選別分離技術進展

袁惠新 王 飛

過濾與分離

選別分離技術進展

袁惠新*王 飛

（常州大學分離工程研究所)

選別分離技術包括色選、磁選、電選、浮選、沉選、篩選和風選，在工業過程和三廢處理過程中被廣泛應用。簡要介紹了幾種常用的選別分離方法及其應用。

分離 色選 磁選 電選 浮選 沉選 篩選 風選

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混合物內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 （如機械能、熱能、冷能等）和質量分離劑 （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。有些是根據分離過程所用的分離劑來命名的，如篩選、風選、磁選和電選等；有些是根據分離的依據——混合物內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）技術是集光、機、電、氣等高科技成果于一體的快速分離、分撿技術，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的分選，是保證食品安全及品質的重要技術。該技術最早由國外發達國家實現商品化，但由于技術壟斷，一直以來其生產商僅限于美國、英國、日本等少數發達國家。

作為一個需要為全世界1/5人口提供優質、安全食品的農業大國，糧食加工行業在我國的農業產業化進程中占據著至關重要的地位。需求與供給之間的巨大落差為我國色選技術的發展提供了契機，國內一些糧機企業瞄準這一市場，開始涉足這一領域。經過幾十年的發展，我國的色選技術經歷了由單面色選到雙面色選，由CMOS傳感器到CCD，由模擬到數字的發展歷程，技術日臻成熟，但色選技術還沒有停滯，反而發展越來越快。在未來的幾年，數字化色選主要向兩個方向發展。一是向大生產量色選技術發展，性價比進一步提高；二是向雜糧、脫水蔬菜、化工、礦石等領域發展，系統模塊化配置。圖1為色選機工作原理圖。

色選技術雖然誕生在國外，但由于我國民族企業勇于探索、自主創新，打破了國外的壟斷，加快了我國糧食加工行業的產業化進程。目前色選行業在我國已經成為一個漸趨成熟的產業。隨著色選機的不斷良性競爭，我國色選技術不斷趨于完善，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對枸杞、葡萄進行分離選擇，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顆粒的分離單元操作，被分離的顆粒密度與介質的密度相近。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的復合體而上浮到懸浮液表面，實現兩相分離的目的。浮選是一種約定俗成的稱呼，實際上更為科學的名稱應該是鼓泡與泡沫分離 （鼓泡吸附分離）。值得指出的是，實現浮選分離有兩個基本前提： （1）必須向懸浮液中提供足夠數量的微細氣泡，氣泡直徑必須適當； （2）固體或液體顆粒必須具有疏水性質或使其具有疏水性質，從而可附著于氣泡表面。

浮選技術最初應用于濃集礦物，以后逐漸應用于處理造紙廢水、機械廠乳化液廢水、鋼鐵廠廢水、印染紡織廢水、合成橡膠廢水和污泥濃縮等。浮選技術也從常規走向高效，并在不斷向更加高效的目標發展。

3 沉選

相對于浮選還有沉選，其沉選劑的密度大于介質密度，所形成聚集體的表觀密度大于介質，顆粒聚集體運動方向與浮選相反，向下運動從而實現分離，我們把這種過程稱為沉選。如活性炭吸附分離；工業選礦中利用各種不同密度的可溶性高密度無機鹽或高密度有機液體 （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。沉選與浮選的關鍵就是找出經濟有效的介質，從而得到不同要求的產品。

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定顆粒的最大和最小尺寸范圍內，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。篩選廣泛應用于粒狀或粉狀物料按規定的粒度范圍的分離。如從干燥機中出來的砂糖，晶粒大小不一，帶有團塊和糖粉，必須經篩選分級處理。通過篩選可得到不同粒度大小的煤與礦石。

