专利名称：用于浓缩浆料的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于浓缩浆料特别是含有矿物的浆料的系统和方法。
背景技术：
矿物加工常常需要加入水。这可能导致过度稀薄的含有矿物的浆料，使得必须浓缩细粒矿物的悬浮液以用于进一步地加工。取决于所需的最终矿物浓度，不同的方法被用于脱水过程。除了诸如离心、过滤或蒸发之类的方法之外，已知浆料的脱水能够通过引起固体层或滤饼形成的电泳或电渗实现。
USl, 133，967公开了具有悬浮液容器和悬浮液搅拌装置的用于电渗过程的设备， 所述设备包括阳极和锁定在所述阳极与所述搅拌装置之间的阴极，其中所述阴极设有长度远大于宽度的开口。根据本发明的阳极为圆筒形的。
US3, 972，799描述了用于将固体从钻井泥浆中除去的设备。所述设备包括水平容器，其中作为阳极的多个间隔开的旋转板状盘布置在作为阴极的多个间隔开的互连面板之间，每个盘的周缘部分浸没在钻井泥浆中，其中所述盘通过马达旋转。悬浮液中的固体由相应盘的相反表面吸引且作为层或薄膜沉积在这些表面上，而固定刮擦元件布置为与所述盘相邻以移除所沉积的固体。
为了实现固体层或滤饼从悬浮液中的暴露，由US4，107，026提出了旋转阳极盘， 该文献公开了用于在电场中使固体悬浮液脱水的系统和方法，所述电场可控地维持在一对相对的自包含(self-contained)的电极结构之间，以引起固体相对于载体液体移动以在相应的自包含的电极结构上形成层或滤饼，同时使载体液体能够在真空的作用下沿相反的方向通过中空的自包含的对应电极结构的透液性壁被抽出，与用于将过滤液体抽出速率控制为与固体在载体液体中的相对移动速度一致且相容的装置相结合，并且其中，所述层或滤饼材料可以例如在从悬浮液中暴露期间从所述电极结构中脱离。
为了增大电泳分离的效率，US5, 171，409 (EP0253749的等同)提出了一种连续分离呈在电泳和电渗单元中的悬浮液形式的带电固体粉末材料的过程，其中，电解液的一小部分被排出，该一小部分中的一部分利用酸(优选为气态)试剂进行处理，所处理的部分被重新引入阴极隔室内，而被排出的一小部分中的其他部分被消除。由于在该文献中公开的方法和装置操纵起来非常复杂，因此存在对易于操纵且结合有高产出率的装置的需求。
尽管通过电泳或电渗对悬浮液进行脱水的工艺在本领域的技术状态中是已知的， 但是这两种方法均有不满意程度的矿物滤饼或固体恢复，特别是在碳酸钙恢复呈粘性矿物滤饼或固体的形式的情形下。发明内容
本发明的目的是提供用于浓缩含有矿物的浆料的系统和方法，从而避免已知系统和方法的缺点。
根据本发明，提供了用于浓缩浆料的装置，所述装置具有用于在其中接收模块的支承结构，所述模块包括
a.电泳单元，所述电泳单元具有至少一个电连接的阴极、以及至少一个电连接的可旋转阳极盘；
b.分离单元，所述分离单元与每个阳极表面相邻以用于接收滤饼材料，所述分离单元包括接收部和活塞，其中，所述接收部的肩部的尺寸被设定成将所述肩部作为用于将所述固体材料或滤饼从所述阳极中去除的刮擦凸缘，而所述活塞用于将所收集的材料或滤饼从所述接收部中压出；以及可选的滑动托架，所述滑动托架具有用于闭合所述接收部的盖；以及
c.用于转动所述阳极、使浆料循环进出所述电泳单元、以及向所述电极施加电压的装置。
所述电泳单元可以为用于接受浆料的容器，设计为包括用于电泳的单个或多个隔室。在所述电泳单元为多隔室单元的优选实施例中，这可以通过将板焊接到所述容器内而形成，使得所述多隔室容器由具有固定在所述容器内侧的凸缘以形成所述隔室的容器外壳体制成。在另外的优选实施例中，所述多隔室浆料容器为单个整体件。
尽管其意为整个容器(包括多隔室容器)用作阴极，但是阴极由设置在电泳单元中的一个或多个板或其它装置来实现也落在本发明的范围内。如果电泳单元或容器为阴极， 则与电源的单独联接件不是必要的，并且(多个)隔室浆料容器与所有其他部件电隔离。
