بررسی تاثیر کمک سایش های پلیمری و معدنی بر عملکرد آسیاب غلتکی فایفر در فرآیند میکرونیزه کردن کائولین با تاکید بر حفظ خواص فیزیکوشیمیایی و بهینه سازی مصرف انرژی

بررسی تاثیر کمک سایش های پلیمری و معدنی بر عملکرد آسیاب غلتکی فایفر در فرآیند میکرونیزه کردن کائولین با تاکید بر حفظ خواص فیزیکوشیمیایی و بهینه سازی مصرف انرژی

امیر اسماعیل قندهاری

کارشناس آزمایشگاه کارخانه کائولین خراسان

مقدمه: هدف استفاده از کمک سایش

قصد داریم ماده معدنی کائولین را در یک آسیاب غلتکی از نوع فایفر (Pfeiffer) پودر کنید. هدف از افزودن «کمک سایش» این است که فرآیند آسیاب کردن را کارآمدتر کند، انرژی کمتری مصرف شود، از چسبندگی پودر به غلتک ها و بدنه آسیاب جلوگیری کند و در نهایت پودری با دانه بندی یکنواخت و ریزتر تولید کند. نکته حیاتی برای شما این است که این کمک سایش تاثیر منفی بر خواص شیمیایی، فیزیکی و رنگ کائولین (مانند سفیدی، ویسکوزیته و خلوص) نداشته باشد.

مکانیسم های کلی عملکرد کمک سایش ها

کمک سایش ها معمولا ترکیبات آلی مایع هستند که به مقدار بسیار کم (معمولا ۰.۰۱% تا ۰.۱% وزن ماده) به محفظه آسیاب اضافه می شوند. نحوه عملکرد آن ها به شرح زیر است:

ارتباط با فرآیند

شرح

مکانیسم

این امر از "کیک شدن" یا "اگلومره شدن" پودر کائولین در داخل آسیاب جلوگیری می کند و باعث روان تر شدن پودر و کارایی بهتر آسیاب می شود.

در حین آسیاب، ذرات بار الکتریکی پیدا می کنند و به یکدیگر می چسبند. کمک سایش با خنثی کردن این بارهای سطحی، از تجمع مجدد ذرات ریز جلوگیری می کند.

برهم کنش الکترواستاتیک

این مکانیسم می تواند منجر به توزیع یکنواخت تر اندازه ذرات شود و از پوشش دادن غلتک های آسیاب توسط کائولین (که بازدهی را drastically کاهش می دهد) جلوگیری نماید.

کمک سایش بر روی سطوح تازه ای از ذرات که در حین خردایش ایجاد شده اند، یک لایه نازک (فیلم) تشکیل می دهد. این لایه، انرژی سطحی ذرات را کاهش داده و تمایل آن ها برای چسبیدن به یکدیگر و به دیواره های آسیاب را کمتر می کند.

پوشش دهی سطحی

این موضوع مستقیما به صرفه جویی در انرژی مصرفی، افزایش ظرفیت تولید آسیاب و تولید پودر کائولین با جریان پذیری بهتر منجر می شود.

نتیجه نهایی دو مکانیسم بالا، کاهش چشمگیر چسبندگی و تجمع مجدد ذرات در حین و پس از آسیاب کاری است.

پوشش دهی سطحی

نکته بسیار مهم:کمک سایش ها عمدتا از دسته اسیدها/بازهای ضعیف یا بازهای لوویس هستند که قابلیت تبادل الکترون یا پروتون دارند. انتخاب نوع آن بستگی شدیدی به جنس ماده معدنی کائولین دارد.

دسته بندی کمک سایش ها بر اساس نوع ماده

1. کمک سایش های مبتنی بر آمین ها و گلیکول ها

این موارد بسیار رایج هستند اما به دلیل احتمال تاثیر بر رنگ، باید برای کائولین با احتیاط آزمایش شوند.

- مونو اتانول آمین (MEA)

- دی اتانول آمین (DEA)

- تری اتانول آمین (TEA) - یکی از متداول ترین ها.

- ایزوپروپانول آمین

- تری ایزوپروپانول آمین (TIPA)

- اتیلن گلیکول

- دی اتیلن گلیکول

- پلی اتیلن گلیکول (PEG)

2. کمک سایش های مبتنی بر اسیدهای آلی

این مواد می توانند به عنوان دیسپرسانت نیز عمل کنند.

