉煤灰分選效果越好，粉煤灰進入電場的速度對分選效果影響顯著。文獻［24］提出了一種非線性電場結(jié)構(gòu)，通過建立幾何模型和CFD-DEM耦合計算，探索了粉煤灰顆粒在非線性電場中的分離過程，研究了粉煤灰靜電干法分離的主要影響因素，結(jié)果表明，采用非線性電場結(jié)構(gòu)實現(xiàn)粉煤灰高效脫碳是可行的，與平行板相比，非線性電場在實驗中具有更高的脫碳效率和更低的能耗。

與泡沫浮選分離相比，摩擦靜電分離投資和運行成本較低［25］，與目前燃煤電廠廣泛使用的干法粉煤灰排放方式更加兼容，利用摩擦靜電分離方法研究粉煤灰脫碳應用越來越多，但距實現(xiàn)電選粉煤灰脫碳的大規(guī)模工業(yè)應用仍有一段距離。

3.2 摩擦靜電分選技術(shù)在礦物提純領(lǐng)域的應用

文獻［26］利用旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選機對埃希迪亞磷礦進行分選，對脫泥和未脫泥的磷礦樣品進行選別對比。對于脫泥的磷礦樣品，當精礦品位為30.00%時，P2O5回收率為45.00%；而對于未脫泥的磷礦樣品，精礦最高品位僅為25.91%，此時P2O5回收率為7.64%。證實摩擦靜電技術(shù)可以對脫泥后的磷礦進行有效選別。該團隊還評估了新型干式旋轉(zhuǎn)摩擦靜電分選技術(shù)用于磷礦選礦的技術(shù)可行性，并分析其獨特性能，結(jié)果表明，該技術(shù)從粒級范圍0.50～1.18 mm、P2O5品位10%的磷灰石給料中分選出了P2O5品位30%的精礦，P2O5回收率超過85%，酸不溶物排除率達到90%；同時將P2O5品位31%的精礦提純到P2O5品位35%的高品位精礦，并顯著降低了磷礦樣品中的MgO含量［26］。

廢舊電纜中同時含有金屬以及聚合物，使用常規(guī)的選礦方法如浮選、磁選等會造成一定程度的資源浪費和經(jīng)濟不合理等問題，摩擦電選無疑是從廢舊電纜中回收殘留金屬的最佳方法之一。文獻［27］利用靜電分離設(shè)備從廢舊電纜中以91.20%的回收率獲得鋁質(zhì)量分數(shù)為97.86%的精礦金屬鋁，證實了摩擦靜電分離技術(shù)用于分離鋁廢電纜回收過程中殘留鋁的可能性。

我國鈦鐵礦資源儲量豐富但品位較低，難以直接開發(fā)利用［28］。文獻［29］對粒度0.074～0.125 mm的鈦鐵礦與長石、石英、云母脈石礦物組成的混合物料進行摩擦電選試驗，考察分選電壓、給料速度和風量對分選結(jié)果的影響。結(jié)果表明：給料速度4.7 g／s、分選電壓20 kV、進風量80 m3／h時，鈦鐵礦分選效果最佳。隨著摩擦靜電分選微細粒技術(shù)持續(xù)改進，針對缺水地區(qū)加速開展鈦鐵礦摩擦電選研究，對于降低能耗、節(jié)約水資源、保護環(huán)境具有重要意義。

近些年來，硅藻土因其獨特的物理和化學性質(zhì)，如惰性、研磨性、絕緣性能、高純度和質(zhì)量輕，作為一種重要的工業(yè)礦物被開采利用［30］。通常，硅藻土原礦可以通過解聚、干燥、脫脆化和分級來處理，以生產(chǎn)天然級硅藻土產(chǎn)品。但硅藻土原礦純度對于通過常規(guī)熔劑煅燒工藝生產(chǎn)過濾級成品非常重要，煅燒高碳酸鈣的硅藻土材料既不經(jīng)濟也不環(huán)保。文獻［31］利用一種先進的STET摩擦靜電逆流帶式分選機對硅藻土原礦或具有相對高CaCO3含量的天然級硅藻土產(chǎn)品進行選別以提升其品質(zhì)，生產(chǎn)用于過濾級成品的煅燒爐進料，獲得了碳酸鈣含量10.9%、二氧化硅含量85.1%的高純度產(chǎn)品，證實了STET技術(shù)在升級高CaCO3含量天然級硅藻土方面的潛力，相比常用的硅藻土提純方法，摩擦靜電分選不使用化學藥劑、對環(huán)境污染小、極大地減少了水資源浪費，既經(jīng)濟又環(huán)保，是一種極具競爭力的硅藻土提純方法。

摩擦靜電分選在礦物提純方面的應用范圍不斷擴大，但是工業(yè)生產(chǎn)中摩擦電選效率低和處理量小的問題制約了其進一步發(fā)展，研發(fā)高效的摩擦靜電分選設(shè)備是推廣摩擦靜電分選技術(shù)的關(guān)鍵因素。

