فراوری دیاتومیت به وسیله هیدروسیکلون

فرآیند فرآوری دیاتومیت با استفاده از هیدروسیکلون

امیر اسماعیل قندهاری کارشناس آزمایشگاه

دیاتومیت (Diatomite) یا خاک دیاتومه

1. تعریف و منشا:

دیاتومیت یک سنگ رسوبی سیلیسی است که عمدتا از پوسته های فسیل شده جلبک های میکروسکوپی به نام دیاتوم (Diatom) تشکیل شده است. این پوسته ها از سیلیس هیدراته آمورف (Opal-A) با فرمول شیمیایی SiO₂·nH₂O ساخته شدهاند.

2. ترکیب شیمیایی و ساختار:

ترکیب اصلی: سیلیس آمورف (۸۰-۹۰٪).

ناخالصی ها: شامل رس، کربنات کلسیم، اکسیدهای آهن و مواد آلی.

ساختار: دارای تخلخل بسیار بالا (۸۰-۹۰٪ حجمی)، سطح ویژه زیاد و ساختار اسکلتی متخلخل و سبک.

3. ویژگی های فیزیکی و کاربردهای کلیدی:

هر یک از ویژگی های زیر، کاربردهای صنعتی خاصی را ایجاد میکند:

کاربردهای اصلی

توضیح

ویژگی

فیلتراسیون: مهمترین کاربرد؛ در صنایع غذایی (شراب، آبجو، روغن)، شیمیایی و تصفیه آب و استخر.

شبکه منافذ ریز و متعدد، قادر به جذب مایعات تا ۲ برابر وزن خود است.

تخلخل و قدرت جذب بالا

پولیش و ساینده: در خمیردندان، پولیش فلزات و مواد شوینده.

سختی کم (۱.۵-۲ در مقیاس موس) اما ذرات دارای لبه های تیز.

سایندگی ملایم

عایق های دما بالا: در کوره ها، کوره های القایی و پوشش نسوز.

تخلخل بالا، جریان هوا را محدود و عایق بندی میکند.

عایق حرارتی

پرکننده و افزاینده حجم: در رنگ، کاغذ، پلاستیک و بتن سبک.

ساختار اسفنجی و متخلخل باعث سبکی آن میشود.

چگالی پایین

آفت کش های طبیعی و غیرسمی در کشاورزی و انبارهای غله.

ذرات ریز و تیز، کوتیکول مومی حشرات را ساییده و باعث دهیدراته شدن آنها میشود.

خواص حشره کشی

4. فرآوری:

دیاتومیت خام معمولا پس از استخراج، خرد شده، خشک و در دماهای مختلف کلسینه میشود (حرارت میبیند) تا خواص فیلتراسیون آن بهبود یابد. در برخی موارد برای سفیدتر شدن و حذف ناخالصی ها، اسیدشویی نیز انجام میشود.

5. نکات مهم:

استنشاق غبار دیاتومیت (مانند بسیاری از گرد و غبارهای سیلیسی) میتواند برای ریه ها مضر باشد و در طولانی مدت باعث بیماری سیلیکوزیس شود.

کیفیت دیاتومیت به گونه دیاتوم های تشکیل دهنده، اندازه و شکل منافذ و میزان ناخالصی ها بستگی دارد.

جمع بندی نهایی:

دیاتومیت یک ماده معدنی منحصربه فرد با ترکیب شیمیایی ساده (سیلیس) اما ساختار فیزیکی پیچیده و ارزشمند است که اصلی ترین کاربرد آن در صنعت فیلتراسیون بوده و به دلیل خواص جذب، سایندگی ملایم، عایق بودن و سبکی، کاربردهای گسترده و متنوعی در صنایع مختلف دارد.

هیدروسیکلون (Hydrocyclone)

۱. تعریف و اصل کار:

هیدروسیکلون یک دستگاه جداسازی است که برای تفکیک ذرات جامد از یک مایع (و گاهی جدا کردن دو مایع امتزاج ناپذیر) بر اساس اختلاف چگالی واندازه ذرات به کار می رود. این عمل بدون هیچ قسمت متحرک و تنها با استفاده از نیروهای گریز از مرکز ایجادشده توسط جریان دوار (Swirl) داخل دستگاه انجام می پذیرد.