- اسید استیک (و نمک های آن مانند استات سدیم)

- اسید سیتریک (اسید قوی و ارزان)

- اسید اگزالیک

- اسید تارتاریک

3. کمک سایش های مبتنی بر نمک های غیرآلی

- کربنات سدیم (سودا اش)

- تری پلی فسفات سدیم (STPP) - یک دیسپرسانت قوی برای سیلیکات ها.

- هگزامتافسفات سدیم (SHMP) - بسیار موثر برای مواد معدنی.

4. کمک سایش های پلیمری و سوپرپلاستی سایزرها

این گروه به دلیل سازگاری و عملکرد عالی، گزینه های بسیار مناسبی برای کائولین محسوب می شوند، چرا که طراحی شده اند تا با سطوح سیلیکاتی برهمکنش داشته باشند بدون اینکه اثر منفی بگذارند.

- پلی کربوکسیلات اتر (PCE)

- پلی اکریلات سدیم (PAAS)

- کوپلیمرهای اکریلیک اسید

5. سورفکتانت ها (مواد فعال سطحی)

- سورفکتانت های آنیونی مانند: دودسیل بنزن سولفونیک اسید (DDBSA)

- سورفکتانت های غیریونی مانند: پلی اتیلن گلیکول آلکیل اترها

راهنمای انتخاب و اقدام بعدی

1. اولویت ها:

- کمترین تاثیر بر سفیدی و خلوص:پلیمرها (مانند پلی اکریلات) و نمک های فسفات (مانند هگزامتافسفات سدیم) معمولا بی رنگ و بدون اثرات مخرب هستند.

- قیمت: اسیدهای آلی (مانند اسید سیتریک) و برخی نمک های غیرآلی معمولا ارزان تر هستند.

- کارایی بالا: کمک سایش های پلیمری (PCE) و تری اتانول آمین اغلب کارایی بسیار بالایی دارند.

2. گام بعدی و ضروری:

لیست بالا فقط یک نقطه شروع است. برای پیدا کردن بهترین گزینه برای کائولین خاص باید با تامین کنندگان مواد شیمیایی صنعتی تماس بگیرید و از آن ها درخواست نمونه (Sample) و برگه اطلاعات فنی (Technical Data Sheet) این محصولات را کنید. سپس آن ها را روی نمونه ای از کائولین در مقیاس آزمایشگاهی تست نمایید.

راهکار عملی برای انتخاب کمک سایش مناسب

1. تاثیر بر خواص کائولین را اولویت قرار دهید

سفیدی و رنگ: از کمک سایش هایی استفاده کنید که بی رنگ هستند و پس از فرآیند حرارتی، اثری از کربن به جای نمی گذارند. هرگونه ماده آلی که نسوز باشد می تواند سفیدی کائولین را تحت تاثیر قرار دهد.

ویسکوزیته: کائولین اغلب به صورت سوسپانسیون (اسلاری) استفاده می شود و ویسکوزیته پایین آن در درصدهای جامد بالا، یک ویژگی مهم است. کمک سایش نباید باعث افزایش غیرعادی ویسکوزیته یا ایجاد ژل شود.

خلوص شیمیایی: کمک سایش نباید مقادیر قابل توجهی از ناخالصی های مضر (مانند اکسیدهای آهن) را به محصول نهایی اضافه کند، زیرا این ناخالصی ها بر کیفیت نهایی محصول، به ویژه در صنایع سرامیک و کاغذ تاثیر منفی می گذارند.

2. گزینه های احتمالی را آزمایش کنید

پلی اکریلات سدیم (Sodium Polyacrylate): این گروه از پلیمرها به عنوان دیسپرسانت های قوی شناخته می شوند و می توانند برای پایدار کردن سوسپانسیون های معدنی بسیار موثر باشند. با توجه به ماهیت پلیمری، احتمال تاثیر منفی بر رنگ کمتر است.

هگزامتافسفات سدیم (SHMP): یک دیسپرسانت معدنی رایج برای مواد سیلیکاتی است. اگرچه ممکن است گزینه مناسبی باشد، اما باید تاثیر آن بر ویسکوزیته و خواص نهایی کائولین شما به دقت آزمایش شود.

اسیدهای آلی (مانند اسید سیتریک): این مواد معمولا ارزان قیمت هستند، اما به دلیل اسیدی بودن ممکن است بر ساختار شیمیایی کائولین در طولانی مدت تاثیر بگذارند و باید با احتیاط استفاده شوند.

