一种月面环境下月壤钛铁矿分选及粒径分级装置 |
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| 申请号 | CN202311685531.4 | 申请日 | 2023-12-04 | 公开(公告)号 | CN117772420A | 公开(公告)日 | 2024-03-29 |
| 申请人 | 深空探测实验室(天都实验室); 上海卫星工程研究所; | 发明人 | 陈捷仁; 夏国俊; 甘红; 赵凯; 陈树海; 葛志敏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种月面环境下月壤 钛 铁 矿分选及粒径分级装置，网状输送带从第一 正极板 和第一 负极板 形成的平行 电场 穿过；第一负极板开有孔，用于接收自摩擦充电单元充电的矿料；第一负极板 覆盖 部分网状输送带的上带，上带的另一部分位于粒径分级单元入料口；第一正极板一部分与第一负极板形成电场，另一部延伸至粒径分级单元的入料口；粒径分级单元包括固定在分级仓两相对侧的第二负极板、第二正极板。本发明两个平行 电极 形成的电场实现钛铁矿分选。尤其是将第一负极板的长度控制在粒径分级单元覆盖范围以外，利用较长的第一正极板与第二正极板与第二负极板形成电场 力 ，实现粒径分级的同时，可简化筛选装置的结构，减小装置体积和重量，降低运输成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种月面环境下月壤钛铁矿分选及粒径分级装置，按照进料次序，依次包括矿料进料器、进料分配器、摩擦充电单元；其特征在于，还包括电选分离单元、传送单元、粒径分级单元；所述电选分离单元包括第一正极板、第一负极板；所述第一正极板和第一负极板平行设置；所述传送单元包括网状输送带；所述网状输送带从第一正极板和第一负极板形成的平行电场穿过；所述第一负极板开有孔，用于接收自摩擦充电单元充电的矿料；所述第一负极板覆盖部分所述网状输送带的上带，所述上带的另一部分位于所述粒径分级单元入料口；所述第一正极板一部分与所述第一负极板形成电场，另一端延伸至所述粒径分级单元的入料口； |
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| 说明书全文 | 一种月面环境下月壤钛铁矿分选及粒径分级装置技术领域[0001] 本发明涉及深空资源开发技术领域，具体来说是一种月面环境下月壤钛铁矿分选及粒径分级装置。 背景技术[0002] 月球资源开发具有巨大经济及社会价值，是人类应对地球资源日益枯竭的有效目标。建立月球基地，开发月球资源，是解决未来人类资源和能源危机的重要途径。在月球资源开发利用技术中，针对氦‑3的勘探与开发尤为重要，氦‑3是一种清洁、安全和高效的核聚变发电的燃料，月壤中氦‑3的资源总量可达100万～150万吨，1吨氦‑3的价值约40亿美元，可见月球氦‑3资源的开发利用具有十分广阔的前景。 [0003] 氦‑3主要富集在月壤颗粒表层，以氦气泡形式赋存或存在于矿物晶格缺陷中，而钛铁矿是月壤中最富集氦‑3的矿物，因此精选钛铁矿可有效的提高捕集氦‑3气体的效率，钛铁矿同样也是月面上制备水以及基础设施建设的原材料，为了更高效的完成月壤的综合利用开发，全球范围内开展了月壤钛铁矿富集技术研究，产生了一些研究成果，但均存在不同程度的不足，如以下公开的专利中记载： [0005] 目前地面上针对钛铁矿较为成熟的选矿技术主要是利用钛铁矿的不同特性，如密度、表面特性、电磁特性等。分选钛铁矿主要方法有重选法、浮选法、电选法等，但由于月球‑8 ‑12重力仅为地球的1/6，其真空度为1.333×10 ～1.333×10 mbar，使得借助重力的重选法效率不高，地面常用的选矿介质如水、空气、化学药剂等不易获得且需要补充，工艺流体运输到月球的成本很高，因此针对月壤选矿技术需重新设计低重心、高效率、可移动的选矿设备。 [0006] 经过月球矿物光谱分析仪LMS分析得出，采样区月壤的主要组成矿物及其含量为钛铁矿(16.11％)、橄榄石(1.86％)、斜长石(18.58％)、辉石(14.08％)以及胶结物和玻璃(49.36％)，其中仅有钛铁矿为导体，其他矿物为非导体，在摩擦过程中，钛铁矿颗粒易失去电子带正电，其他矿物颗粒易得到电子带负电，使得月壤中钛铁矿与其他脉石矿物的电荷性质相反，且在月面极端环境下，月球风化层的导电性和介电损耗很低，再加上月球环境中缺乏防止颗粒粘在一起的水分和空气流动干扰，使其适合理想的摩擦带电和静电分离，因此电选法是较为理想的月壤钛铁矿选矿方法。 [0007] 月壤样品中95％的月壤颗粒粒径集中在1.40～9.35μm，可知月壤所受重力较小且极易漂浮，此外，钛铁矿物质颗粒越小，比表面积越大，其氦‑3含量越高，因此针对月壤中氦‑3资源的开采，有必要在钛铁矿分选的同时做到粒径分级，即设计一种月面原位环境下月壤钛铁矿分选与粒径分级装置。 发明内容[0008] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有地面选矿技术不适应于月面环境的缺陷，而提出的一种月面环境下月壤钛铁矿分选及粒径分级装置。 [0009] 本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的： [0010] 一种月面环境下月壤钛铁矿分选及粒径分级装置，按照进料次序，依次包括矿料进料器、进料分配器、摩擦充电单元；还包括电选分离单元、传送单元、粒径分级单元；所述电选分离单元包括第一正极板、第一负极板；所述第一正极板和第一负极板平行设置；所述传送单元包括网状输送带；所述网状输送带从第一正极板和第一负极板形成的平行电场穿过；所述第一负极板开有孔，用于接收自摩擦充电单元充电的矿料；所述第一负极板覆盖部分所述网状输送带的上带，所述上带的另一部分位于所述粒径分级单元入料口；所述第一正极板一部分与所述第一负极板形成电场，另一端延伸至所述粒径分级单元的入料口； [0012] 进一步的，所述网状输送带的内圈设置有携带齿。 [0013] 进一步的，所述网状输送带与第一负极板、第一正极板紧密贴合。 [0014] 进一步的，所述粒径分级单元位于网状输送带上方；所述粒径分级单元的入料口开在底部；多块所述隔板按照高度方向间隔布置。 [0015] 进一步的，所述隔板倾斜固定在分级仓侧壁上，且分级仓侧壁与隔板固定点开有出料口，在出料口外部固定有收集槽。 [0016] 进一步的，在网状输送带两端均设有回收仓，所述回收仓对应的网状输送带位于平行电场外。 [0019] 进一步的，所述分配器内设有至少两个溜槽，每个溜槽向一个摩擦充电单元输送矿料。 [0020] 进一步的，还包括移动单元，所述矿料进料器、进料分配器、摩擦充电单元、电选分离单元、传送单元、粒径分级单元均固定在所述移动单元上。 [0021] 本发明的优点在于： [0022] 本发明两个平行电极形成的电场可以使带不同电荷的矿物颗粒吸引到相反的电极板附近，绝缘隔膜防止发生电荷交换，即带正电荷的钛铁矿颗粒向顶部负电极靠拢，带负电荷的脉石矿物向底部正电极靠拢，随即顶部与底部矿物被连续移动的网状传送带扫起，并以相反的方向输送，以达到钛铁矿与其他脉石矿物分离的目的。 [0023] 进一步的，月壤中钛铁矿颗粒粒径较小，质量较轻，且带正电荷，在真空微重力环境下受到第一正极板、第二正极板与第二负极板的电场力，因质量差异形成不一致的向上抛物线形式的运动轨迹，最终进入到不同的分级仓，待分选结束时各分级仓储存的钛铁矿颗粒流入收集槽。本发明将第一负极板的长度控制在粒径分级单元覆盖范围以外，利用较长的第一正极板与第二正极板、第二负极板形成电场力，充分利用电极板，可简化筛选装置的结构，减小装置体积和重量，降低运输成本。