۲. مکانیسم عملکرد:

ورودی (Feed): سوسپانسیون (مخلوط ذرات جامد و مایع) با فشار به صورت مماس به قسمت استوانه ای بالای هیدروسیکلون تزریق میشود. این طراحی مماسی باعث ایجاد یک حرکت گردابی شدید در داخل سیکلون میشود.

جداسازی: تحت تاثیر نیروی گریز از مرکز قوی، ذرات جامد سنگین تر و درشت تر به سمت دیواره های دستگاه رانده شده و در یک حرکت مارپیچی به سمت پایین (زیرجریان یا Underflow) هدایت میشوند.

خروجی ها:

ته ریز (Underflow یا Grit): این خروجی از نوک مخروطی (Apex) دستگاه خارج شده و حاوی ذرات جامد غلیظ شده (Slurry غلیظ) است.

سر ریز (Overflow یا Vortex Finder): این خروجی از لوله مرکزی واقع در بالای دستگاه (Vortex Finder) یا نازل خارج شده و حاوی مایع نسبتا صاف و ذرات ریز و سبک است.

۳. ویژگی ها و مزایای کلیدی:

سادگی طراحی: هیچ قسمت متحرکی ندارد، بنابراین ساخت، نگهداری و تعمیر آن آسان و کم هزینه است.

هزینه عملیاتی پایین: تنها انرژی مصرفی، انرژی مورد نیاز برای ایجاد فشار در پمپ تغذیه است.

ابعاد فشرده: نسبت به سایر تجهیزات جداسازی، فضای بسیار کمتری اشغال میکند.

ظرفیت بالا: میتواند حجم زیادی از سیال را در مدت زمان کوتاهی پردازش کند.

انعطاف پذیری: میتواند در محدوده وسیعی از دماها و فشارها کار کند.

۴. معایب و محدودیت ها:

خوردگی و سایش: ذرات ساینده میتوانند به دیواره های داخلی، به ویژه در ناحیه مخروطی، آسیب بزنند.

حساسیت به تغییرات دبی و فشار: عملکرد آن به شدت به دبی و فشار ورودی وابسته است.

جمع بندی نهایی:

هیدروسیکلون یک جداکننده سانتریفیوژی ساده، کارآمد و پرکاربرد است که از نیروی گریز از مرکز برای جداسازی ذرات بر اساس اندازه و چگالی استفاده میکند و در بسیاری از صنایع به عنوان یک واحد عملیاتی اولیه و ضروری شناخته میشود.

فراوری دیاتومیت با هیدروسیکلون: یک فرآیند طبقه بندی و شستشو

از هیدروسیکلون در مراحل اولیه فرآوری دیاتومیت برای جداسازی ذرات ریز از ذرات درشت و حذف ناخالصی های شن و ماسه سنگین استفاده میشود. این فرآیند عموما به شرح زیر است:

1. تهیه خوراک (Slurry Preparation): دیاتومیت خام استخراج شده با آب مخلوط شده و به صورت دوغاب (اسلاری) درمیآید.

2. جداسازی در هیدروسیکلون: این دوغاب با فشار به داخل یک یا چند هیدروسیکلون (اغلب به صورت باتری یا مدار موازی) پمپ میشود.

اهداف کلی استفاده از هیدروسیکلون در این فرآیند:

طبقه بندی (Classification): ایجاد یک محصول یکنواخت با محدوده اندازه ذرات مشخص.

شستشو و افزایش عیار: حذف ناخالصی های ماسه ای و سنگی که بر کیفیت نهایی دیاتومیت (مانند خلوص و قدرت فیلتراسیون) تاثیر منفی میگذارند.

غلیظ سازی (Thickening): افزایش غلظت دوغاب قبل از ورود به مراحل بعدی مانند خشک کن یا کوره های کلسیناسیون.