3. از متخصصان صنعت مشورت بگیرید

بهترین راه، تماس مستقیم با تامین کنندگان مواد شیمیایی صنعتی است که به صنایع معدنی، رنگ و رزین یا سرامیک خدمت رسانی می کنند. آن ها می توانند با توجه به دانش فنی و تجربه، محصولات اختصاصی خود را به شما پیشنهاد دهند و برگه اطلاعات فنی (TDS) و نمونه در اختیار شما قرار دهند.

4. آزمایش های عملی انجام دهید

نهایتا، هیچ چیز جای آزمایش عملی را نمی گیرد. کمک سایش های پیشنهادی را در مقیاس آزمایشگاهی بر روی نمونه کائولین خود تست کنید و تاثیر آن بر سفیدی، ویسکوزیته، اندازه ذرات و خواص نهایی محصول را ارزیابی نمایید.

💰 مقایسه قیمت کمک سایش ها

در جدول زیر، مقایسه تقریبی گزینه های محتمل از نظر قیمت را مشاهده می کنید:

ملاحظات

قیمت نسبی

نمونه ها

دسته کمک سایش

عملکرد بسیار کارآمد؛ معمولا به مقدار کم استفاده می شوند. ممکن است قیمت بالاتر با صرفه جویی در انرژی و بهبود کیفیت جبران شود.

گران تر

پلی اکریلات سدیم (PAAS)، پلی کربوکسیلات اتر (PCE)

پلیمری

گزینه ای رایج؛ اما پایداری کمتری در pHهای مختلف دارند و ممکن است بر ویسکوزیته تاثیر بگذارند.

متوسط

هگزامتافسفات سدیم (SHMP)، تری پلی فسفات سدیم (STPP)

معدنی

برای کائولین معمول نیستند. خطر بالقوه تاثیر بر رنگ و بو در دماهای بالا.

متغیر

تری اتانول آمین (TEA)، اتیلن گلیکول

آمین ها/گلیکول ها

ممکن است بر ساختار شیمیایی کائولین تاثیر بگذارند و برای دستگاه ها خورنده باشند.

ارزان

اسید سیتریک، اسید استیک

اسیدهای آلی

مکانیزم عمل کمک سایش ها (چگونه کار می کنند؟)

کمک سایش ها اساسا با تاثیر بر "سطح" و "بار الکترواستاتیک" ذرات در حین آسیاب کار می کنند:

1. جذب سطحی و کاهش انرژی سطحی:

مولکول های کمک سایش بر روی سطوح تازه ای از کائولین که در حین خردایش ایجاد می شوند، جذب می شوند.

این لایه ی مولکولی، انرژی سطحی بالای ذرات را کاهش می دهد. ذرات با انرژی سطحی بالا تمایل شدیدی به چسبیدن به یکدیگر (اگلومره شدن) و به بدنه و غلتک های آسیاب دارند.

با کاهش این انرژی، ذرات راحت تر از هم جدا شده و از تجمع مجدد آن ها جلوگیری می شود.

2. خنثی سازی بارهای الکترواستاتیک:

برخورد و سایش ذرات در داخل آسیاب، باعث ایجاد بار الکتریکی روی آن ها می شود. ذرات با بار همنام دفع می شوند، اما ذرات با بار غیرهمنام به شدت به هم می چسبند.

کمک سایش با خنثی سازی این بارها، نیروی جاذبه بین ذرات را کاهش داده و از تشکیل "کیک" پودری جلوگیری می کند.

3. افزایش قابلیت جریان پذیری (Flowability):

با کاهش چسبندگی بین ذرات، پودر کائولین حالت "سیال تر" و خشک تری پیدا می کند. این امر خروج پودر از آسیاب را آسان تر کرده و بار وارده بر سیستم جداسازی (Separation) آسیاب فایفر (مثل سپراتور داینامیک) را کاهش می دهد.

مقدار مصرف کمک سایش ها

مقدار مصرف کمک سایش ها بسیار کم است و معمولا بر حسب درصد وزن کل مواد خوراک ورودی به آسیاب (کائولین) بیان می شود. دوز دقیق بستگی به نوع کمک سایش، نرمی مورد نظر و مشخصات خود کائولین دارد.

محدوده کلی مصرف: عموما بین ۰.۰۱% تا ۰.۱% وزن ماده

نحوه افزودن

محدوده مقدار مصرف (بر حسب وزن کائولین)

مکانیزم عمل اصلی

مثال ها

دسته کمک سایش

این مواد معمولا به صورت مایع غلیظ هستند. باید با آب رقیق شده و به صورت اسپری یا چکه ای مستقیما به داخل محفظه آسیاب تزریق شوند.

