polvos superfinos Se refiere a materiales con tamaños de partícula de micras a nanómetros. En el procesamiento de minerales, polvo ultrafino significa un tamaño de partícula 100% inferior a 30 μm. Los nanomateriales presentan propiedades únicas como el efecto de tamaño y el efecto túnel cuántico macroscópico. Estas propiedades hacen que los nanomateriales se utilicen ampliamente en muchos campos. Sin embargo, los nanomateriales tienen grandes áreas superficiales específicas y alta actividad. Son muy inestables y se aglomeran fácilmente, perdiendo sus propiedades originales. La aglomeración reduce el valor del material y limita su rendimiento. También aumenta la dificultad en la preparación y el almacenamiento de los nanomateriales. Por lo tanto, la aglomeración es un desafío técnico clave en el desarrollo de nanomateriales.
Aglomeración de polvos ultrafinos
La aglomeración de polvos ultrafinos se produce cuando las partículas primarias se unen formando cúmulos más grandes. Esto ocurre durante los procesos de preparación, separación, manipulación y almacenamiento. Actualmente, se reconocen tres causas principales de aglomeración de polvos ultrafinos. En primer lugar, las fuerzas intermoleculares provocan la aglomeración. En segundo lugar, las fuerzas electrostáticas entre partículas dan lugar a la aglomeración. En tercer lugar, las partículas se unen entre sí cuando están suspendidas en el aire.
Las fuerzas intermoleculares provocan la aglomeración de polvos ultrafinos.
Cuando los materiales minerales son ultrafinos, las distancias entre partículas se vuelven extremadamente cortas. Las fuerzas de Van der Waals superan con creces la gravedad de las partículas. Por lo tanto, las partículas ultrafinas tienden a atraerse y aglomerarse. Los enlaces de hidrógeno y los puentes de humedad adsorbidos en las superficies de las partículas también provocan adhesión. Otros efectos de enlace químico favorecen aún más la agregación de partículas.
Las fuerzas electrostáticas entre partículas provocan aglomeración.
Durante el procesamiento ultrafino, los materiales minerales adquieren cargas por impacto y fricción. Las partículas ultrafinas recién formadas acumulan grandes cantidades de cargas positivas o negativas. Algunas protuberancias superficiales presentan cargas positivas, mientras que otras presentan cargas negativas. Estas partículas cargadas son altamente inestables. Para estabilizarse, se atraen entre sí y entran en contacto en puntos afilados. Esta conexión provoca la aglomeración de partículas. La fuerza electrostática es la principal fuerza impulsora de este proceso.
Unión de partículas en el aire
Cuando la humedad relativa supera los 651 TP3T, el vapor de agua se condensa en la superficie de las partículas. Se forman puentes líquidos entre ellas, lo que aumenta considerablemente la aglomeración.
Además, durante la molienda, los materiales minerales absorben grandes cantidades de energía mecánica o térmica. Por lo tanto, las nuevas partículas ultrafinas presentan una energía superficial muy alta. En este estado, las partículas son altamente inestables. Para reducir la energía superficial, tienden a agregarse y acercarse entre sí. Esto también facilita la aglomeración de partículas.
La aglomeración de nanomateriales se divide en aglomeración blanda y aglomeración dura. La aglomeración blanda se debe a fuerzas intermoleculares y fuerzas de van der Waals. Es relativamente fácil eliminar la aglomeración blanda. Existen cinco teorías que explican la formación de aglomeración dura: adsorción capilar, enlaces de hidrógeno y puentes cristalinos. También existen teorías de enlaces químicos y de difusión de átomos superficiales. Sin embargo, aún no se ha establecido una explicación unificada. Actualmente, muchos estudios se centran en tecnologías de dispersión para prevenir la aglomeración de polvos ultrafinos.
Dispersión de polvos ultrafinos
La dispersión de polvos ultrafinos se refiere principalmente a dos tipos de estados de dispersión.
Una es la dispersión en un medio gaseoso. La otra es la dispersión en un medio líquido.
Método de dispersión en fase líquida
Método de dispersión mecánica
La dispersión mecánica utiliza fuerzas de cizallamiento o impacto externas para dispersar nanopartículas en un medio. Los métodos incluyen molienda, molino de bolas, molino de pasadores, molino de chorro de aire, y agitación mecánica.
