Использование импульсного электрического разряда в водной среде для обработки янтарного сырья

В работе представлены результаты по использованию импульсного электрического разряда в водной среде (эффект Юткина) для обработки янтарного сырья. Предлагаемый способ позволяет добиться высокой степени очистки поверхности янтаря, в том числе от окисленной корки, практически без разрушения исходных кусков, при этом не наблюдается налипания мелких фракций и других негативных явлений, тем же способом, но при других режимах обработки, можно измельчать некондиционное сырье для дальнейшего облагораживания. Фракционный состав получаемого материала и степень его очистки регулируются режимом обработки. Процесс не требует специализированной установки (успешно протекает на типовой пилотной установке), процесс промывки и ошкуривания янтаря совмещается в одной стадии, три технологических процесса (промывка, ошкуривание, дробление) можно вести на одной установке, что существенно снижает затраты на промышленную реализацию.

Ключевые слова: очистка янтаря, импульсный электрический разряд в водной среде, эффект Юткина.

Введение

В фундаментальном аспекте основное внимание исследователей - физиков в данной области посвящено изучению собственно разряда в жидких средах (в первую очередь - диэлектрических), но число работ весьма невелико и посвящено, в первую очередь, механизмам развития разряда. Текущее состояние исследований наилучшим образом отражено в статье Lesaint O. [1]. И монографии В. Я. Ушакова [2]. В этой же монографии говорится о недостаточности исследований в жидкостях, обладающих значительной проводимостью. Несмотря на это обработка различных материалов разрядом в водной среде, в частности эффект Юткина, известна довольно давно и применяется в различных отраслях [3], поскольку прямое преобразование электрической энергии в механическую более выгодно, чем любой преобразователь. В настоящее время известно множество способов обработки янтаря: начиная с ошкуривания на обдирочном агрегате [4]; ультразвуковой обработки [5,6] с добавлением абразива и поверхностно-активных веществ; гидроабразивной обработке [7]; гидроабразивной обработки с ферромагнитным порошком и воздействием электромагнитным полем, вибрацией, при постоянном нагревании до температуры, не превышающей температуру оплавления янтаря [8]; заканчивая обработкой тетрагидрофураном [9], с последующей промывкой водой под давлением с дополнительным воздействием ультразвуком (в отличии от всех перечисленных последний способ позволяет обрабатывать фракций до 16 мм и меньше). Однако все эти методы либо энергоемки, либо неэкологичны, либо дороги (в том числе из-за высоких потерь сырья). В этой связи было актуально изучить возможность использования метода, основанного на прямом преобразовании электрической энергии в механическую при помощи импульсного электрического разряда в водной среде(эффект Юткина) для обработки янтарного сырья.

Материалы и методы

Экспериментальные образцы

В работе использовали два вида сырья:

- янтарь природного происхождения фракции - 20+5.

- янтарь, полученный с Калининградского янтарного комбината.

Характерной особенностью образцов янтаря, полученного от АО «Калининградский янтарный комбинат», является его высокая лещадность. Почти все куски янтаря имеют плоскую пластинчатую форму с толщиной цельного материала в пластине от 1 до 5 мм. Количество материала в образце - 1 кг в каждом опыте. Подготовка исходного материала заключается в проверке его фракционного состава и взвешивания порции материала, предназначенной для очистки и дробления. 

Установка

Электрогидравлическая установка (рисунок .1.) состоит из электрической части (на рисунке не показана) и механической части, представляющей собой емкость, оснащенную разрядной камерой с рабочим разрядником и системой циркуляции рабочей жидкости и пульпы.

Приемная часть, в которой скапливается обработанный материал, выполнена в виде прямой вертикальной трубы. На рисунке 2. показан общий вид установки.

В рабочую емкость вода подается снизу и вытекает через четыре верхних полиэтиленовых сливных трубопровода на фильтр из геотекстиля.

Первая ступень разделения фракций происходит в рабочей емкости. Крупность вымываемой фракции определяется скоростью потока жидкости внутри рабочей емкости. Регулируя скорость подачи воды можно регулировать размер вымываемой фракции.

Вторая ступень разделения происходит на фильтре из геотекстиля. На геотекстиле остаются фракции, которые он не пропускает.

Фракции, проходящие через геотекстиль отстаиваются в специальной емкости под геотекстилем. Это еще одна ступень разделения фракций.

 

Рисунок 1 - Опытная электрогидравлическая установка для очистки и дробления янтаря. схема	Рисунок 2 -  Опытная электрогидравлическая установка для очистки и дробления янтаря. Общий вид

Режимы обработки

Режимы работы электрогидравлической установки определяются напряжением разряда, емкостью накопительного конденсатора, рабочим зазором в рабочем разряднике, временем обработки и скоростью восходящего потока рабочей жидкости.

Эксперимент по очистке и дроблению янтаря проводился на режимах, установленных исходя из опыта проведения подобных работ (таблица .1.).

Таблица 1. Режим работы электрогидравлической установки

 

Результаты и обсуждение

Очистка янтарного сырья

Основные геммологические свойства янтаря приводятся в документе [10], однако наиболее полно они описаны в стандарте предприятия Калининградский янтарный комбинат [11]. Оценка наличия включений, корки производилась визуально, невооруженным глазом и под микроскопом. Так же визуально на срезах определяли степень дезинтеграции окисленной корки.

В результате эксперимента на образцах природного янтаря получен не только отмытый, но и с удаленной оксидной пленкой с поверхности (ошкуренный) янтарь рисунок 3.

