مقدمه

بازيافت آب در کارخانه هاى فرآورى غالبا امرى اجتناب ناپذير است . به ویژه در مواردى که کارخانه در منطقه اى کم آب واقع شده باشد، جلوگيرى از هدر رفتن آب به منظور بازيابى و همچنين جلوگيرى ازآلودگى محيط و اتلاف عناصر اهميت بسزايى دارد. با توجه به این که اکثر روش های کانه آرایی در محیطی صورت می گیرد که محتوی مقدار قابل توجهی آب است. در این صورت محصول پرعیار شده ی نهایی به صورت پالپ خواهد بوده که گاهی نیز بسیار رقیق است و باید با آبکشی کردن آن (یعنی جدا کردن جامد از مایع) رطوبت آن را تا اندازه ای کاهش داد تا آن را برای حمل یا انجام دیگر فعالیت های صنعتی آماده کرد. در بیشتر موارد قسمت عمده ی آب همراه با باطله خارج می شود بنابراین به منظور انبار کردن باطله، جلوگیری از آلوده شدن محیط توسط آب همراه با ماده ی معدنی، بازیابی و استفاده ی مجدد از آب؛ جدا کردن آب موجود در باطله از دانه های جامد ضروری است.

در مراحل مختلف آرایش مواد معدنی نیز ممکن است آبکشی کردن جزئی پالپ به منظور تنظیم غلظت آن لازم باشد. همچنین در برخی از روش های آرایش، مانند روش های هیدرومتالورژی نیز پس از انحلال کانی یا عنصر مورد نظر در حلال مورد استفاده، جدا کردن فازهای جامد باقیمانده، از محلول غنی شده لازم است.

 

انواع روش های آبکشی

روش های آبکشی کردن را می توان به طور کلی به 3 دسته تقسیم کرد:

• ته نشین کردن
• فیلتر کردن
• خشک کردن

در شرایطی که اختلاف چگالی جامد و مایع زیاد باشد، روش ته نشین کردن دارای بهترین بازدهی است. این امر در کانه آرایی که مایع مورد مصرف آب است، معمولا صادق است. با وجود این در روش های هیدرومتالورژی امکان دارد ته نشین کردن کارایی لازم را نداشته باشد. زیرا با افزایش عیار حلال نسبت به عنصر یا کانی حل شده، چگالی آن نیز بالا رفته و به چگالی دانه های جامد باقی مانده نزدیک می شود. در چنین شرایطی تنها می توان از روش فیلتراسیون استفاده کرد. در کانه آرایی، معمولا آبکشی کردن ترکیبی از دو روش فوق است. قسمت عمده ی آب ابتدا به روش ته نشین کردن از بقیه جدا می شوند. در نتیجه پالپ غلیظ شده ای تولید می شود که شامل 55 تا 60 درصد جامد است. در این مرحله می توان تا حدود 80 درصد از آب موجود را جدا کرد. سپس با فیلتر کردن پالپ غلیظ شده، کیکی به دست می آید که رطوبت آن 10 تا 20 درصد است و در صورت لزوم می توان در یک مرحله ی دیگر نیز با خشک کردن حرارتی، رطوبت آن را به 5 درصد یا کمتر رساند. در ادامه با موضوع "ته نشین کردن" بیشتر آشنا خواهیم شد.

ته نشین کردن مواد

در اثر ته نشین کردن دانه های جامد در یک پالپ، مایع زلال و پالپ غلیظ شده ای به دست می آید. سرعت ته نشینی دانه های جامد در یک سیال را می توان بسته به ابعاد دانه ها با استفاده از قوانین Stokes و Newton بدست آورد. سرعت ته نشینی دانه های خیلی کوچک در حد میکرون تحت تاثیر نیروی وزن آنها، بسیار کم است بنابراین ممکن است لازم باشد با استفاده از نیروی گریز از مرکز سرعت سقوط آنها را افزایش داد. همچنین می توان شرایط محیطی را به گونه ای تنظیم کرد که مواد ریزدانه به یکدیگر بچسبند (تحت تاثیر نیروی Van der Waals) و با سرعت بیشتری ته نشین شوند (کوآگولاسیون Coagulation) و یا از پلیمرهایی (فلوکولانت Flocculants) استفاده کرد که با سرعت بیشتری ته نشینی صورت بگیرد. به این فرآیند فولوکولاسیون (Flocculation) گفته می شود. در شکل زیر می توان چگونگی توزیع باز در محلول ایجاد شده را مشاهده کرد.

ته نشینی ثقلی با غلیظ کردن، رایج ترین روش آبکشی کردن مواد در کانه آرایی است. این روش، نسبتا ارزان و دارای ظرفیت زیاد است. عملیات ته نشینی در ته نشینی در حوضچه هایی انجام می شود که به آنها تیکنر (Thickener) گفته می شود. در نتیجه ی ته نشین شدن دانه های جامد، در بخش فوقانی تیکنر، لایه ای از آب زلال تشکیل می شود. در اکثر حالات، غلظت پالپ در داخل تیکنر زیاد است و ته نشینی دانه ها در شرایط "سقوط با مانع" صورت می گیرد. پالپ غلیظ شده نیز از قسمت تحتانی تیکنر خارج می شود. تیکنرها می تواند به دو صورت پیوسته و غیرپیوسته کار کنند.

