W procesie wzbogacania kruszyw naturalnych żwirowych oraz kruszyw łamanych uzyskiwanych ze skał zwięzłych następuje proces usunięcia zanieczyszczeń gliniasto-ilastych poprzez płukanie materiału w różnego rodzaju urządzeniach. Zanieczyszczenia te muszą być usunięte w procesie produkcji, gdyż mają niekorzystny wpływ na jakość kruszywa, a ponadto utrudniają procesy kruszenia i przesiewania [1-3]. Zawiesina, czyli mieszanina wody i części stałych, powstała w wyniku płukania kruszyw, zawiera drobne ziarna (<0,063 mm) ilasto-pylaste, które trudno wydzielić. W celu rozdziału drobnej fazy stałej od cieczy stosuje się proces sedymentacji grawitacyjnej.

Sedymentacja – zjawisko opadania cząstek ciała stałego w cieczy, wykorzystywane jest do zagęszczania zawiesiny pod wpływem działania pola grawitacyjnego. Warunkiem koniecznym jest istnienie różnicy gęstości ciała stałego i cieczy.

Proces opadania cząstek ciała stałego w zawiesinie jest procesem złożonym, nazywanym opadaniem zakłóconym lub sedymentacją zawiesin. Ponieważ na ruch każdej cząstki w zawiesinie wpływa obecność opadających cząstek sąsiednich, prędkość opadania cząstek zależy również od stężenia ciała stałego [4].

Zawartość ciała stałego w zawiesinie (stężenie ciała stałego) może być różna. Zawiesiny zawierające poniżej 10% objętości ciała stałego uważa się zazwyczaj za rozcieńczone, natomiast powyżej 70% objętości – za zagęszczone [5].

Przy małym stężeniu zawiesiny występuje sedymentacja zwana klarowaniem. Cząstki są oddalone od siebie i w niewielkim stopniu oddziałują na siebie, jednak nawet w tych warunkach zachodzą zderzenia między nimi. Opadające z różną prędkością cząstki ocierają się o siebie. Jeżeli mają one tendencję do aglomeracji, to tworzą się flokuły, których prędkość opadania, w wyniku zwiększenia się ich rozmiaru – wzrasta. W innym przypadku każda cząstka podąża w dół z charakterystyczną dla siebie prędkością.

W zawiesinach o większym stężeniu cząstki ciała stałego zbliżają się coraz bliżej do siebie, osiągając w końcu stan, w którym każda z nich styka się z sąsiednią. Jeżeli mają one tendencję do łączenia się we flokuły, to wiążą się w plastyczną strukturę. Cząstki znajdujące w tej strukturze opadają z jednakową prędkością, zwaną prędkością opadania gromadnego. Jest to tzw. obszar opadania strefowego, bardzo łatwy do odróżnienia podczas doświadczenia w naczyniu sedymentacyjnym. W tym przypadku wyraźnie widoczna granica podziałowa między klarowną cieczą a strefą zawiesiny.

Prędkość opadania zależy od właściwości fizykochemicznych ciała stałego i cieczy oraz stężenia ciała stałego. Proces sedymentacji zależy od wielu czynników: stężenia cząstek opadających, ich wymiaru, kształtu, gęstości, temperatury oraz, jeżeli jest to opadanie w strumieniu płynu, również od prędkości i kierunku przepływu tego płynu [6, 7, 8].

Sedymentacja zawiesin cząstek ciała stałego o jednakowych rozmiarach i gęstości przebiega w ten sposób, że cząstki opadają z taką samą prędkością. Jeżeli cząstki mają różne rozmiary (zawiesina polidyspersyjna), to ich prędkość opadania jest różna. W obu jednak przypadkach opis analityczny ruchu cząstek jest jak dotąd nieznany. Z tego też względu w praktyce, dla wyznaczania prędkości opadania cząstek (prędkości sedymentacji), przeprowadza się tzw. test sedymentacyjny [6].

Metodyka badań

Badania przeprowadzono na zawiesinie ilasto-pylastej otrzymanej z płukania dolomitowych kruszyw mineralnych na sicie 0,063 mm w warunkach laboratoryjnych. Zanieczyszczone kruszywa zostały przywiezione z jednego z zakładów uszlachetniania kruszyw. Aby uzyskać takie same parametry zawiesiny, jakie mają miejsce podczas płukania kruszyw w przemyśle,  mieszanina wody i fazy stałej została wysuszona w suszarce laboratoryjnej w temperaturze 600C w ciągu 2-5 dni. Otrzymane bryły ilasto-gliniaste (fot.1) pokruszono w kruszarce szczękowej oraz w młotkowej. Suchy materiał był ważony i mieszany z wodą technologiczną w odpowiednich proporcjach, mianowicie 5%, 7% oraz 10% masowej zawartości części stałych. Wybór takich wartości stężenia jest spowodowany tym, że w warunkach przemysłowych zawartość części stałych w zawiesinie wynosi ok. 6%. Dana zawartość fazy stałej odpowiada zagęszczeniu 62,33 g/dm3, innymi słowy 1 m3 zawiesiny zawiera 62,33 kg zanieczyszczeń w postaci drobnych ziaren ilasto-pylastych.

Cały artykuł został opublikowany w nr 5/2018 magazynu Surowce i Maszyny Budowlane.