جدا سازی ذرات میکرونی با استفاده از دستگاه جدا ساز مغناطیسی

چکیده:

جداسازی مغناطیسی، و به‌خصوص جداسازی مغناطیسی با شیب زیاد به ‌سرعت در صنایع معدنی و دیگر صنایع مقبولیت پیدا کرده است. اکنون با پیدایش جداسازهای مغناطیسی ابررسانا و صرفه ‌جویی در انرژی همراه با آن، این تکنیک حتی جذابیت بیشتری پیدا کرده است. در قسمت اول این مقاله، پس از معرفی جدا سازی مغناطیسی نگاه کوتاهی به اصول فیزیکی این فرایند می‌اندازیم. نیروی مغناطیسی و تولید میدان‌های مغناطیسی را نیز مختصراً بررسی می‌کنیم. سپس دستگاه‌های موجود در آزمایشگاه جداسازی مغناطیسی دانشگاه ساؤث هامپتون را شرح می‌دهیم. در قسمت‌دوم، نتایج آزمایش‌های انجام شده روی یک کانه‌ی مرکب حاوی اورانیوم، نیوبیوم و سزیوم ارائه می‌شود. آزمایش‌های جداسازی مغناطیسی روی نمونه‌های این سنگ معدن هم به صورت تر و هم به صورت خشک انجام شده است. آزمایش‌های حالت خشک نتایج قابل توجهی به‌دست‌داده‌اند. این آزمایش‌ها هنوز هم ادامه دارند.

مقدمه

یکی از مسائل عمده‌ای که تقریباً در تمامی صنایع، اعم از انرژی هسته‌ای یا داروسازی، با آن مواجه هستیم، جدا کردن ذرات کوچک (به قطر تقریبی از یک تا صد میکرون) از یک مخلوط است. به عنوان مثال در تلخیص فلزات از کانه (سنگ معدن)، با تمام شدن منابع طبیعی غنی ناچار باید از کانه‌های فقیرتر استفاده کرد، و در بسیاری موارد برای آزاد کردن فلز مورد نظر باید این سنگ‌ها را خرد کرد تا به صورت ذرات میکرونی درآیند. البته برای جدا‌کردن ذرات کوچک، روش‌های مختلفی، مثل شناور کردن، رسوب دادن، استفاده از واکنش‌های شیمیایی و غیره وجود دارد. روش جدیدی که در دو دهه‌ی اخیر کشف شده و مورد استفاده‌ی صنعتی قرار گرفته است (هرچند هنوز مراحل اولیه و آزمایشی را می‌گذراند) جداسازی مغناطیسی در میدان‌های با شیب (گرادیان) زیاد است. برای تفهیم این روش، ابتدا لازم است خواص مغناطیسی اجسام را به طور خلاصه بررسی کنیم. خاصیت مغناطیسی اجسام ناشی از گشتاور مغناطیسی اتم است. البته ارتباط میان این دو پیچیده است و مستلزم تحلیل کوانتومی است. ولی در محدوده‌ی این مقاله می‌توان هر اتم را یک آهنربای بسیار کوچک پنداشت. این آهنرباهای کوچک (اتم‌ها)، در حالت عادی، به علت حرکت گرمایی اتم‌ها، در تمامی جهت‌های ممکن قرار می‌گیرند، ولی در حضور میدان مغناطیسی خارجی به درجات مختلف به موازات میدان در می‌آیند. میزان موازی شدن گشتاور مغناطیسی اتم‌ها با میدان خارجی را مغناطیدگی می‌نامند. اجسام را از نظر رابطه‌ی میان مغناطیدگی و شدت میدان مغناطیسی خارجی به سه دسته می‌توان تقسیم کرد. گروه اول (a^´ تا a) در میدان مغناطیسی خارجی به‌سرعت خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند ولی وقتی شدت میدان‌خارجی از حد به‌خصوصی بالاتر رفت به حالت اشباع می‌رسند. این اجسام را فرومغناطیس می‌نامند. فقط سه‌عنصر آهن، نیکل و کوبالت و پاره‌ای از ترکیبات آن‌ها فرومغناطیس‌اند. ناگفته نماند که خاصیت مغناطیسی ایجاد شده در این اجسام، حتی پس از ناپدید شدن خارجی، تا حدودی باقی می‌ماند، در صورتی که در گروه دیگر به محض از میان رفتن میدان خارجی خاصیت مغناطیسی ایجاد شده نیز به‌کلی از بین می‌رود. در اجسام گروه دوم (b) خاصیت مغناطیسی با شدت میدان خارجی به‌تدریج بالا می‌رود اما به اشباع نمی‌رسد. این اجسام را پارامغناطیس می‌نامند. بیشتر عناصر موجود در طبیعت و ترکیبات آن‌ها جزو این گروه‌اند. باید دانست که در صورت ایجاد میدان‌های مغناطیسی خیلی شدید، می‌توان خاصیت مغناطیسی شدیدی به این اجسام داد. بالاخره گروه سوم (c) را دیامغناطیس می‌نامند. گشتاور مغناطیسی اتم‌های این اجسام به موازات میدان مغناطیسی خارجی ولی در خلاف جهت آن قرار می‌گیرد. این گروه شامل تعداد کمی از عناصر و ترکیبات مربوط به آن‌هاست.

