Цветные металлы - это металлы, которые не содержат железа в своем составе, например, медь, алюминий, свинец, цинк, никель и другие. Они широко используются в различных отраслях промышленности и бытовой технике, так как обладают ценными свойствами, такими как электропроводность, теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность и др.
Однако для того, чтобы эти металлы можно было перерабатывать и повторно использовать, необходимо отделить их от других материалов, таких как черные металлы, пластик, стекло, дерево и т.д. Для этого применяются различные методы сепарации, основанные на физических принципах.
Сепарация — это процесс разделения смешанных или совместных материалов на отдельные части по какому-либо признаку.
Сепарация по магнитным свойствам
Один из принципов сепарации - это магнитное свойство материалов. Магнитные материалы подвержены воздействию магнитного поля и могут быть притянуты или оттолкнуты магнитом. Немагнитные материалы не реагируют на магнитное поле и не изменяют своего положения. Исходя из этого, можно разделить материалы на три группы: магнитные, немагнитные и парамагнитные.
Магнитные материалы - это те, которые сами являются магнитами или могут быть намагничены постоянным магнитом, например, железо, никель, кобальт и их сплавы. Немагнитные материалы - это те, которые не поддаются намагничиванию и не взаимодействуют с магнитным полем, например, медь, алюминий, свинец, цинк, пластик, стекло и др. Парамагнитные материалы - это те, которые слабо намагничиваются в присутствии магнитного поля и слабо притягиваются к нему, например, марганец, титан, хром и др.
Цветные металлы, в отличие от черных, не являются магнитными или слабо магнитными. Однако некоторые из них, такие как алюминий, медь, свинец, цинк и никель, обладают свойством электромагнитной индукции, то есть способностью создавать в себе магнитное поле под действием переменного магнитного поля. Это позволяет разделять их от немагнитных материалов, таких как пластик, стекло, дерево и т.д., с помощью специальных устройств которые создают магнитное поле разной силы и конфигурации.
Например, магнитный барабан, магнитный шкив и др. Они работают по следующему принципу: материал подается на устройство, где он подвергается воздействию магнитного поля. Магнитные частицы прилипают к магниту или отклоняются от него, в то время как немагнитные частицы продолжают свое движение по инерции. Таким образом, достигается разделение материалов по их магнитным свойствам.
Шкивный магнитный сепаратор
Сепарация по электрическим свойствам
Для сепарации парамагнитных и немагнитных материалов используются другие методы, основанные на разнице в электрических свойствах материалов. Электрические свойства материалов определяют их способность проводить электрический ток или накапливать электрический заряд. Исходя из этого, можно разделить материалы на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводники - это те, которые хорошо проводят электрический ток, например, металлы. Диэлектрики - это те, которые плохо проводят электрический ток, но хорошо накапливают электрический заряд, например, пластик, стекло, керамика и др. Полупроводники - это те, которые могут менять свою проводимость в зависимости от внешних условий, например, температуры, освещенности, приложенного напряжения и др., например, кремний, германий, селен и др.
Для сепарации проводников и диэлектриков используются различные устройства, которые создают электрическое поле или ток разной силы и конфигурации. Например, электростатический сепаратор, электродинамический сепаратор, электролитический сепаратор и др.
Они работают по следующему принципу: материал подается на устройство, где он подвергается воздействию электрического поля или тока. Проводники пропускают через себя электрический ток или индуцируют в себе электрический заряд, который взаимодействует с электрическим полем или током и изменяет скорость или направление движения материала.
Диэлектрики не пропускают через себя электрический ток или слабо индуцируют в себе электрический заряд, который слабо взаимодействует с электрическим полем или током и не изменяет скорость или направление движения материала. Таким образом, достигается разделение материалов по их электрическим свойствам.
Анализ по спектроскопическим методам
Для идентификации материалов по их химическому составу и физическим характеристикам используются различные аналитические методы, основанные на спектроскопии.
Спектроскопия - это изучение взаимодействия света с веществом, при котором вещество поглощает, излучает или рассеивает свет разных длин волн. Каждое вещество имеет свой уникальный спектр, который зависит от его атомного или молекулярного состава и структуры. Исходя из этого, можно определить тип и количество элементов или соединений, присутствующих в веществе.
Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС, LIBS)
Один из примеров спектроскопического метода - это лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС, LIBS). Это метод, при котором на поверхность вещества направляется короткий и мощный лазерный импульс, который испаряет часть материала и образует плазму, состоящую из ионизированных атомов и молекул. Плазма излучает свет, который анализируется с помощью спектрометра. По спектру можно определить химический состав вещества, так как каждый элемент имеет свои характерные линии излучения.