El principal problema de la agitación mecánica es que las partículas pueden volver a agruparse al salir de la turbulencia. Una vez que las partículas abandonan el campo turbulento, el entorno externo puede provocar que se reagrupen. Por lo tanto, el uso de agitación mecánica con dispersantes químicos suele dar mejores resultados de dispersión.
método de dispersión química
La dispersión química es un método ampliamente utilizado para dispersar suspensiones de polvo ultrafino en la producción industrial. Mediante la adición de electrolitos inorgánicos, tensioactivos y dispersantes poliméricos, se modifica la superficie del polvo.
Esto altera la interacción entre el polvo y el medio líquido, logrando la dispersión.
Entre los dispersantes se incluyen tensioactivos, electrolitos inorgánicos de molécula pequeña, dispersantes poliméricos y agentes de acoplamiento. De ellos, los dispersantes poliméricos son los más utilizados, siendo los polielectrolitos los más importantes.
Método ultrasónico
El control ultrasónico consiste en someter la suspensión industrial a un campo ultrasónico. Ajustando la frecuencia y la duración, se logra la dispersión completa de las partículas. El ultrasonido es especialmente eficaz para dispersar nanopartículas. La dispersión ultrasónica utiliza la cavitación para generar altas temperaturas, presiones, ondas de choque y microchorros. Estos elementos debilitan las fuerzas de interacción entre las nanopartículas, evitando la aglomeración y asegurando la dispersión. Sin embargo, debe evitarse la agitación ultrasónica excesiva. Con el aumento del calor y la energía mecánica, se incrementan las colisiones entre partículas, lo que provoca una mayor aglomeración.
Métodos de dispersión en fase gaseosa
Secado y dispersión
En ambientes húmedos, los puentes líquidos entre las partículas de polvo son la principal causa de aglomeración. El secado de materiales sólidos implica dos procesos básicos. Primero, se aplica calor al material para vaporizar la humedad. Segundo, el vapor de agua se difunde en la fase gaseosa. Por lo tanto, prevenir la formación de puentes líquidos o romper los existentes es fundamental para garantizar la dispersión. La mayoría de los procesos de producción de polvo utilizan el calentamiento y el secado como paso previo.
Dispersión mecánica
La dispersión mecánica se refiere al uso de fuerza mecánica para separar partículas aglomeradas. La condición necesaria es que la fuerza mecánica (esfuerzo cortante y compresivo) supere la fuerza de adhesión. Generalmente, la fuerza mecánica se genera mediante discos impulsores giratorios de alta velocidad o impacto de chorro de aire a alta velocidad. Esto produce un fuerte flujo de aire turbulento. Por ejemplo, en molinos de chorro de aire y molinos de pines, entre otros.
La dispersión mecánica es relativamente fácil de lograr. Sin embargo, se trata de un método de dispersión forzada. Si bien las partículas aglomeradas pueden romperse en el dispersor, sus interacciones permanecen inalteradas. Tras salir del dispersor, las partículas pueden volver a agruparse. Además, la dispersión mecánica puede triturar partículas frágiles. A medida que el equipo mecánico se desgasta, la eficiencia de la dispersión disminuye.
Dispersión electrostática
En partículas homogéneas, la similitud de la carga superficial provoca repulsión electrostática. Por lo tanto, las fuerzas electrostáticas pueden utilizarse para la dispersión de partículas. La clave reside en cómo cargar completamente el grupo de partículas. Métodos como la carga por contacto y la carga por inducción permiten cargar las partículas. El método más eficaz es la carga por efecto corona. Este método utiliza una descarga de corona para formar una cortina de iones que carga las partículas. Las partículas reciben una carga de la misma polaridad. La repulsión electrostática entre las partículas cargadas las dispersa.
Conclusión
Existen muchos otros métodos para la modificación de polvos ultrafinos, que difieren considerablemente de los métodos convencionales. Sin embargo, independientemente del método, se requiere mayor investigación sobre los principios de modificación. El objetivo es encontrar nuevos métodos adecuados para diversas necesidades de modificación y para la producción práctica.
Esto requiere optimizar los procesos de modificación basándose en un profundo conocimiento de los mecanismos de modificación. Necesitamos desarrollar procesos de tratamiento integrales que permitan alcanzar múltiples objetivos de modificación. Además, se requieren modificaciones en los equipos químicos generales existentes para adaptarlos a la modificación de superficies. En conclusión, esto exige cooperación y progreso continuo en toda la industria de polvos, el ámbito académico y la investigación.
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