 

انواع تیکنر و اجزای آن

تیکنر پیوسته، از یک حوضچه ی استوانه ای تشکیل شده است که بسته به ظرفیت آن دارای قطری بین 2 تا 200 متر و عمقی بین 1 تا 7 متر است. پالپ اولیه از طریق لوله ای که در قسمت مرکزی قرار دارد و انتهای آن تا حدود چندی دسیمتر به داخل پالپ موجود در حوضچه ی تیکنر فرو رفته است، وارد می شود تا به این ترتیب حتی المقدور تلاطم کمتری در محیط ایجاد شود. مایع صاف شده از طریق کانالی که در پیرامون بخش فوقانی تیکنر پیش بینی شده است، خارج می شود. حال آنکه دانه های جامد به صورت پالپی غلیظ شده از مجرایی که در بخش مرکزی قسمت تحتانی تعبیه شده است، به خارج هدایت می شوند. برای سهولت در تخلیه ی دانه های ته نشین شده، قسمت تحتانی تیکنر دارای شیب ملایمی به سمت مرکز آن است. به علاوه یک یا تعدادی بازوی گردان مجهز به یک سری پره در قسمت تحتانی قرار داده شده است تا مواد ته نشین شده را به سمت مجرای مرکزی هدایت می کنند. در تیکنرهای جدیدتر، این بازوها به نحوی طراحی شده اند که در صورت اعمال نیرویی بیش از حد مجاز به آنها، به صورت اتوماتیک به سمت بالا حرکت کرده تا از آسیب دیدن در امان باشند.

به طبقه بندی تیکنرها، می توان تیکنرهای خمیری (Paste Thickener)  و تیکنر های متداول (Conventional Thickener) را نیز اضافه کرد. تفاوت این دو نوع در میزان غلظت پالپ خروجی است. تیکنرهای خمیری در راستا اهميت بالاي توليد باطله خميري با درصد آب کمتر از پالپ و دانسيته و ويسکوزيته بالاتر از آن در مدارهاي آبگيري صنعت فرآوري مواد معدني ساخته شدند. از جمله مزایای آنها می توان به افزايش ميزان بازيافت آب، کاهش مصرف آب تازه، کاهش حجم باطله، کاهش هزينه هاي آماده سازي سد باطله و کاهش صدمات وارده به محيط زيست اشاره کرد. تیکنرهای خمیری بويژه در مناطقي با محدوديت منابع آب نقش به سزایی را ایفا می کنند. همچنین کلاریفایرها نیز به نحوی همان کار تیکنر را در مورد ته نشینی ذرات جامد انجام می دهد. به این ترتیب که با ایجاد ارتفاع بیشتر در مخزن، به ذارت جامد اجازه داده می شود تا به تدریج با پلمیر منعقد کننده (فلوکولانت) ترکیب شده و ته نشین شوند. به این ترتیب می توان از میزان مصرف پلیمر (فلوکولانت) برای ته نشینی ذرات جامد برخی از موارد معدنی از جمله سیلیس (شن و ماسه) کم کرد. در در شکل زیر اجزای تیکنر نشان داده شده است.

تئوری غلیظ کردن

مبنای بیشتر مطالعات ته نشین شدن مواد در تیکنرها، مدل ساده ای است که در آن محیط داخلی تیکنر به سه ناحیه ی مجزا و متمایز در جهت قائم تقسیم می شود. هریک از این نواحی دارای مشخصات خاصی هستند. در این مدل ترکیب پالپ در هر سطح افقی ثابت در نظر گرفته می شود و از تغییرات احتمالی پالپ در سطوح افقی صرفنظر می شود.

چنانچه تیکنر در شرایط تعادل باشد، حجم و ترکیب نواحی یک، دو و سه ثابت باقی می ماند. در ناحیه ی یک، آب زلال به سمت بالا در حرکت است که از لبه ی فوقانی تیکنر سرریز می شود. در ناحیه ی دو، مواد جامد در حال ته نشین شدن هستند. چگالی پالپ در این ناحیه ثابت و معادل چگالی بار اولیه است. در ناحیه ی سه، مواد ته نشین شده به تدریج فشرده شده تا در نهایت با غلظت مورد نظر از ته ریز تیکنر تخلیه شوند. بین نواحی یک و دو فصل مشترک مشخصی وجود دارد که به آن خط گل (mud line) گفته می شود. اما بین نواحی دو و سه فصل مشترکی وجود ندارد، بلکه بین این نواحی به جای یک فصل مشترک مشخص، یک ناحیه ی باریک انتقال وجود دارد.

 

از جمله عوامل موثر در ته نشینی می توان به دبي خوراك، درصد جامد در خوراك ورودي، دوز فلوكولانت و ارتفاع چاهك خوراك اشاره کرد. در ادامه با میزان دوز فلوکولانت بیشتر آشنا خواهید شد.