其意为阳极盘部分地暴露给浆料且部分地暴露给气体环境例如空气。还意为分离单元的肩部设置为与阳极的暴露给气体环境的一部分相邻。优选的是分离单元设置在大致水平的位置。
优选的是，阳极盘竖直地布置在给定的隔室内。为了转动所述阳极盘，它们优选地安装在用于旋转的驱动轴上。另外，所述阳极盘能够通过固定凸缘固定在所述驱动轴上，从而限定介于所述阳极盘之间的间距。所述阳极(相应的所述阳极盘)通过设置的跳线环电连接。
若必要，由于浆料的特定组成，能够使用改变的容器和改变的阳极盘间距。在优选实施例中，所述容器的外壁为半圆桶形的，并且依据所述阳极的直径调节以产生介于阴极与阳极盘之间的预定间距。所述半圆筒形容器的设计有利于所述阳极仅部分地暴露给所述浆料的需求。
在另一优选实施例中，用于浆料的至少一个入口开口设置在每个电泳单元的底部，而溢出口设置在上边缘。在可选实施例中，所述入口开口能够分布在每个单元的周缘上。
用于阳极的优选材料为具有防腐蚀涂层的钛。为了设置所述阳极，罩状部(muff) 可以用来确保维持介于阴极与阳极之间的适当间距，所述间距对于脱水过程而言是关键的。交替的罩状部与阳极盘能够形成滑动到所述轴上的单元，还重要的是，所述阳极盘与所述分离单元之间的间距为恒定的。所述罩状部的截面区域可以用来确保所述阳极盘不能在所述轴上移动。
所述跳线环可以制造为具有金的触点，使得较高的电压在上规模的系统中是可能的。所述触点优选地为弹性的。
对于支承框架而言，优选的材料为铝。这种框架代表系统的骨干，并且所有其他零部件附接到该框架上。当所述容器是阴极时，合成材料板能够用来将所述支承框架与所述容器隔离。其他的板可以用作用于所述阳极单元和马达(用于使所述阳极相应的所述轴旋转)的支承件。
所述分离单元的所述接收部的优选形式为半圆筒形或半矩形，而活塞适于所述接收部的形式。对于本领域的技术任意明显的是，其他形式可以应用到所述接收部上。所述分离单元优选地由合成材料(特别是聚四氟乙烯(PTFE))或具有良好滑动性能的任意其他材料制成。由于所述半圆筒的肩部依据相邻的阳极盘调节，因此不需要单独的刮器。这具有固体材料或滤饼将不被收集在所述刮器上的重大优点。与用于闭合所述分离单元的滑动托架相结合，所述固体材料将被从所述分离单元中完全压出。敞开式半圆筒(即没有滑动门)导致本发明人的下述实验固体材料已经聚集在所述刮器和所述活塞上，从而导致所述固体材料或滤饼的不完全移除。
所述分离单元理想地精确地设置在两个阳极盘之间，使得所述分离单元可以用来将滤饼从两个阳极盘中同时移除。在分离单元与阳极之间的停置开口优选地为大约1mm。 所述分离单元可以通过合成安装件固定在所述支承框架处。
通过由相同的材料制成活塞和半圆筒，避免了根据不同热膨胀的缺点。
优选的是，所述活塞是气动驱动的。用于驱动所述活塞的任意其他装置(例如液压)也落在本发明的范围内。
由于用于浓缩浆料的过程优选地被不连续地驱动，因此阳极在每个周期的旋转角度应当优选地为大约10°，结合有阳极部段的大约3分钟的优选停留时间长度。
在优选实施例中，介于IOV与40V之间的电压被施加到电极上。电压取决于形成电极的材料和浆料的组成。应当限制就阳极而言的腐蚀并且由此不应当超过60V。
根据本发明的装置对具有优选地介于10%_50%之间且更优选地介于20%_24%之间的矿物含量以及限定颗粒尺寸的浆料进行优化。参数例如电压能够在不改变电极之间的间距的情况下依据其他浆料进行调整，这是由于所述间距由电泳单元的构造预先限定。
在所述装置中待使用的优选材料为含有负电荷的分散碳酸钙颗粒的浆料。
本发明的另一目的是用于使用根据本发明的装置来浓缩浆料的方法，所述方法包括以下步骤
a.将具有分散颗粒的浆料引入所述装置的电泳单元中；
b.向所述电泳单元的静置电极施加电压；
c.使每个阳极旋转预定的旋转角度且将静置固体材料或滤饼剥离到所述装置的所述分离单元的所述接收部内；
d.可选地使用滑动托架闭合所述接收部；
e.使用活塞将所述固体材料或滤饼从所述分离单元中压出；
