摩擦静电分选技术研究与应用进展①

申有悦，邵怀志，杨 晓，陶东平

（山东理工大学 资源与环境工程学院，山东 淄博 255091）

传统选矿技术大多属于湿式分选，需要在水介质中进行，比如广泛应用的浮选不仅需要消耗大量水资源，而且需要添加多种化学药剂，产生大量有毒有害废水，其中所含的重金属离子、药剂、悬浮物等对水体造成严重污染，对生态环境造成很大危害；同时有毒废水还会渗入地下土壤中，超过土壤的自我净化能力，对农作物生长产生不利影响［1］。另外，湿法选矿技术无法应用于干旱缺水地区矿产资源开发，也不适用于低品位矿物加工的预拋尾作业［2］，因此干法选矿技术越来越受到重视。

摩擦电选是一种干法选矿技术，能耗低、流程简单，广泛应用于农业产品清洁化生产、粉煤灰脱碳、矿物提纯、混合塑料分离、电子废弃物回收、食品净化等领域，并取得了良好的效果。该方法不使用药剂、选别过程无需脱水，也不改变物料的物理化学性质，不仅更加环保和经济，而且在干旱和严寒地区具有更广阔的应用前景。

本文主要介绍了摩擦静电分选技术与设备的研究进展，总结了该技术在粉煤灰脱碳、矿物提纯、废旧塑料回收方面的应用现状，展望了该技术未来的研究和发展方向，可为摩擦静电分选技术进一步发展提供参考。

1 摩擦静电分选原理

摩擦静电分选是一种有效的细颗粒干法分选技术，该技术利用目的矿物与脉石矿物颗粒导电率和介电常数等电性质的差异，在高压电场中进行分选［3］。物料经摩擦后，带电性质以及带电量均会发生变化。图1为带正电颗粒在电场中的受力情况，颗粒进入电场后，同时受到静电力、重力、气体阻力和气体曳力的作用，几种力的合力决定了颗粒在电场中的运动轨迹。静电力为带电颗粒提供水平加速度，因此颗粒的水平运动状态受静电力影响，而颗粒穿过分选室所用时间受制于颗粒的垂直运动状态。

图1 带正电颗粒在电场中的受力示意

由水平位移定义可得颗粒运动轨迹的表达式［3］为：

式中m为颗粒质量；x为水平位移矢量；t为时间；E为电场强度；q为颗粒带电量。

若考虑空气阻力和黏度η，半径为r的球形颗粒水平运动轨迹可表示为：

由式（2）可得颗粒速度与时间的函数关系为：

当t→∞时，颗粒离开电场之前的水平速度可表示为：

在这些条件下，颗粒离开电场之前的水平速度与颗粒质量无关。但当时间t在毫秒范围内时，质量对颗粒的水平运动影响较大从而对分选效果产生很大的影响。

颗粒在垂直方向的运动受到重力和气体阻力的作用，理论表达式为：

式中η为气体动力学黏度；g为重力加速度。

式（4）和式（6）表明颗粒的运动轨迹受颗粒所带电荷量、颗粒质量、颗粒半径以及电场强度的影响。颗粒的运动轨迹差别越大，分选效率越高。因此可以通过增加电场强度和增大颗粒表面电荷密度来提高分选效率。不同粒度的负电荷颗粒的典型运动轨迹如图2所示。在电场力作用下，它们向电场的正极偏移，这样就可以与向电场负极偏移的带正电荷的颗粒分离。