میزان فلوکولانت

تغييرات دوز فلوكولانت بصورت بهينه شده براي تيكنرها استفاده مي شود. بطوري كه افزايش بيش از حد فلوكولانت بعد از مقدار بهينه تاثير چنداني روي عملكرد تيكنر و عمليات فلوكولاسيون نخواهد داشت. با افزايش مقدار دوز فلوكولانت در خوراك ورودي به تيكنر ارتفاع بستر جامد موجود در تيكنر كاهش پيدا كرده و برعكس كسر جامد خروجي از تيكنر نيز افزايش پيدا مي كند. دليل اين امر اين است كه با افزايش مقدار فلوكولانت، ذرات بيشتري از جامد موجود در ورودي، تحت اثر فلوكولانت قرار مي گيرند و در نتيجه به هم پيوستگي ذرات بيشتر شده و طول زنجيره ها افزايش پيدا كرده و در نتيجه به لحاظ وزن بالاي مواد جامد سرعت تهنشيني آنها بالا رفته و بستري با درصد جامد زياد و ارتفاع كم در داخل تيكنر ايجاد مي شود. بنابراین افزايش فلوكولانت بيشتر از يك حد تغيير چنداني روي درصد جامد خروجي از تيكنر و هم چنين ارتفاع بستر جامد موجود در آن ندارد. علت اين امر اين است كه جامد موجود در خوراك مقدار محدودي بوده و اضافه كردن فلوكولانت بيش از حد نياز موجب اشباع شدن محلول شده و با توجه به اين كه زنجيره ها تا يك حد خاصي مي توانند، رشد كنند و در صورتي كه بيش از آن حد رشد كنند شكسته مي شوند، بنابراين مقدار اضافي فلوكولانت يا به همان صورت به بيرون از تيكنر هدايت، يا باعث ايجاد حالت سوسپانسيوني در محلول موجود در تيكنر خواهد شد كه در هر دو حالت موجب اختلال در عملكرد تيكنر خواهد گرديد.

نمایی از تیکنرهای ساخته شده توسط شرکت :

خلاصه

همانطور که گفته شد با توجه به ضروریات مرتبط با محیط زیست و هزینه های ناشی از تامین آب و هدر رفتن آن، تصفیه و بازیابی پسآب ناشی از فراوری مواد معدنی امری اجتناب ناپذیر است. ته نشيني يا رسوب يك جامد درون سيال بوسيله نيروي ثقلي يكي از پر استفاده ترين روش هاي جداسازي جامد از مايع مي باشد. اين روش عمدتا در صنايع معدني و شيميايي كاربرد دارد. يك راه معمول براي جدا كردن جامدات از مايعات در حجم بالا استفاده از ته نشيني تحت نيروي جاذبه در ظرف هايي مي باشد كه شستشوگرها، كلاريفايرها و تيكنرها ناميده ميشوند. جداسازي مايع-جامد بوسيله ته نشيني ثقلي كاربردهاي زيادي دارد. تيكنرهاي ثقلي ميتوانند حجم زيادي از يك دوغاب رقيق را غليظ كنند. اين دوغاب وارد يك چاهك خوراك مركزي مي شود. چاهك خوراك بدين منظور قرار داده شده است كه انرژي جنبشي جريان ورودي را كاهش داده و جريان را به منطقه اصلي تيكنر هدايت كند. جامدهاي ته نشين شده تشكيل يك بستر مي دهند و غلظت جامد در اين بستر به سمت خروجي افزايش مي يابد به همين دليل نام تيكنر براي اين دستگاه در نظرگرفته شده است. مايع عاري از جامد در  لاندرهاي جانبي جمع آوري شده و از آنجا خارج ميشوند. استفاده از فلوكولانتهاي پليمري مصنوعي در تيكنرها باعث مي شود كه بهم چسبندگي زياد و سريعي در بين جامدات رخ دهد كه اين باعث ته نشيني زياد و سريع جامدات مي شود. همچنين اثر فلوكولانت باعث مي شود كه در يك تيكنر مشخص بار ورودي بيشتري داشته باشيم يا براي بار ورودي مشخص از تيكنر كوچكتري استفاده كنيم. البته استفاده از فلوکولانت تا حدی در ته نشینی سریع تر ذرات جامد تاثیر دارد و بیش از آن حد صرفا موجب سوسپانسیونی شدن محلول خواهد شد.

منابع

M. Rudman, D.A. Paterson, and K. Simic (2010) "Efficiency of raking in gravity thickeners", International Journal of Mineral Processing, 95, 30–39.

L. Svarovsky (2000) Gravity clarification and thickening. Solid-Liquid Separation, 4 th Edition, Svarovsky, L. (ed), Oxford, Butterworth-Heinemann, 166-190.

نعمت اللهی، حسین، 1384، کانه آرایی، جلد دوم، انتشارات دانشگاه تهران، تهران.

آقاجاني شهريور و همکاران، 1390، بررسي پارامترهاي تاثيرگذار بر فرآيند جداسازي جامد- مايع در تيكنر آزمايشگاهي مجتمع مس سرچشمه، نشريه علوم و مهندسي جداسازي دوره سوم، شماره دوم، صفحه 43 تا 56.