Аналогичные результаты были получены  при обработке янтаря АО «Калининградский янтарный комбината (рисунок 4). На рисунке 5 и 6 показано сравнение поверхности очищенного и исходного янтаря  соответственно - на фотографиях под микроскопом при увеличении 40х и более кора исходных образцов имеет сравнительно большую толщину и сильно развитую поверхность. Под микроскопом хорошо видно, что кора не имеет резкой границы с телом янтаря. Она плавно переходит в основной массив. На поверхности янтаря, очищенного электрогидравлическим способом, кора практически отсутствует (см. рисунок 6).

Электрогидравлическая технология очистки позволяет удалять посторонние включения с поверхности без дробления самого янтаря. 

 

Рисунок 3 – Отмытый и ошкуренный природныйянтарь в сравнении с исходным	Рисунок 4 - Комбинат янтарный
Рисунок 5 -  корки исходного янтаря на срезах разных кусков.х40	Рисунок 6 - корки очищенного янтаря на срезах разных кусков.

 

Дробление некондиционного янтаря

Янтарь тонкого дробления находит широкое практическое применение. Однако при тонком дроблении обычными способами необходимо решить ряд проблем, обусловленных свойствами янтаря. Электрогидравлическая способ тонкого измельчения некондиционного янтаря обладает существенными преимуществами перед традиционным механическим размалыванием. Нами проведено экспериментальное дробление янтарного сырья, результаты которого показаны на диаграмме (рисунок 7).

Наибольшее количество в исходном природном янтаре составляет фракция -10+7.5 мм – около 56%. Фракции мельче 5 мм почти полностью отсутствуют. В рассеве измельченного природного материала отсутствует фракция крупнее 5 мм. Максимальное содержание приходится на фракцию -2,5+0,63 – почти 44 %. Внешний вид фракций приведен на рисунках 8-12.  Фракции имеют нехарактерный цвет, но при большом увеличении каждая частичка имеет типичный для янтаря вид (рисунок 13).

Рисунок 7 – Фракционный состав природного янтарного сырья до и после электрогидравлического измельчения

 

Эксперименты по тонкому дроблению проводились и с высоко лещадным янтарем АО «Калининградский янтарный комбинат». Рассеивание исходного янтаря показало, что 95% кусков имеют фракционный состав в пределах менее 20 и более 8 мм. Наиболее эффективным при дроблении янтаря оказался средний режим электрогидравлического эффекта. При этом больше половины дробленого янтаря приходится на фракцию -3+0,63 мм – 54,32%,а на фракцию 3 мм – 39,09%. Фракция меньше 0,63 вымывалась водой на специальный фильтр. Количество этой фракции составило 10%.

Выводы:

1. Электрогидравлическая технология позволяет добиться очень высокой степени очистки поверхности янтаря практически без разрушения исходных кусков.
2. Полученная при очистке измельченная кора легко улавливается в отмытом виде и может быть использована в качестве сырья для дальнейшей переработки.
3. Электрогидравлическая технология позволяет осуществлять дезинтеграцию некондиционного янтаря с высокой степенью измельчения даже без оптимизации режимов работы и не на специализированных установках, а установках общего назначения.
4. Дезинтеграция янтаря происходит раскалывающим ударным воздействием действующих факторов электрогидравлического эффекта в водной среде. Поэтому в активаторе не происходит никаких засорений, налипаний продуктов дробления и тому подобных побочных явлений.
5. Фракционный состав получаемого материала и степень его отмыва регулируются подбором режимов и применением нужных специальных активаторов. Оптимизация режимов работы установки требует проведения дополнительных экспериментов и достаточного количества исходных материалов.
6. Использование электрогидравлического эффекта позволяет сочетать в одной технологической стадии отмывку и ошкуривание янтарного сырья, а так же проводить в одном аппарате три технологических процесса – отмывка, ошкуривание и дробление.

Список литературы

1. Lesaint O. Prebreakdown phenomena in liquids: propagation ‘modes’ and basic physical properties опубликованной в Journal of Physics D: Applied Physics. — 2016. — Vol. 49, no. 14. — P. 144001.
2. "Пробой жидкостей при импульсном напряжении" / В. Я. Ушаков [и др.]; под ред. В. Я. Ушаков. — Томск: Изд-во НТЛ, 2005. — 488 с.
3. Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. — 253 с, ил. http://bourabai.ru/library/elektrogidravlicheski_effekt.pdf
4. (патент РФ № 2336165, публикация 2008 г.)
5. СПОСОБ ОЧИСТКИ ЯНТАРЯ Акопян В.Б., Бамбура М.В., Водопьянов В.В., Грязнов А.И., Шолохов Д.С. Патент на изобретение RU 2626468 C , 28.07.2017. Заявка № 2015155396 от 24.12.2015.
6. ОЧИСТКА ЯНТАРЯ ОТ ОКИСЛЕННОЙ КОРКИ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ Акопян В.Б., Бамбура М.В., Ступин А.Ю. В сборнике: Биотехнология: состояние и перспективы развития материалы VIII Московского Международного Конгресса. ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2015. С. 387.
7. (авт. свид. СССР № 207071, публикация 1967 г.)
8. (патент РФ № 2210483, публикация 2003 г.)
9. [https://findpatent.ru/patent/248/2486970.html]
10. ОСНОВНЫЕ ГЕММОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЯНТАРЯ http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_277937/b280eb5c0b0d17ce2ace41f2bd03669a342f83f1/
11. http://www.ambercombine.ru/customers_and_partners/description-of-amber/standart.pdf