图2 电场中带负电荷的不同粒度颗粒的运动轨迹

2 摩擦静电分选设备

摩擦静电分选设备按照摩擦起电器输送矿粒方式的不同可以分为两类：一类是以机械力输送矿粒摩擦荷电，如带式摩擦起电器；另一类是以气流输送矿粒摩擦荷电，如流化床式摩擦起电器、旋流器式摩擦起电器和旋转摩擦起电器等［4］。机械力输送矿物摩擦起电时，给矿量大小直接影响荷电效果，给矿量大时，多数矿粒无法接触起电器，致使电选分选效率下降。流化床摩擦起电器存在的问题是微细颗粒难以流态化，从而难以分选。旋流器式摩擦起电器由于细颗粒集中在旋流器中心而造成荷电不足，分选效果欠佳。文献［5］设计了矩形管式摩擦电选机，但该设备摩擦荷电效果不理想，而且容易出现磨损和堵塞。文献［6］设计了对辊挤压摩擦起电器用于粉煤灰的分选，荷电效果较好，但设备易磨损，并且不适于粒径小且吸附性强的粉体。美国STI公司研制出了STI皮带式摩擦电选机［7］，这种电选机处理量大、荷电效率高，然而皮带的磨损和堵塞问题制约了其进一步发展。文献［8］改进了传统的旋流器式摩擦起电器，将其成功应用于塑料、固体废弃物等的荷电，但该起电器存在带电矿粒在沉砂口易堵塞和电性中和、细颗粒容易直接从溢流管排出难以荷电等缺陷。文献［9］发明了振动摩擦电选机，由于矿粒获得的电荷量少，分选效果较差，并且有处理量小的缺点。文献［10］发明的带式摩擦电选机工作较稳定，且处理量较大，但输送带磨损和堵塞问题严重，需要经常更换输送带。

传统摩擦电选机依靠高压气流带动颗粒造成与摩擦起电材料的摩擦，多数颗粒与摩擦体表面接触机会少，起电效率低，颗粒带电密度低，导致分选困难。颗粒带电量随给料量增加而减少，设备放大后处理量增大导致该问题更严重，只能小装置低处理量运行。而旋转摩擦静电分选机是一种新型自由下落式摩擦静电分选机，它利用专门设计的旋转起电器使颗粒带电，通过给旋转起电器施加外部电场，强化颗粒的起电效果，并可以独立控制起电室和分选室［11］。摩擦材料与不同表面电性质的粒子之间摩擦产生和转移的电荷不均匀或相反是电分离的前提。旋转摩擦静电分选机如图3所示。分选过程如下：物料经入料装置给入，与进风风流一同进入旋转摩擦轮中与旋转摩擦轮接触，在摩擦轮的转动下，颗粒与颗粒之间、颗粒与摩擦材料之间互相碰撞摩擦带电，并在外加电场强化作用下荷电。由于颗粒本身电子结合力等性质的差异，待分选物料所带电荷正负性及带电量均不同，物料经摩擦荷电后进入分选室，在高压电场作用下不同电性的物料在极板之间发生偏移，因运动轨迹不同实现分离，达到分选的目的。

图3 旋转摩擦静电分选机示意图

文献［12］开发出一种分离物料粒度可达10 mm的新型金属／塑料颗粒静电分离设备，该设备结构如图4所示。该设备基于相互交错的电极，其新颖之处在于对沉积在传送带上的金属颗粒施加电黏附力，可用于分离平均粒径1～10 mm的金属／塑料颗粒。

图4 新型金属／塑料颗粒静电分离设备

文献［13］研究出的采用直线移动电极的摩擦静电分选装置如图5所示，装置由两个极性相反的高压直流供电电源构成两个“来回”移动的水平板电极，电极在微粉颗粒的流化床内进行水平“来回”运动，以收集带电颗粒。该设备中摩擦带电和分离在同一区域同时发生。对平均粒径100 μm的微粉白色聚氯乙烯颗粒和灰色聚氯乙烯颗粒混合样品进行分选，结果表明该装置具有良好的分选效果，且分选效果取决于电压、电极运动速度、流化速度以及颗粒混合物组成比。

图5 采用直线移动电极的摩擦静电分选机

综上所述，国内外关于摩擦电选机的研究已经克服了许多问题，摩擦静电分选设备逐渐趋于完善，但这些设备仍有许多不足之处。大多数研究和开发工作的目标是在充电步骤中获得足够的选择性和足够强度的电荷，以及解决充电和运输微粒的空气动力学问题，对摩擦电选的理论研究相对比较匮乏，其中对摩擦起电器形状影响分选效率的研究涉及较少。因此，提高设备的处理能力、研究更加高效的摩擦静电分选设备是科研工作者未来的重点研究方向之一。

3 摩擦静电分选技术的应用研究

3.1 摩擦静电分选技术在粉煤灰脱碳领域的应用

粉煤灰是煤燃烧过程中产生的工业副产品，回收利用粉煤灰中未燃碳对减少能源浪费和灰的堆积、提高灰的利用价值和利用率具有显著的经济和环境意义；脱碳后的低烧失量粉煤灰是优良的建筑材料、道路建筑材料，其中也含有多种高值功能性材料［14］。