篩選的另一種應用是脫水。篩分脫水是物料以薄層通過篩面時發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行的過濾過程。篩分脫水一般應用于0.5mm以上的較粗物料的脫水，也可以應用于粒度范圍為0.1～1 mm的較細物料的脫水，在對錫、銅、鉛、鋅礦石、金剛石以及煤的加工中應用得很普通。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，從而保證產品質量。

5 風選

風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濟不合理的固體顆粒分離，它是依據兩種固體的密度不同而達到分離目的的。主要原理是在風場力的作用下，使物料產生一個初速度，由于沉降速度不同，其在相同的風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，從而達到分離的目的。圖2即為風選微粒的工作原理。圖3為風選機結構示意圖。

圖2 風選微粒沉降工作原理

圖3 風選機結構

現在大部分農村還在利用風選機來分離糧食和其外殼，得到更純凈的糧食。在實際工業生產中，利用風選除雜系統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、塑料等輕質物料會隨著氣流上升，而原材料會在重力作用下下降，在風場與重力的雙重作用下，實現輕質雜物與較重質原材料的分離。風選技術還被應用于煙草行業中分離煙葉、煙絲。

6 磁選

磁選這種分離方法是在磁選機里借助磁力對被處理的物料粒子的作用不同而實現的。磁選的方法可以獲得兩種或多種的產品。早在17世紀人們就嘗試用磁鐵選別磁礦石。在長期的生產實踐中，磁選方法獲得了巨大的發展，理論上亦日臻完善，在實踐上已經深入到分離微細粒磁性礦物的各個方面。30年來高梯度磁分離的出現以及超導材料在磁選中的應用，大大拓展了磁分離的應用范圍。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用于礦物加工、鋼鐵廠和發電廠的水處理，而且也為煤炭工業、非金屬工業、原子能工業、化學工業甚至生物化學工業中遇到的顆粒系統的選擇性分離問題，提供有效的解決途徑。

應用磁選分離的物料在磁場中同時受到磁力和機械力的作用。機械力包括重力、慣性力、離心力和流體阻力等。對于磁性較強的顆粒，磁力超過機械力；對于磁性較弱的顆粒，機械力超過磁力；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品。

圖4 磁選機工作原理

由于所處理的礦石的磁性、粒度及其他物理性質的不同，目前采用的磁選機的類型很多。根據承載礦粒的介質分類分為：干式磁選機、濕式磁選機；根據磁感應強度的大小分類分為：弱磁場磁選機、強磁場磁選機；根據產生磁場的方法分類分為：永磁鐵磁選機、螺線管磁選機、超導磁選機；根據磁場類型分類分為：恒定磁場磁選機、旋轉磁場磁選機、交變磁場磁選機、脈動磁場磁選機等。

7 電選

電選又稱靜電分離，它利用物質的摩擦特性、導電特性、介電常數差異，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分選。靜電工藝簡便，易于維修操作，且設備本身有積塵作用；由于是干式作業，因此不存在廢水污染及處理問題，有利于環境保護和勞動保護。電選在工業上的應用始于1908年，此后相當長一段時期內并無多大進展，但在20世紀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，進行了許多研究工作，在試驗室和半工業連續試驗中獲得了較為滿意的結果。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、脫水設備等優點。電選是有著巨大發展潛力和廣闊市場前景的技術。目前，該技術已不僅僅應用于冶金選礦方面，電選已被應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。此外在農業、糧食加工及礦種選擇上也有應用并呈擴大的趨勢。浙江臺州等地的廢舊物質回收業和廢舊塑料回收業正在形成一種產業，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。電選技術已經逐漸應用于貴金屬渣、鑄砂以及飛灰的分離等新領域中。

8 結語

以上簡述了幾種選別分離的方法。在現實生產中選擇分離方法時，不但要根據混合物內相或組分的特性差異，而且還要考慮設備的制造、設備的強度以及經濟效益等方面的問題；有時為了滿足工藝要求，甚至還需要幾種分離方法相結合對一種物料進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，博士生導師，教授。常州市，213016。