توجه:

ذرات دیاتومیت صفحه ای و پولکی و بسیار نامنظم هستند که زمانی ک کنارهم قرار میگیرند یک ساختار متخلل و مقاوم تشکیل میدهند که اب را درون خود قرار میدهند

دیاتومیت مانند یک اسفنج طبیعی عمل میکند و اب را دو تا سه برابر جذب میکند

وقتی دوغاب دیاتومیت وارد سیکلون میشود مقدار زیادی اب درون ان قرار میگیرد و اب ازاد در دسترس نیست تا در اثر نیروی گریز از مرکز جدا شود

دیاتومیت بسیار سبک است و چگالی پایین دارد از طرفی هیدروسیکلون جداسازی را بر اساس چگالی انجام میدهد به همین دلیل استفاده از سیکلون مناسب نیست و ذرات دیاتومیت نیروی گریز از مرکز کافی دریافت نمیکنند

فلوکولنت برای اینکه بتوان اثر کند باید ازادانه در اب حرکت کند و با هم برخورد کنند

دوغاب غلیظ و بسیار ویسکوز که پر از ذرات ابدار است این حرکت را محدود میکند و بخاطر ساختار اسفنجی هم باعث عدم تاثیر گذاری فلوکولنت میشود

فرآیند فرآوری دیاتومیت با استفاده از آسیاب گلوله ای و هیدروسیکلون

۱. آماده سازی و آسیاب کردن:

مواد معدنی دیاتومیت در سه مرحله متوالی برای فرآوری آماده سازی میشوند. در هر مرحله، مقدار 17کیلوگرم از ماده معدنی به داخل آسیاب گلوله ای (Ball Mill) شارژ میگردد.

نحوه شارژ آسیاب گلوله ای مبتنی بر تقسیم بندی حجم داخلی آن به چهار بخش به شرح زیر است:

- یک بخش: ماده معدنی دیاتومیت

- دو بخش: آب

- سه بخش: گلوله های آلومینایی (به عنوان عامل خردایش)

- چهار بخش: فضای خالی (جهت ایجاد امکان حرکت و برخورد موثر)

پس از بارگیری و انجام عملیات آسیاب در مدت زمان استاندارد، نمونه برداری انجام شده و درصد مواد زبر (ذرات درشت) با استفاده از الک 325 مش (معادل 45 میکرون) اندازه گیری میشود. بر اساس آنالیزهای انجام شده، مقدار میانگین زبره باقیمانده بر روی الک در این مرحله حدود 26 درصد است.

۲. جداسازی توسط هیدروسیکلون:

دوغاب حاصل از مرحله آسیاب بعد از عبور از الک 170مش (90 میکرون)که همگن و آماده است، به منظور جداسازی ذرات و تکمیل فرآوری، به واحد هیدروسیکلون انتقال مییابد. این دوغاب پس از تنظیم حجم و غلظت به مخزن تغذیه هیدروسیکلون پمپ میشود.

مکانیسم جداسازی در هیدروسیکلون بر اساس ایجاد نیروی گریز از مرکز و جریان گردابی است:

- ذرات درشت تر و سنگین تر: تحت تاثیر نیروی گریز از مرکز به سمت دیواره دستگاه هدایت شده و از طریق ته ریز (Underflow) و از مجرای خروجی پایینی به نام اپکس (Apex) خارج میشوند. قطر اپکس با توجه به ویژگی های ماده معدنی و درصد سیلیس، 16 میلیمتر انتخاب گردید.

- ذرات ریز و سبک تر: در مرکز گرداب قرار گرفته و از طریق سرریز (Overflow) خارج میگردند. اندازه ذرات در این جریان توسط قطر نازل (Vortex Finderکنترل میشود که تغییر در ابعاد آن، بر بازدهی استحصال و درجه خالص سازی محصول نهایی دارد.

۳. پارامترهای عملیاتی و مرحله نهایی:

فشار عملیاتی هیدروسیکلون در این آزمایش، مطابق با استانداردهای کارخانه کائولین خراسان، 1.5bar تنظیم شد. پس از اتمام فرآیند جداسازی، هر دو جریان سرریز و ته ریز جمع آوری شده و جهت حذف رطوبت، تحت عملیات فیلتراسیون قرار میگیرند. در نهایت، مواد فیلتر شده توسط خشک کن آزمایشگاهی به طور کامل خشک میگردند. محصول نهایی در این مرحله آماده انتقال میباشد