粉煤灰摩擦电选脱炭是根据粉煤灰中炭和灰的功函数不同，通过摩擦使炭和灰颗粒带上异种电荷，然后在同一静电场中实现炭和灰的静电分离。文献［15］针对影响粉煤灰摩擦电选的因素进行了大量试验研究，结果表明，颗粒粒度、电场强度、气流速度和荷质比对分选过程有显著影响，化学改性方法可以有效改善煤和矿物颗粒的摩擦荷电性能，扩大煤与矿物颗粒摩擦异性荷电。文献［16］利用旋转摩擦静电分选机对粉煤灰静电分离脱碳进行了研究，结果表明，粒径范围0.038～0.074 mm时脱碳效果较好。他们也对荷电粉煤灰颗粒进行了动态分析，证实电极板电压和修正风速是影响飞灰分离脱碳效率的关键因素，该研究结果对旋转摩擦静电分离性能及其脱碳效率的提高具有重要意义［17］。文献［18］利用Design-Expert系统中的Box-Behnken试验设计，以脱炭效率为优化指标，探究了粉煤灰摩擦电选脱碳的最佳试验条件，结果表明，进风风速3.7 m／s、矫正风速1.8 m／s、分选室隔板宽度2∶1∶3、分选电压40 kV时，获得了较好的脱碳效率，且优化值与实测值具有较高的吻合度。在后续研究中，采用Design-Expert系统中的Box-Behnken试验设计方法，证实分选效率随着摩擦轮转速增加先增加后降低，随着气流速度增加不断降低，随着分选电压增加不断增加，摩擦轮转速5 000 r／min、气流速度1.5 m／s、分选电压40 kV时，分选效率较高，为21.34%，微粉煤灰降灰效果良好［19］。该团队还利用柴油对微粉煤灰表面改性强化旋转摩擦静电分选，与未改性的微粉煤灰相比，精煤灰分及硫分均降低，精煤产率提高，有效提高了旋转摩擦静电分选粉煤灰脱硫降灰效果［20］。文献［21］使用旋转摩擦静电分选机将粉煤灰的烧失量减少到2%以下，证实旋转摩擦静电分选机在分选细粒煤方面的巨大潜力。

为研究摩擦器内颗粒的运动特性，文献［22］采用标准κ-ε湍流模型结合颗粒轨道模型，以粒径10 μm和74 μm的球形颗粒为研究对象，研究了不同颗粒在不同结构摩擦器内的运动速度和运动轨迹，并采用红外热像技术对摩擦器内的温度场进行研究，结果表明，颗粒粒径及摩擦棒分布是影响颗粒碰撞概率的重要因素，相同结构的摩擦器中，大颗粒的碰撞概率优于小颗粒；相同粒径的颗粒在正三角形摩擦器中的碰撞概率优于正方形摩擦器；且摩擦器内温度呈对称分布，温度较高的区域，颗粒的碰撞概率更大。在后续研究中，文献［4］采用标准κ-ε湍流模型，结合颗粒轨道模型，以粒径20 μm，40 μm和60 μm的球形炭、灰颗粒为研究对象，对不同进气速率和摩擦轮转速下的颗粒运动进行数值仿真，结果表明，影响颗粒在起电器内运动行为的因素包括入口速率、摩擦轮转速、颗粒粒径及种类等。在研究粒径范围内，颗粒粒径越大，平均速率越大，摩擦起电效果越好。粉煤灰颗粒主要通过与起电器外壳内壁面的碰撞摩擦以及颗粒间的碰撞摩擦进行荷电。文献［23］研究了反向进料摩擦电选装置中粉煤灰颗粒的受力情况，并通过分析不同操作条件下分选粉煤灰的烧失量探究出分选电压越大，分选湿度越低，粉煤灰分选效果越好，粉煤灰进入电场的速度对分选效果影响显著。文献［24］提出了一种非线性电场结构，通过建立几何模型和CFD-DEM耦合计算，探索了粉煤灰颗粒在非线性电场中的分离过程，研究了粉煤灰静电干法分离的主要影响因素，结果表明，采用非线性电场结构实现粉煤灰高效脱碳是可行的，与平行板相比，非线性电场在实验中具有更高的脱碳效率和更低的能耗。