Для того, чтобы измерить концентрации легирующих элементов в сплавах, необходимо калибровать измерительный прибор. По умолчанию в приборе хранятся методы калибровки, которые анализируют содержание элементов Cu, Fe, Mg, Mn, Si, Zn и Cr. Эти элементы являются наиболее распространенными в сплавах алюминия, меди, железа и других металлов. Калибровка прибора осуществляется с помощью стандартных образцов, которые имеют известный состав и свойства.
Этот метод позволяет быстро и точно идентифицировать материалы, такие как металлы, стекло, керамика и др., без предварительной подготовки образца. Он также может использоваться для определения примесей, присутствующих в материале, или для измерения концентрации элементов.
Рентгеновская флуоресцентная спектроскопия (XRF)
Другой пример спектроскопического метода - это рентгеновская флуоресцентная спектроскопия (XRF). Это метод, при котором на вещество направляется рентгеновское излучение, которое возбуждает атомы вещества и заставляет их переходить на более высокие энергетические уровни. При возвращении на более низкие уровни атомы излучают флуоресцентное излучение, которое также анализируется с помощью спектрометра.
Этот метод позволяет идентифицировать материалы, содержащие элементы от алюминия до урана, с высокой точностью и чувствительностью. Он также может использоваться для определения толщины слоев, покрывающих материал, или для измерения распределения элементов по поверхности.
Сепарация по плотности и размеру
Другие методы сепарации цветных металлов основаны на разнице в плотности и размере частиц материалов.
Плотность - это физическая величина, которая характеризует массу материала в единице объема. Размер - это физическая величина, которая характеризует линейные размеры материала или его частиц. Исходя из этого, можно разделить материалы на три группы: тяжелые, легкие и средние.
Тяжелые материалы - это те, которые имеют высокую плотность и большой размер, например, свинец, цинк, никель и др. Легкие материалы - это те, которые имеют низкую плотность и маленький размер, например, пластик, стекло, дерево и др. Средние материалы - это те, которые имеют среднюю плотность и размер, например, алюминий, медь, марганец и др.
Для сепарации тяжелых, легких и средних материалов используются различные устройства, которые создают гравитационное, центробежное или аэродинамическое поле разной силы и конфигурации. Например, гравитационный сепаратор, центробежный сепаратор, аэродинамический сепаратор и др.
Они работают по следующему принципу: материал подается на устройство, где он подвергается воздействию гравитационного, центробежного или аэродинамического поля. Тяжелые частицы под действием силы тяжести, центробежной силы или силы сопротивления воздуха перемещаются к нижней или периферийной части устройства, в то время как легкие частицы перемещаются к верхней или центральной части устройства. Средние частицы занимают промежуточное положение. Таким образом, достигается разделение материалов по их плотности и размеру.
Сепарация по оптическим свойствам
Еще один метод сепарации цветных металлов основан на разнице в оптических свойствах материалов.
Оптические свойства материалов определяют их способность отражать, преломлять, поглощать или пропускать свет разной длины волны. Исходя из этого, можно разделить материалы на три группы: светлые, темные и цветные.
Светлые материалы - это те, которые хорошо отражают свет, например, алюминий, серебро, золото и др. Темные материалы - это те, которые плохо отражают свет, но хорошо поглощают его, например, железо, уголь, графит и др. Цветные материалы - это те, которые отражают или поглощают свет определенной длины волны, придавая материалу определенный цвет, например, медь, марганец, хром и др.
Для сепарации светлых, темных и цветных материалов используются различные устройства, которые создают оптическое поле или поток света разной длины волны и интенсивности. Например, оптический сепаратор, лазерный сепаратор, фотоэлектрический сепаратор и др.
Они работают по следующему принципу: материал подается на устройство, где он подвергается воздействию оптического поля или потока света. Светлые частицы отражают свет и изменяют свою траекторию под действием силы давления света, в то время как темные частицы поглощают свет и не изменяют свою траекторию. Цветные частицы отражают или поглощают свет определенной длины волны и изменяют свою траекторию в зависимости от цвета. Таким образом, достигается разделение материалов по их оптическим свойствам.
Заключение
В статье рассмотрены различные методы сепарации цветных металлов по их физическим свойствам, таким как магнитные, электрические, плотностные, оптические и спектроскопические. Описаны принципы действия и области применения разных устройств для разделения цветных металлов от других материалов, таких как черные металлы, пластик, стекло, дерево и т.д. Приведены примеры аналитических методов для идентификации материалов по их химическому составу и физическим характеристикам.