附图说明 [0024] 图1为本发明实施例中筛选装置的剖视结构示意图； [0025] 图2为图1中电选分离单元示意图； [0026] 图3为图1中粒径分级单元示意图； [0027] 图4为图3中粒径分级单元内电场分布示意图； [0028] 图中：1矿料进料器、2进料分配器、3摩擦充电单元、4电选分离单元、5传送单元、6粒径分级单元、7分级仓、8矿物回收仓、9移动单元、10进料口、11支承结构、12顶座、13基座、14第一负极板、15第一正极板、16网状输送带、17传送电机、18第二正极板、19第二负极板、 20支撑架、21同步带轮、22盖板、23车轮、24隔板、25收集槽； 具体实施方式[0029] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0030] 如图1所示，图1展示的为本实施例装置的剖视结构示意图，包括： [0031] 矿料进料器1、进料分配器2、摩擦充电单元3、电选分离单元4、传送单元5、粒径分级单元6、分级仓7、矿物回收仓8、移动单元9； [0032] 矿料进料器1为内部中空的料斗，上部进料口10为喇叭状，便于表土采掘设备上料，下端安装支承结构11，提高矿料进料器1结构稳定性；支承结构11可以直接固定在移动单元9上，也可以固定在其下方的摩擦充电单元3的顶部，具体固定结构为常规设计，在此不再详述。在进料器1的下方设有进料分配器2，进料分配器2大体为矩形框架结构，其内部布设两个光滑的溜槽，两个溜槽呈八字布设，两个溜槽的起始端位于进料器1出料口的中心位置，便于将矿料均匀分配到两个溜槽，防止月壤颗粒过多造成堵塞现象。溜槽的末端为出料口，分别对应两个摩擦充电单元3。本实施例中，进料分配器2的两个溜槽外部采用矩形框架，起到围挡作用，避免矿料溅落。另外，矩形框架尺寸适配两个溜槽，体积可以做到最小，减小设备整体体积。溜槽末端的出料口与摩擦充电单元3的进料口之间可通过连接筒连接，也可无连接，利用矿料自重落入摩擦充电单元3。本实施例中，摩擦充电单元3包括套筒、螺旋结构，螺旋结构焊接或者通过螺栓固定在套筒内，螺旋结构采用铝质材料制得，为竖向放置。矿料自套筒顶部进入，沿螺旋结构旋转下行，旋转过程中矿物颗粒沿斜面翻滚摩擦，由于月壤中钛铁矿导电性能最好，因此经过摩擦充电单元失去电子带正电荷，而其他脉石矿物导电性能较差，则经过摩擦充电单元得到电子带负电荷，矿物所带电荷差异以便于后续电选分离。为了摩擦充电单元3的稳定性，其顶部和底部分别通过顶座12、基座13固定在移动单元上，以提高结构的稳定性。本实施例中的顶座12和基座13可以采用抱箍形式，上下两个抱箍通过一个竖向的支架固定成整体，并与移动单元固定。 [0033] 在上述基础上，实施电选分离操作：如图2所示，在两个摩擦充电单元3的下方设有第一负极板14与第一正极板15，各电板上镀有绝缘隔膜，中间留有间隙，形成平行电场，第一负极板14上开有与摩擦充电单元3底部出料口对应的落料孔。传送单元5由同步带轮21、网状输送带16以及传送电机17组成，传送电机17驱动网状输送带16穿过第一负极板14与第一正极板15之间的间隙，网状输送带16与第一负极板14、第一正极板15紧密贴合。矿料从摩擦充电单元3出料口落入到第一负极板14的落料孔，通过网状输送带16的网孔进入网状输送带16内圈。本实施例中，网状输送带16内圈还设置有携带齿，携带齿可以为在网状输送带16内圈上设置的凸起台阶，台阶尺寸不影响同步带轮与网状输送带的配合，但是可以将位于第一负极板14或第一正极板15附近的矿料携带至对应位置。 [0034] 具体的，月壤颗粒经落料孔从摩擦充电单元3落入第一负极板14与第一正极板15之间的间隙，由于月壤中钛铁矿颗粒带正电，则被吸引至第一负极板14附近，网状输送带16所装配的齿状结构将钛铁矿颗粒扫起，紧接着被连续移动的网状输送带16朝向粒径分级单元一侧传送；由于月壤中其他脉石矿物带正电，则被吸引至第一正极板15附近，携带齿将钛铁矿颗粒扫起，紧接着被连续移动的网状输送带16向另一侧传送，直至脱离平行电场后在重力的影响下落入矿物回收仓8中。