与泡沫浮选分离相比，摩擦静电分离投资和运行成本较低［25］，与目前燃煤电厂广泛使用的干法粉煤灰排放方式更加兼容，利用摩擦静电分离方法研究粉煤灰脱碳应用越来越多，但距实现电选粉煤灰脱碳的大规模工业应用仍有一段距离。

3.2 摩擦静电分选技术在矿物提纯领域的应用

文献［26］利用旋转摩擦静电分选机对埃希迪亚磷矿进行分选，对脱泥和未脱泥的磷矿样品进行选别对比。对于脱泥的磷矿样品，当精矿品位为30.00%时，P2O5回收率为45.00%；而对于未脱泥的磷矿样品，精矿最高品位仅为25.91%，此时P2O5回收率为7.64%。证实摩擦静电技术可以对脱泥后的磷矿进行有效选别。该团队还评估了新型干式旋转摩擦静电分选技术用于磷矿选矿的技术可行性，并分析其独特性能，结果表明，该技术从粒级范围0.50～1.18 mm、P2O5品位10%的磷灰石给料中分选出了P2O5品位30%的精矿，P2O5回收率超过85%，酸不溶物排除率达到90%；同时将P2O5品位31%的精矿提纯到P2O5品位35%的高品位精矿，并显著降低了磷矿样品中的MgO含量［26］。

废旧电缆中同时含有金属以及聚合物，使用常规的选矿方法如浮选、磁选等会造成一定程度的资源浪费和经济不合理等问题，摩擦电选无疑是从废旧电缆中回收残留金属的最佳方法之一。文献［27］利用静电分离设备从废旧电缆中以91.20%的回收率获得铝质量分数为97.86%的精矿金属铝，证实了摩擦静电分离技术用于分离铝废电缆回收过程中残留铝的可能性。

我国钛铁矿资源储量丰富但品位较低，难以直接开发利用［28］。文献［29］对粒度0.074～0.125 mm的钛铁矿与长石、石英、云母脉石矿物组成的混合物料进行摩擦电选试验，考察分选电压、给料速度和风量对分选结果的影响。结果表明：给料速度4.7 g／s、分选电压20 kV、进风量80 m3／h时，钛铁矿分选效果最佳。随着摩擦静电分选微细粒技术持续改进，针对缺水地区加速开展钛铁矿摩擦电选研究，对于降低能耗、节约水资源、保护环境具有重要意义。

近些年来，硅藻土因其独特的物理和化学性质，如惰性、研磨性、绝缘性能、高纯度和质量轻，作为一种重要的工业矿物被开采利用［30］。通常，硅藻土原矿可以通过解聚、干燥、脱脆化和分级来处理，以生产天然级硅藻土产品。但硅藻土原矿纯度对于通过常规熔剂煅烧工艺生产过滤级成品非常重要，煅烧高碳酸钙的硅藻土材料既不经济也不环保。文献［31］利用一种先进的STET摩擦静电逆流带式分选机对硅藻土原矿或具有相对高CaCO3含量的天然级硅藻土产品进行选别以提升其品质，生产用于过滤级成品的煅烧炉进料，获得了碳酸钙含量10.9%、二氧化硅含量85.1%的高纯度产品，证实了STET技术在升级高CaCO3含量天然级硅藻土方面的潜力，相比常用的硅藻土提纯方法，摩擦静电分选不使用化学药剂、对环境污染小、极大地减少了水资源浪费，既经济又环保，是一种极具竞争力的硅藻土提纯方法。

摩擦静电分选在矿物提纯方面的应用范围不断扩大，但是工业生产中摩擦电选效率低和处理量小的问题制约了其进一步发展，研发高效的摩擦静电分选设备是推广摩擦静电分选技术的关键因素。

3.3 摩擦静电分选技术在混合塑料分离领域的应用

塑料垃圾已成为城市固体垃圾中的较大类别。目前混合塑料的回收方法大致分为两类：化学回收和机械回收。机械回收法相对化学回收法具有工艺简单、污染少、成本低的优势。现阶段常用的机械回收方法包括重力分选、光选、浮选以及摩擦电选。其中摩擦电选具有分选精度高、连续性好以及自动化程度高的优点，近年来越来越得到重视。