۰.۰۲% - ۰.۰۸%

دافعه فضایی (Steric Hindrance): زنجیره های بلند پلیمری به سطح ذرات می چسبند و مانند یک مانع فیزیکی از نزدیک شدن و چسبیدن ذرات به هم جلوگیری می کنند. این قوی ترین مکانیزم برای پایدارسازی است.

پلی اکریلات سدیم (PAAS), پلی کربوکسیلات اتر (PCE)

پلیمری/سوپرپلاستی سایزر

معمولا به صورت پودر یا محلول در آب استفاده می شوند. بهتر است به صورت محلول در آب تزریق شوند.

۰.۰۵% - ۰.۱۵%

دافعه الکترواستاتیک: این ترکیبات با جذب روی سطح ذرات، بار منفی قوی ایجاد می کنند. در نتیجه ذرات به دلیل داشتن بار همنام، یکدیگر را دفع می کنند.

هگزامتافسفات سدیم (SHMP), تری پلی فسفات سدیم (STPP)

نمک های غیرآلی (دیسپرسانت)

به صورت خالص یا رقیق شده، مستقیما به خوراک آسیاب یا محفظه آسیاب تزریق می شوند.

۰.۰۱% - ۰.۰۵%

کاهش انرژی سطحی: این مواد با پوشاندن سطح ذرات، انرژی سطحی را کاهش داده و از نیروهای واندروالسی بین ذرات می کاهند.

تری اتانول آمین (TEA), اتیلن گلیکول

آمین ها و گلیکول ها

به دلیل ماهیت اسیدی و احتمال خوردگی، حتما باید به صورت محلول رقیق شده تزریق شوند.

۰.۰۳% - ۰.۰۷%

خنثی سازی نقاط باردار: با محیط و گروه های سطحی کائولین برهمکنش داده و بار سطحی را کنترل می کنند.

اسید سیتریک, اسید استیک

اسیدهای آلی

خلاصه نهایی و توصیه عملی

1. مکانیزم برتر برای کائولین: کمک سایش های پلیمری (مانند پلی اکریلات) به دلیل مکانیزم "دافعه فضایی"، معمولا کمترین تاثیر منفی را بر خواص کائولین (مخصوصا رنگ) دارند و بسیار کارآمدند.

2. شروع آزمایش: بهترین روش این است که با تامین کنندگان معتبر تماس بگیرید و نمونه ای از کمک سایش پلیمری مخصوص مواد معدنی درخواست کنید.

3. آزمایش با دوز پایین: آزمایش خود را با پایین ترین دوز پیشنهادی (مثلا ۰.۰۲%) شروع کنید و سپس به تدریج آن را افزایش دهید تا به بهینه ترین نقطه از نظر کارایی و هزینه برسید.

4. نحوه افزودن: برای بهره وری حداکثری در آسیاب فایفر، کمک سایش باید به صورت مایع و به طور یکنواخت به داخل آسیاب تزریق شود، ترجیحا در ناحیه ای که ذرات در حال خردایش هستند.

تجزیه و تحلیل تاثیر کمک سایش بر پارامترهای عملکردی آسیاب

مکانیزم ایجاد این تاثیر

تاثیر استفاده از کمک سایش

پارامتر عملکرد آسیاب

• کاهش اصطکاک بین ذرات و بین ذرات با غلتک/بدنه آسیاب.

• جلوگیری از اگلومره شدن و خردایش مجدد ذرات ریز که انرژی بر هستند.

• روان تر شدن مواد و کاهش گشتاور مورد نیاز برای چرخش غلتک ها.

کاهش قابل توجه (۱۰٪ تا ۳۰٪)

مصرف انرژی ویژه (کیلووات ساعت بر تن)

• خروج سریع تر و آسان تر پودر ریز از محفظه آسیاب.

• کاهش بار برگشتی (Materials recycle) به دلیل دستیابی به نرمی مطلوب در یک پاس.

• کاهش احتمال "پرشدن بیش از حد" (Overfilling) آسیاب.

افزایش محسوس (۱۵٪ تا ۴۰٪)

ظرفیت تولید (تن بر ساعت)

با بهبود کارایی خردایش و جریان پذیری، مواد سریع تر مسیر آسیاب را طی کرده و خارج می شوند. این امر باعث کاهش سایش کلی آسیاب نیز می شود.