نیروی مغناطیسی

در جداسازی مغناطیسی، عامل جداسازی یک ذره‌ی مغناطیسی از ذرات غیرمغناطیسی، نیرویی است که میدان مغناطیسی خارجی بر آن ذره وارد می‌کند. پس بهتر است نحوه‌ی عمل کرد این نیرو را کمی دقیقتر بررسی کنیم. میدان مغناطیسی یکنواخت دو ‌نیروی مساوی ولی با علامت مخالف بر دو قطب مغناطیسی یک ذره‌ی مغناطیسی وارد می‌کند. در این صورت برآیند نیروهای وارد بر ذره صفر است و میدان مغناطیسی خارجی تأثیری بر حرکت آن ندارد. پس برای اینکه میدان مغناطیسی خارجی نیرویی بر یک ذره‌ی مغناطیسی وارد کند باید دارای شیب زیاد باشد، یا به عبارت دیگر، میزان قدرت میدان در فواصل قابل مقایسه با ابعاد ذره به‌سرعت تغییر کند. در چنین میدانی برایند نیروهای وارد بر ذره صفر نیست و ذره به سویی که میدان مغناطیسی متراکم تر است کشیده خواهد شد. این اصل ساده پایه‌ی تمام دستگاه‌هایی است که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی و خواص مغناطیسی اجسام، ذرات مغناطیسی را از ذرات غیر مغناطیسی جدا می‌کنند.

تولید میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی را می‌توان به وسیله‌ی آهنربای دائمی یا به وسیله‌ی آهنربای الکتریکی به وجود آورد. محدودیت عمده‌ی آهنرباهای دلئمی شدت نسبتاً کم میدان مغناطیسی آن‌هاست. گرچه در سال‌های اخیر تکنولوژی تولید آهنرباهای دائمی پیشرفت چشمگیری داشته و آهنرباهای قوی، کم حجم و با قیمت‌های مناسب به بازار عرضه شده است با وجود این حداکثر میدان مغناطیسی حاصل از این آهنرباها بین 0.7 تا 0.8 تسلا (7000 تا8000 گاؤس) است. در آهنربای الکتریکی از این خاصیت استفاده می‌شود که جریان برق در یک رسانا (مثلاً یک سیم)، حول آن میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. بنابراین چنان چه جریان برق از یک سیم‌پیچ عبور کند یک میدان مغناطیسی نسبتاً یکنواخت در فضای داخل آن ایجاد می‌شود. شدت این میدان با شدت جریان برق و تعداد حلقه‌های سیم‌پیچ رابطه‌ی مستقیم دارد. در سیم‌ پیچ‌های معمولی، به علت اتلاف حرارتی انرژی، نمی‌توان به میدان‌های مغناطیسی بسیار شدید دست یافت و برای تولید میدان‌های مغناطیسی نسبتاً شدید در یک حجم نسبتاً زیاد، مولدهای بسیار بزرگ و پر خرج مورد نیاز است. در این‌جاست که استفاده از سیم‌ پیچ‌های ابر رسانا، ایجاد میدان‌های مغناطیسی بسیار شدید در حجم‌های بسیار بزرگ را با صرف انرژی کم امکان‌پذیر می‌کند. بحث درباره‌ی پدیده‌ی ابر رسانایی خارج از موضوع این مقاله است؛ فقط یادآوری می‌کنیم که برخی اجسام(مثلا سرب، قلع، تیتانیوم، و پاره‌ای از آلیازهای آن‌ها) در دماهای پایین‌تر از دمای بحرانی(عموماً حدود 10 کلوین) مقاومت الکتریکی خود را به‌کلی از دست می‌دهند و بنابراین می‌توان جریان‌های بسیار قوی را با صرف انرژی بسیار کم از آن‌ها گذراند. در جداسازهای مغناطیسی مدرن که هم اکنون در مرحله‌ی ساختمان و آزمایش‌اند اکثراً از الکترومغناطیس‌های ابر رسانا استفاده می‌شود. در این جداسازهای مغناطیسی، برای ایجاد شیب در میدان مغناطیسی، از سیم نازک فولادی بافته شده یا پشم فولادی (چیزی شبیه سیم ظرفشویی) استفاده می‌شود. این جسم را که برای ایجاد شیب در میدان مغناطیسی گذاشته می‌شود ماتریس می‌نامند. ماتریس علاوه بر ایجاد شیب در میدان مغناطیسی دو خاصیت دیگر نیز دارد: اولاً با هدایت شار مغناطیسی باعث بسته شدن مدار مغناطیسی می‌شود و ثانیاً برای جذب و نگه‌داری ذرات مغناطیسی سطح وسیعی فراهم می‌کند.