对于表面电性质不同的塑料废料，摩擦静电分离是一种高效的处理方式。首先给振动、旋转或流化床装置摩擦充电，然后将塑料废料引入电场，在库仑力作用下进行分类，正负电荷的颗粒被驱动到相反的电极，并收集在不同的收集装置中。

文献［32］研究了空气相对湿度对摩擦静电分选混合塑料的影响，认为电荷转移通过具有不同功函数的聚合物颗粒表面之间的中间水层进行，结果表明，分选产品品位和回收率的最佳值出现在空气相对湿度70%～90%的区间内。分选过程不需要使用额外设备来调节湿度，降低了安装成本。文献［33］通过对比旋风摩擦电选装置和流化床摩擦静电分选装置在混合塑料分离中的应用，证实旋风摩擦静电分选装置在提高待分选物料荷质比方面更有效。该团队还以粒度分别为1 mm和2 mm的聚氯乙烯（PVC）和高密度聚乙烯（HDPE）对比研究了旋转圆筒、摩擦旋风分离器、静态摩擦充电器、螺旋桨式装置和流化床5种常用摩擦充电装置的充电性能，结果表明，给料为PVC或HDPE纯样品时，摩擦旋风分离器更有效；给料为混合样品时，流化床装置在电荷和分离效率方面效果更好［34］。文献［35］使用基于流化床摩擦带电系统的摩擦静电分离设备有效分离了平均尺寸20 mm的白色和灰色聚氯乙烯颗粒组成的颗粒混合物，证实了摩擦静电分选技术在细颗粒分离方面的有效性。

文献［36］模拟和优化了由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）和高抗冲聚苯乙烯（HIPS）组成的混合物的分离，该混合物源自经破碎后的废弃计算机机箱，结果表明，在强电场条件下，流化空气速度是影响颗粒充电和分离的关键因素。该研究证明了摩擦静电分选方法从粒状废料中分离塑料的有效性。文献［37］采用两种模式对丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚四氟乙烯（PTFE）的混合塑料颗粒进行摩擦静电分选，如图6所示。模式1中，每次仅从混合颗粒中分离出一种物质；模式2中，混合颗粒被分成2组。表1为不同分离模式下的产物回收率，分选电压±35 kV，电极板倾斜角5°，分离模式1和2的产物平均回收率分别为72.44%和65.18%。表明模式1比模式2更有效。该实验结果也证实了摩擦静电分离技术在混合塑料回收方面的应用潜力。

图6 两种不同的混合塑料分离模式

表1 不同分离模式下的回收率和分离效率

文献［38］利用基于空气流在聚氯乙烯管中摩擦充电的聚合物废物静电分离装置分离聚氯乙烯与高密度聚乙烯废料和聚对苯二甲酸乙二醇酯的二元混合物以及聚氯乙烯／高密度聚乙烯／聚对苯二甲酸乙二醇酯三元混合物，表现出相当高的聚氯乙烯分离效率，如图7所示，该研究对于推进聚合物回收和环境保护具有重要意义。

图7 混合塑料摩擦静电分离结果

摩擦静电技术在混合塑料分离领域的应用已经很成熟，但洗涤和干燥处理成本较高，限制了静电分离在批量处理中的应用［39］。如何与其他机械化系统相结合进一步提高分离效率是科研工作者们接下来的研究方向之一。

4 总结与展望

摩擦静电分选是一种有效的细颗粒干法分选技术，其优越的分选性能已在粉煤灰、混合塑料、磷矿、细粒煤、铁矿等试验研究中被证实。但此方法仍存在一定局限性，例如对待分选物料的含水量要求高，需进行烘干；要求待分选物料粒级分布不能太宽等。为了推进摩擦静电分选技术进一步向工业化道路迈进，必须在提高矿物荷电和分选效率以及设备大型化方面继续努力。可以预见，随着干式磨矿、静电分级、高压电应用、机械制造以及相关的科学研究工作逐步发展完善，摩擦静电分选技术将会取得突破性进展。