کاهش

زمان ماند مواد در آسیاب

• جلوگیری از اگلومره شدن ذرات ریز که در غیر این صورت به عنوان ذرات درشت در نمونه برداری ثبت می شوند.

• تولید کارآمدتر ذرات در محدوده دانه بندی هدف.

بهبود و یکنواختی بیشتر

توزیع اندازه ذرات (دانه بندی)

با ایجاد یک لایه نازک روی سطوح، به عنوان یک روان ساز بین مواد خورنده (کائولین) و فلز غلتک ها و بدنه عمل می کند. این امر عمر مفید قطعات را افزایش می دهد.

کاهش

سایش قطعات داخلی آسیاب

• جلوگیری از پدیده "کیک شدن" ناگهانی مواد در آسیاب که باعث نوسانات شدید در فشار، دما و مصرف انرژی می شود.

• عملکرد آسیاب قابل پیش بینی تر و یکنواخت تر می شود.

بهبود چشمگیر

کنترل فرآیند و پایداری

زیرا پودر تولید شده تمایل کمتری به چسبیدن به پره های سپراتور و دیواره های سیکلون دارد و بنابراین جداسازی ذرات ریز از درشت به صورت کارآمدتری انجام می شود.

افزایش

بازده سیستم جداسازی (سپراتور)

جمع بندی نهایی:

کمک سایش چگونه به صرفه جویی در هزینه و بهره وری منجر می شود؟

استفاده از کمک سایش یک استراتژی بهینه سازی است، نه یک هزینه اضافی. تاثیرات آن را می توان در دو حوزه خلاصه کرد:

1. کاهش هزینه های متغیر:

صرفه جویی مستقیم در برق: مهمترین مورد، که با کاهش مصرف انرژی ویژه محقق می شود.

کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری: به دلیل کاهش سایش قطعات و کاهش دفعات توقف آسیاب برای سرویس.

2. افزایش درآمد و بهره وری:

تولید بیشتر در واحد زمان: با افزایش ظرفیت آسیاب.

تولید محصول باکیفیت تر: با دستیابی به دانه بندی یکنواخت تر و ریزتر که ارزش محصول نهایی کائولین را افزایش می دهد.

بهره برداری روان تر و کاهش اتلاف زمان: به دلیل کنترل آسان تر فرآیند و کاهش مشکلات عملیاتی.

میزان این تاثیرات بستگی به انتخاب نوع صحیح و دوز بهینه کمک سایش برای ماده کائولین و شرایط آسیاب فایفر دارد. بنابراین، سرمایه گذاری روی آزمایش و بهینه سازی این پارامتر، بازده اقتصادی بسیار بالایی خواهد داشت.

⚗️ راهکار برای انتخاب بهترین کمک سایش

اولویت با کمک سایش های پلیمری: با در نظر گرفتن ویژگی های کائولین (سفیدی بالا، خنثی بودن شیمیایی و ساختار لایه ای)، کمک سایش های پلیمری مانند پلی اکریلات سدیم به طور نظری گزینه مناسب تری به نظر می رسند. این مواد با مکانیسم "دافعه فضایی" عمل می کنند که بر خلاف برخی کمک سایش های شیمیایی (مانند TEA)، احتمال کمتری دارد که در خواص شیمیایی کائولین اختلال ایجاد کنند و می توانند سفیدی و خلوص آن را حفظ نمایند.

لزوم آزمایش عملی: هیچ چیز جای آزمایش عملی را نمی گیرد. برای اطمینان کامل، باید نمونه ای از کمک سایش پلیمری را از تامین کنندگان معتبر تهیه و آن را در مقیاس آزمایشگاهی بر روی کائولین خود تست کنید. در این آزمایش ها باید تاثیر کمک سایش بر سفیدی، ویسکوزیته (در صورت تولید دوغاب)، اندازه ذرات و خواص نهایی محصول به دقت سنجیده شود.

💎 جمع بندی و توصیه نهایی

با توجه به اهمیت حفظ ویژگی های کائولین و نبود داده های قطعی، توصیه می کنیم:

1. مستقیما با تامین کنندگان مواد شیمیایی صنعتی که در زمینه مواد معدنی فعالیت می کنند تماس بگیرید.

2. از آن ها در مورد کمک سایش ها یا دیسپرسانت های مخصوص کائولین مشورت بخواهید.

3. برگه اطلاعات فنی (TDS) و در صورت امکان نمونه این محصولات را دریافت کرده و آزمایش های لازم را انجام دهید.