3.3 摩擦靜電分選技術(shù)在混合塑料分離領(lǐng)域的應用

塑料垃圾已成為城市固體垃圾中的較大類別。目前混合塑料的回收方法大致分為兩類：化學回收和機械回收。機械回收法相對化學回收法具有工藝簡單、污染少、成本低的優(yōu)勢?，F(xiàn)階段常用的機械回收方法包括重力分選、光選、浮選以及摩擦電選。其中摩擦電選具有分選精度高、連續(xù)性好以及自動化程度高的優(yōu)點，近年來越來越得到重視。

對于表面電性質(zhì)不同的塑料廢料，摩擦靜電分離是一種高效的處理方式。首先給振動、旋轉(zhuǎn)或流化床裝置摩擦充電，然后將塑料廢料引入電場，在庫侖力作用下進行分類，正負電荷的顆粒被驅(qū)動到相反的電極，并收集在不同的收集裝置中。

文獻［32］研究了空氣相對濕度對摩擦靜電分選混合塑料的影響，認為電荷轉(zhuǎn)移通過具有不同功函數(shù)的聚合物顆粒表面之間的中間水層進行，結(jié)果表明，分選產(chǎn)品品位和回收率的最佳值出現(xiàn)在空氣相對濕度70%～90%的區(qū)間內(nèi)。分選過程不需要使用額外設(shè)備來調(diào)節(jié)濕度，降低了安裝成本。文獻［33］通過對比旋風摩擦電選裝置和流化床摩擦靜電分選裝置在混合塑料分離中的應用，證實旋風摩擦靜電分選裝置在提高待分選物料荷質(zhì)比方面更有效。該團隊還以粒度分別為1 mm和2 mm的聚氯乙烯（PVC）和高密度聚乙烯（HDPE）對比研究了旋轉(zhuǎn)圓筒、摩擦旋風分離器、靜態(tài)摩擦充電器、螺旋槳式裝置和流化床5種常用摩擦充電裝置的充電性能，結(jié)果表明，給料為PVC或HDPE純樣品時，摩擦旋風分離器更有效；給料為混合樣品時，流化床裝置在電荷和分離效率方面效果更好［34］。文獻［35］使用基于流化床摩擦帶電系統(tǒng)的摩擦靜電分離設(shè)備有效分離了平均尺寸20 mm的白色和灰色聚氯乙烯顆粒組成的顆?；旌衔?，證實了摩擦靜電分選技術(shù)在細顆粒分離方面的有效性。

文獻［36］模擬和優(yōu)化了由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）和高抗沖聚苯乙烯（HIPS）組成的混合物的分離，該混合物源自經(jīng)破碎后的廢棄計算機機箱，結(jié)果表明，在強電場條件下，流化空氣速度是影響顆粒充電和分離的關(guān)鍵因素。該研究證明了摩擦靜電分選方法從粒狀廢料中分離塑料的有效性。文獻［37］采用兩種模式對丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚四氟乙烯（PTFE）的混合塑料顆粒進行摩擦靜電分選，如圖6所示。模式1中，每次僅從混合顆粒中分離出一種物質(zhì)；模式2中，混合顆粒被分成2組。表1為不同分離模式下的產(chǎn)物回收率，分選電壓±35 kV，電極板傾斜角5°，分離模式1和2的產(chǎn)物平均回收率分別為72.44%和65.18%。表明模式1比模式2更有效。該實驗結(jié)果也證實了摩擦靜電分離技術(shù)在混合塑料回收方面的應用潛力。

圖6 兩種不同的混合塑料分離模式

表1 不同分離模式下的回收率和分離效率

文獻［38］利用基于空氣流在聚氯乙烯管中摩擦充電的聚合物廢物靜電分離裝置分離聚氯乙烯與高密度聚乙烯廢料和聚對苯二甲酸乙二醇酯的二元混合物以及聚氯乙烯／高密度聚乙烯／聚對苯二甲酸乙二醇酯三元混合物，表現(xiàn)出相當高的聚氯乙烯分離效率，如圖7所示，該研究對于推進聚合物回收和環(huán)境保護具有重要意義。

圖7 混合塑料摩擦靜電分離結(jié)果

摩擦靜電技術(shù)在混合塑料分離領(lǐng)域的應用已經(jīng)很成熟，但洗滌和干燥處理成本較高，限制了靜電分離在批量處理中的應用［39］。如何與其他機械化系統(tǒng)相結(jié)合進一步提高分離效率是科研工作者們接下來的研究方向之一。

4 總結(jié)與展望

摩擦靜電分選是一種有效的細顆粒干法分選技術(shù)，其優(yōu)越的分選性能已在粉煤灰、混合塑料、磷礦、細粒煤、鐵礦等試驗研究中被證實。但此方法仍存在一定局限性，例如對待分選物料的含水量要求高，需進行烘干；要求待分選物料粒級分布不能太寬等。為了推進摩擦靜電分選技術(shù)進一步向工業(yè)化道路邁進，必須在提高礦物荷電和分選效率以及設(shè)備大型化方面繼續(xù)努力?？梢灶A見，隨著干式磨礦、靜電分級、高壓電應用、機械制造以及相關(guān)的科學研究工作逐步發(fā)展完善，摩擦靜電分選技術(shù)將會取得突破性進展。