f.可选地经由每个单元的入口开口将新的浆料引入所述电泳单元内且经由出口移除过多的浆料并且重复步骤a至f。
优选的是，浓缩过程被不连续地驱动，这隐含了阳极在浆料中静置的步骤和阳极旋转以接收固体材料或滤饼的步骤，以能够有效地移除所述材料。
所述方法对含有矿物颗粒特别是碳酸钙且特别是负电荷的分散碳酸钙的浆料进行优化。阳离子分散碳酸钙可以附加地或替代地被采用。
为了优化溶液的稳定性和颗粒的电荷，优选的是表面活性剂例如分散剂被加入到浆料中。由于表面活性剂变为附接到颗粒上，因此所生成的电荷对应于表面活性剂的电荷。 由此，能增强或改变分散颗粒的电荷，使得它们将根据需要地移动到阳极或阴极。
用于所述方法的最佳参数为大约20V的电压和大约10°的旋转角度，其中能够依据浆料的特性调节提升时间和间隔时间。优选的是阳极盘的大约3分钟的停留时间长度。
滤饼收集即阳极旋转的过程在活塞完全扩展时中断。所述活塞必须在阳极能够再次旋转之前被拉回以避免在所述活塞后面收集滤饼，这种收集导致在拉回所述活塞时的问题。
将通过附图和示例(不限制于所述实施例)进一步描述本发明
图I为沉积滤饼的固体含量对施加到电极上的电压的曲线；
图2为具体沉积速率对施加到电极上的电压的曲线；
图3为具体能量消耗对施加到电极上的电压的曲线；
图4为沉积滤饼的固体含量对电极间距的曲线；
图5为具体沉积速率对电极间距的曲线；
图6为具体能量消耗对电极间距的曲线；
图7为固体含量基于保留时间的曲线；
图8为具体沉积速率基于保留时间的曲线；
图9为具体能量消耗基于保留时间的曲线；
图10为分离单元；
图11A、图IlB为分离单元和阳极盘的布置；
图12为具有入口和溢出口的电泳单元。
具体实施方式
图I示出了施加到电极上的电压具有对沉积滤饼(cake)的固体含量(相应的渗透)的相当大的影响。固体含量和沉积速率(图2)随着电压的升高而增大，但是能量消耗 (图3)不成比例地增大。这种效果的原因在于所含水分的电解的增大。严重的问题在于水分的电泳导致氢气和氧气的产生，氢气和氧气与周围的空气形成爆炸性混合物。将电压降低到没有氢气被产生的水平是不可能的。
因此，必须确定一种折衷，从而容许具有合理能量消耗的良好生产率。大多数实验利用20V的电压进行，尽管电压可以范围为从IOV至60V。
进行其他的实验以根据固体含量(图4)、具体沉积速率(图5)和具体能量消耗(图 6)来确定电极间距。电极间距通常仅能够通过巨大的努力(例如使用活动阴极)进行改变， 使得重要的是获知用于电泳装置的构造的最佳电极间距。
图4至图6中所示的结果通过施加20V的电压获得。清楚可见的是较短的电极间距与增大的电泳效率相关，即，固体含量和沉积速率增大而能量消耗减小。这意味着较短的电极间距一定是优选的。
必须考虑到的是，在阳极上的沉积滤饼减小介于阴极与阳极之间的开口。实验表明大约高达IOmm的阳极滤饼的物理厚度。必须保证的是，在电极之间的残留开口适于浆料的流过。在图5中，对于超过20mm的电极间距能够观察到沉积速率的停滞。这可能反映了通过阳极滤饼使电极之间的开口最小化的效果。
通过使用旋转阳极，能够应用执行电泳的不同模式。阳极能够连续或间隔地旋转。 在阳极盘50上的增大的阳极滤饼因固体滤饼具有比浆料高的电阻而导致电阻的增大。由此，沉积速率减小(图8)而能量消耗增大(图9)，同时阳极滤饼的固体含量仍然增大(图7)。
如图7至图9中所示的用于确定合理保留时间的实验结果利用20V的电压、40mm 的电极间距和45°的旋转角度执行。
旋转角度和保留时间是关于在阳极盘50上沉积的阳极滤饼的总量的重要参数。 阳极滤饼的体积必须与分离单元的体积相关，以避免分离单元的满溢，这是由于满溢将导致在阳极盘50上的剩余固体颗粒。本领域的技术人员将根据在阳极上的滤饼厚度调节旋转角度，即，在接收部40被填满之前，滤饼越厚，阳极的旋转角度越小。