جداساز مغناطیسی با شیب زیاد

حال که تمام اجزاء یک جداساز مغناطیسی با شیب زیاد را شناختیم به نحوه‌ی کار آن می‌پردازیم. ابتدا نمونه‌ی مورد آزمایش (یعنی ماده‌ای که قرار است ذرات مغناطیسی‌اش را از ذرات غیر مغناطیسی آن جدا‌کنیم) از میان ماتریس مغناطیده گذرانده می‌شود. این عمل معمولاً به صورت تر انجام می‌گیرد (اگر چه در بعضی موارد جداسازی خشک کاراتر است)، یعنی ماده‌ی مورد آزمایش با آب یا محلول دیگری مخلوط می‌شود و به وسیله‌ی تلمبه با سرعت معین از میان ماتریس گذرانده می‌شود. در روش جدا سازی خشک، ماده‌ی مورد آزمایش (که عموماً ساییده شده و به صورت گرد درآمده است) تحت جاذبه‌ی زمین یا به توسط یک گاز حامل از میان ماتریس عبور می‌کند. آنچه از میان ماتریس می‌گذرد (یعنی جذب نمی‌شود) به عنوان بخش غیر مغناطیسی نمونه جمع‌اوری می‌شود. پس از یک مدت معین و عبور مقدار معینی ماده از میان ماتریس، میدان مغناطیسی خارجی قطع می‌شود. ذرات مغناطیسی، که بخش مغناطیسی ماده‌ی مورد آزمایش را تشکیل می‌دهند و به سطح ماتریس جذب شده‌اند، توسط فشار زیاد آب (یا گاز) شسته و جمع ‌آوری می‌شوند. بدین ترتیب جدا سازی مغناطیسی یک فرایند چرخه‌ای است و چرخه‌ی برقرار کردن میدان عبور ماده، قطع میدان، و شسته شدن بخش مغناطیسی مدام تکرار می‌شود. جوانب مختلف جدا سازی مغناطیسی از لحاظ نظری توسط پژوهشگران متعددی بررسی شده است که در اینجا وارد بحث آن نمی‌شویم. اما به عنوان مثال و جهت راهنمایی کسانی که بخواهند از این بحث‌ها استفاده کنند چند مقاله در این زمینه را نام می‌بریم: واتسون، واتسون، لوبورسکی و دراموند، بیرس و دیگران، فریدلاندر و دیگران، تاکایاسو و دیگران، گربر و دیگران.
حالا، قبل از شرح دستگاه‌ها و روش‌های تحقیقاتی مختلفی که در این آزمایشگاه به کار می‌رود، همچنین ارائه پاره‌ای از نتایج به دست آمده، به ذکر فهرست‌وار عمده‌ترین موارد کاربرد جداسازی مغناطیسی در صنایع مختلف می‌پردازیم:

1. جداسازی فلزات قیمتی یا استراتژیک از کانه‌های فقیر یا زباله‌های معدنی(که موضوع اصلی این مقاله است)،
2. تصفیه‌ی آب و فاضلاب،
3.بازیابی مواد مختلف از لجن‌های صنعتی،
4. پاکسازی سیستم آب نیروگاه‌های هسته‌ای از آلودگی‌های پرتوزا،
5. جداسازی سلول‌های بیولوژیکی،
6.پالایش هوا و گازهای صنعتی،
7. گوگردزدایی ذغال سنگ،
8. جمع آوری تراشه‌های فلزی موجود در روغن خنک کننده‌ی توربین‌های جت.