这里需要说明的，在网状输送带16两端均设有回收仓8，回收仓8所处位置为平行电场外，当矿料可以被携带至脱离平行电场后，在矿料自重作用下，穿过网状输送带16的网眼，落入到回收仓8内。 [0035] 在上述的基础上，实施粒径分级操作，如图3所示，粒径分级单元6包括一个底部开口，顶部由盖板22封闭的箱体，箱体沿网状输送带输送方向的两相对侧壁分别固定有第二正极板18、第二负极板19，各电板上镀有绝缘隔膜。在设有第二负极板19的内壁上由上而下固定有多个隔板24，每个隔板24倾斜设置，相邻两个隔板24之间具有间隙，多个隔板24将箱体内腔分成多个分级仓7。隔板24与第二正极板18之间还存在较大距离，便于矿物颗粒运动。箱体侧壁位于隔板24的位置开有通孔，通孔外固定有收集槽25。这里需要说明的是，第一负极板14要短于第一正极板15，使箱体的进口位于平行电场之外，但是第一正极板15能够与第二正极板18与第二负极板19形成电场力，从而使网状输送带16携带钛铁矿至箱体下方时，脱离平行电场束缚的同时，受到第一正极板15与第二正极板18与第二负极板19形成的电场力作用下在箱体内运动。 [0036] 具体的，粒径分级单元6中具体电场分布如图4所示，箱体内电场线分别由第一正极板15与第二正极板18指向第二负极板19，表明电场内电势从高到低的方向为电选分离单元4到分级仓7，当带正电荷的钛铁矿颗粒传送至该电场内，在真空微重力环境下受到第一正极板15、第二正极板18与第二负极板19的电场力，因质量差异形成不一致的向上抛物线形式的运动轨迹，最终进入到不同的分级仓7，待分选结束时各分级仓储存的钛铁矿颗粒流入收集槽25。 [0037] 本实施例中，第二正极板18与第二负极板19位于箱体的哪一侧，可根据需要设置，为了便于设置收集槽25，本实施例将第二负极板19设置在箱体背向摩擦充电单元3的一侧。 [0038] 在上述基础上，设有移动单元，如图1所示，移动单元9包括支撑架20与车轮23，作为支撑平台与移动结构。上述的所有单元和结构均固定在移动单元上，便于整体移动。 [0039] 本实施例中，摩擦充电单元3和粒径分级单元6均位于网状输送带16上方，可利用矿物颗粒自重实现充电过程的螺旋下落，以及分级过程中不同质量颗粒的下落。当然，由于月球重力仅为地球的1/6，所以如果电场力如果足够大，可以根据布局优化等需求，摩擦充电单元3和粒径分级单元6横向设置、斜向设置，甚至粒径分级单元6可以位于网状输送带16的下方等，只要满足本实施例需求即可。 [0040] 本实施例装置的工作原理为： [0041] 采掘设备将月壤从进料口10放入到进料器中，月壤经过分配器2，均匀落入到两个摩擦充电单元3中，在螺旋下落过程中，钛铁矿颗粒带正电荷，其他矿料带负电荷，经过第一负极板14的通孔落入到网状输送带16的内圈，在第一负极板14和第一正极板15形成的平行电场作用下，钛铁矿颗粒与其他矿物颗粒分离，并分别被网状输送带的携带齿携带运行到对应位置。当其他矿物颗粒脱离平行电场后，自由落入回收仓8内。钛铁矿颗粒被携带到箱体底部，在第一正极板15、第二正极板18、第二负极板19形成的电场力作用下，钛铁矿颗粒因质量差异形成不一致的向上抛物线形式的运动轨迹，最终进入到不同的分级仓7，待分选结束时各分级仓储存的钛铁矿颗粒流入收集槽25。 [0042] 本实施例的装置，通过两个电场，实现钛铁矿筛选和分级，整个筛选和分级过程流畅，一套网状输送带即可完成，极大降低装置的体积和重量，降低运送成本。 [0043] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。 |
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