在限定用于装置的构造以及执行电泳的参数时必须考虑某些限制。由于为安全起见必须减小氢气产生的副作用，因此应当避免向电极施加较高的电压。电极间距基本上由多隔室浆料容器60 (如图11中所示)的概念预先限定。剩余参数必须被选取来优化阳极滤饼的固体含量且获得较高的沉积速率。
表I示出了已经被选取用于根据本发明的装置的参数。
权利要求
1.用于浓缩浆料的装置，所述装置具有用于在其中接收模块的支承结构，所述模块包括a.电泳单元，所述电泳单元具有至少一个电连接的阴极，以及至少一个电连接的可旋转阳极盘(50);b.分离单元，所述分离单元与每个阳极表面相邻以用于接收滤饼材料，所述分离单元包括接收部(40 )和活塞(20 )，其中，所述接收部(40 )的肩部(30 )的尺寸被设定成将所述肩部作为用于将固体材料或滤饼从所述阳极中除去的刮擦凸缘，所述活塞(20)用于将所收集的材料或滤饼从所述接收部(40)中压出；c.用于转动所述阳极、使浆料循环进出所述电泳单元以及向所述电极施加电压的装置。
2.根据权利要求I所述的装置，其中，所述分离单元具有滑动托架(10)，所述滑动托架具有用于闭合所述接收部(40)的盖，以用于在闭合所述接收部的同时将残余材料从所述肩部(30)收集到所述接收部(40)内。
3.根据权利要求I或2所述的装置，其中，所述电泳单元为多隔室容器(60)。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，多隔室浆料容器(60)由容器(60)外壳体制成， 其中凸缘固定在所述容器(60)的内侧以形成所述隔室。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述凸缘焊接到所述容器(60)外壳体内。
6.根据权利要求3所述的装置，其中，所述多隔室浆料容器(60)为单个整体件。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的装置，其中，所述电泳单元或多隔室容器(60) 与所有其他部件电隔离。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的装置，其中，所述电泳单元或多隔室容器(60) 为阴极。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的装置，其中，所述阳极盘(50)竖直地布置在所述电泳单元或隔室内。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的装置，其中，所述阳极盘(50)安装在驱动轴 (7)上用于旋转。
11.根据权 利要求10所述的装置，其中，所述阳极盘(50)通过固定凸缘固定在所述驱动轴(7 )上，从而限定所述阳极盘(50 )之间的间距。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其中，设有跳线环以使所述阳极电连接。
13.根据权利要求I至12中任一项所述的装置，其中，每个电泳单元或隔室具有位于底部处的用于浆料的入口开口和位于上边缘处的溢出部。
14.根据权利要求I至13中任一项所述的装置，其中，所述支承结构是由铝制成的框架(5)。
15.根据权利要求I至14中任一项所述的装置，其中，所述阳极是耐腐蚀的。
16.根据权利要求I至15中任一项所述的装置，其中，所述阳极包括钛。
17.根据权利要求I至16中任一项所述的装置，其中，所述接收部(40)具有半圆筒形形式或半矩形形式。
18.根据权利要求I至17中任一项所述的装置，其中，每个分离单元由合成材料特别是聚四氟乙烯(PTFE)制成。
19.根据权利要求I至18中任一项所述的装置，其中，所述活塞(20)是气动驱动的。
20.根据权利要求I至19中任一项所述的装置，其中，所述阳极在每个周期的旋转角度为大约10。-15。。
21.根据权利要求I至20中任一项所述的装置，其中，所述阳极盘(50)的停留时间长度为大约3分钟。