آزمایشگاه جداسازی مغناطیسی دانشگاه ساوت هامپتون

در شکل دستگاه جداسازی مغناطیسی با شیب زیاد نشان داده شده است. این دستگاه شامل زمپای حاوی سیملوله‌ی ابر رسانا و مخلوط کن و سیستم عبور محلول نمونه است. مجرای عبور محلول از میان زمپا و سیملوله می‌گذرد. شکل این مجرا استوانه‌ای، قطر آن 73 میلی‌متر، و طول آن 590 میلی‌متر است؛ هرچند میدان مغناطیسی فقط در طول 240 میلی‌متر از این مجرا یکنواخت است. بیشینه‌ی میدان این سیم‌لوله 8 تسلا (80000 گاؤس) است که با عبور یک جریان 75 آمپری به دست می‌آید. ماتریس در یک لوله از جنس پرسپکس تعبیه شده و در ناحیه‌ی یکنواخت میدان قرار می‌گیرد. در شکل، کپسول پرسپکس، ماتریس و نمونه‌ی سیم بافته شده، که از همان جنس ماتریس است، دیده می‌شود. قطر سیم 250 میکرون و جنس آن از فولاد ضدزنگ 430 است. نمونه‌های صنعتی، کاملاً خودکفا است. ما در این آزمایشگاه، خدماتی را به صنایع مختلف ارائه می‌دهیم.
ابتدا نمونه های دریافت شده از این صنایع را مطالعه می‌کنیم تا ببینیم آیا می‌توان مسئله‌ی مورد بحث را با جداسازی مغناطیسی حل کرد یا نه. چنانچه مشاهدات اولیه نشان بدهند که امکان استفاده‌ی اقتصادی از جداسازی مغناطیسی در آن مسئله وجود دارد، با بستن یک قرارداد درازمدت، آن صنعت را در طرح و کاربرد این روش یاری می‌دهیم. تاکنون بیشتر روی کاربردهای معدنی جداسازی مغناطیسی کار کرده‌ایم، هرچند که در موارد معدودی روی مواد دیگر از قبیل باکتری‌ها، مخلوط ذغال سنگ و نفت سنگین، مواد پرتوزا و غیره نیز تحقیقاتی انجام داده‌ایم. در بخش بعد نتایج تحقیقات اخیر خود را در جدا کردن اورانیوم، نیوبیوم و سزیوم از یک کانه‌ی مرکب ارائه می‌دهیم.

نتایج

کانه‌ی مورد بحث که از ایالات انتاریو و کبک، در کانادا آورده می‌شود. قبلاً به توسط بالهورن و دیگران مورد بررسی معدن شناختی قرار گرفته است. در این‌جا فقط به ذکر نتایج آزمایش‌های جداسازی مغناطیسی در جدا کردن ذرات اورانیوم، نیوبیوم و سزیوم می‌پردازیم. این آزمایش‌ها هم به صورت تر و هم به صورت خشک انجام شدند. در آزمایش‌های تر، صدگرم نمونه را با 20 لیتر آب مخلوط کردیم و آن را به وسیله‌ی تلمبه از میان ماتریس گذراندیم. در آزمایش‌های خشک، این نمونه تحت جاذبه‌ی زمین از میان ماتریس رد شد. سه نمونه از کانه آماده شده بود. نمونه‌ی اول را آن‌قدر خرد کردیم تا تمام ذرات آن کوچکتر از 63 میکرون باشند؛ به همین ترتیب ذرات نمونه‌ی دوم تا کوچکتر از 200 میکرون و نمونه‌ی سوم تا کوچکتر از 500 میکرون ساییده شدند. جداسازی مغناطیسی کلاً باعث بالارفتن محتوای این فلزات در بخش مغناطیسی( که عموماً از نظر وزنی کاهش چشم گیری نسبت به وزن کل نمونه پیدا می‌کنند) می‌شود. پس می‌توان از این روش برای بهره‌برداری از این کانه استفاده کرد. علاوه براین، نتایج جدا سازی معغناطیسی خشک حداقل به‌خوبی (و در بعضی موارد بهتر از) جداسازی مغناطیسی‌تر است، با این امتیاز که این نوع جداسازی ساده‌تر و کم خرج‌تر است. پس لازم است در این باره نیز تحقیقات بیشتری انجام بگیرد. ما هم اکنون مشغول انجام این آزمایش‌ها هستیم.