22.根据权利要求I至21中任一项所述的装置，其中，20V电压被施加到所述电极上。
23.根据权利要求I至22中任一项所述的装置，其中，所施加的用于脱水的浆料具有以干燥重量计算的介于10%至50%之间的矿物含量。
24.根据权利要求I至23中任一项所述的装置，其中，所述矿物为负电荷的分散碳酸钙。
25.作为根据权利要求I至24中任一项所述的用于浓缩浆料的装置的一部分的分离单元，所述分离单元包括活塞(20)和用于接收旋转阳极的滤饼材料的接收部(40)，所述接收部(40)的肩部(30)的尺寸被设定成将所述肩部作为用于将固体材料或滤饼从所述阳极中移去的刮擦凸缘，而活塞(20)用于将所收集的材料或滤饼从所述接收部(40)中压出。
26.根据权利要求25所述的分离单元，其中，滑动托架(10)具有用于闭合所述接收部 (40)的盖(11)，以用于在闭合所述接收部(40)的同时将残余材料从所述肩部(30)收集到所述接收部(40)内。
27.根据权利要求25或26所述的分离单元，其中，所述分离单元由合成材料特别是聚四氟乙烯制成。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的分离单元，其中，所述活塞(20)是气动驱动 的。
29.根据权利要求25至28中任一项所述的分离单元，其中，所述接收部具有半圆筒形形式或半矩形形式。
30.使用根据权利要求I至24中任一项所述的装置或根据权利要求25至29所述的分离单元来浓缩浆料的方法，所述方法包括下述步骤a.将具有分散颗粒的浆料引入所述装置的所述电泳单元中；b.向所述电泳单元的静置电极施加电压；c.使每个阳极旋转预定的旋转角度并且将静置固体材料或滤饼剥离到所述装置的所述分离单元的所述接收部(40)内；d.可选地使用滑动托架闭合所述接收部(40);e.使用活塞(20)将所述固体材料或滤饼从所述分离单元中压出；f.可选地经由每个电泳单元的入口开口将新的浆料引入所述电泳单元内且经由出口移除过多的浆料，并且重复步骤a至f。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，在将材料或滤饼剥离到所述接收部(40)内之后使用滑动托架(10)闭合所述分离单元的所述接收部。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其中，所述过程被连续地、间隔地或通过依次填充每个隔室而被驱动。
33.根据权利要求30至32中任一项所述的方法，其中，所述浆料含有矿物颗粒。
34.根据权利要求30至33中任一项所述的方法，其中，所述分散颗粒带负电荷。
35.根据权利要求30至34中任一项所述的方法，其中，所述浆料含有负电荷的分散碳酸钙。
36.根据权利要求30至35中任一项所述的方法，其中，所施加的用于脱水的浆料含有以干燥重量计算的介于10%至50%之间的矿物含量。
37.根据权利要求30至36中任一项所述的方法，其中，大约20V的电压被施加。
38.根据权利要求30至37中任一项所述的方法，其中，所述旋转角度为10°-15°。
39.根据权利要求30至38中任一项所述的方法，其中，依据所述浆料的特性调节提升时间和间隔时间。
全文摘要
本发明涉及用于浓缩浆料特别是含有矿物的浆料的系统和方法。本发明提供了包括电泳单元和分离单元的系统，其中所述分离单元包括接收部，优选的为半圆筒形形式，所述接收部具有调节侧翼，所述调节侧翼用于将固体材料或滤饼与旋转阳极分离；以及滑动托架，所述滑动托架适于闭合所述接收部且在通过活塞将所述固体材料或滤饼从所述接收部中压出之前将停置的固体材料从所述侧翼剥离到所述接收部内。
文档编号C02F11/12GK102933505SQ201180026354
公开日2013年2月13日 申请日期2011年4月28日 优先权日2010年4月29日
发明者J·泽特曼, H·艾因施皮勒, M·施瓦茨 申请人:Omya发展股份公司