Observation of iron ore particle flow in a mineral spiral concentrator by positron emission particle tracking (PEPT)

This thesis describes how positron emission particle tracking (PEPT) was used to obtain detailed information on ore particle behaviour within a mineral spiral concentrator.A review of literature has shown a number of experimental measurements of clear water flow in spiral concentrator. However, this review highlighted the lack of quantitative information on the particle behaviour within a dense pulp, used in the operation of this equipment. Thus, for the first time, observations of separation of minerals at the flow scale were undertaken and are reported in this thesis. The description of mineral particle flow field in the spiral concentrator was made possible by the following work. First, large mineral particles (larger than 1000 micrometer) were activated via direct activation in a MC40 cyclotron (35 mega-electron volt Helium-3 beam). Second, a new procedure was developed for subsequent breakage, sizing and selection of surface fragments of a large particle in order to obtain small activated mineral tracers (approx. 100 micrometer). This is the first time such small representative mineral tracers were produced and enabled the observation of particle behaviour in dense and opaque pulp. Considering the low amount of activity carried by these small tracers, a high performance tracking system consisting of modular positron emission detector was designed and built. Subsequently, this new modular detector assembly was compared to an established detection system and tracking error was determined for particles of different mineral composition, size, speed and activity. Finally, the modular detector system was used to observe, for the first time, the characteristic flow of hematite (5260 kilogram per cubic meter) and quartz (2650 kilogram per cubic meter) particles with size ranging between 90 and 1400 micrometer within a spiral concentrator. All measurements were carried out in a mineral (iron ore) pulp consisting of 20 percent solids by mass.In this thesis, the results describing mineral particle flow fields are presented in the form of trajectories, velocities, accelerations and resultant forces on the mineral tracer particle. Of key importance is the particle behaviour within the spiral secondary flow. For quartz particle of size 300 to 355 micrometer, radial velocity magnitude within the secondary flow ranged from 0.1 metre per second in the lower inward moving layer of the flow and reached up to 0.2 meter per second in the upper outward moving layers. This information is critical for the development of more efficient spiral concentrator since ore separation is a direct result of particle behaviour in this secondary flow. The new quantitative information obtained from this work will be used for the improvement and validation of particle and fluid flow simulations, now possible thanks to the advances in computational power.Cette thèse présente comment la technique de traçage de particule par émission de positron (positron emission particle tracking, PEPT) a été utilisée pour obtenir de l'information détaillée sur le comportement de particules de minerai de fer à l'intérieur d'une spirale de concentration gravimétrique.Une revue de la littérature a montrée que plusieurs expériences ont ciblés l'écoulement d'eau claire dans une spirale de concentration. Cependant, elle a aussi mis en évidence un manque d'information quantitative sur le comportement des particules à l'intérieur d'une pulpe minérale dense, tel qu'utilisée lors de l'opération de cet équipement. Pour la première fois, l'observation de la séparation des minéraux à l'échelle de l'écoulement de la pulpe a été réalisé et est présenté dans cette thèse.La description de l'écoulement de particules minérales dans la spiral a été rendue possible par les travaux suivants. Premièrement, des particules de minerai de fer grossières (plus de 1000 micromètre) ont été activées directement dans un cyclotron MC40 (rayon d'hélium-3 de 35 mega-électron volt). Deuxièmement, une méthode a été développée pour la fragmentation, la classification et la sélection d'éclats provenant de la surface des particules grossières permettant d'obtenir de petits traceurs activés (environ 100 micromètre). Il s'agit de la première fois que de si petits traceurs représentatifs sont produits et permettent l'observation du comportement des particules dans une pulpe dense et opaque. En considérant le niveau d'activité des petits traceurs, un système de détection de haute performance composé de détecteurs de positron modulaires a été conçu et construit. Ensuite, ce nouvel assemblage de détecteurs a été comparé à un système de détection connu et la précision du traçage a été déterminée pour des particules de différentes compositions minérales, tailles, vitesses et activitées. Finalement, ce système de détecteurs modulaires a été utilisée pour observer, pour la première fois, l'écoulement typique de particules d'hematite (5260 kilogramme par mètre cube) et de quartz (2650 kilogramme par mètre cube) de dimensions variant entre 90 et 1400 micromètre à l'intérieur d'une spirale de concentration. Ces mesures ont été réalisées dans une pulpe minérale (minerai de fer) ayant un contenu solide massique de 20 pourcent. Dans cette thèse, les résultats décrivant le flux de particules minérales sont présentés sous la forme de trajectoires, vitesses, accélérations et forces résultantes sur les particules minérales. Un des résultats ayant une très grande importance est le comportement des particules dans l'écoulement secondaire de la pulpe. Pour une particule de quartz d'une taille de 300 à 355 micromètre, la vitesse radiale à l'intérieur de l'écoulement secondaire a été mesurée entre 0.1 mètre par seconde dans la couche inférieure s'écoulant vers le centre de la spirale et jusqu'à 0.2 mètre par seconde dans la couche supérieure s'écoulant vers l'extérieure. Cette information est critique pour le développement de spirales de concentrations plus efficaces car la séparation minérale est directement reliée au mouvement des particules dans cette écoulement secondaire.Les nouvelles informations quantitatives obtenues à partir de ce travail seront utilisées pour l'amélioration et la validation de simulations de l'écoulement de la pulpe, maintenant possibles grâce aux avancées dans la puissance de calcul par ordinateur

Investigation of Particle Motion in a Dry Separation Fluidized Bed Using PEPT

Developing dry separation methods to replace the commonly used water-based separation has become crucial due to increasing water shortages. One of the candidates for dry processing is gas–solid fluidized beds. The bed behavior and solid motion in fluidized beds have been investigated using various visual and numerical methods for decades. However, there are not enough studies focused on the separation behavior of the fine particles. This work details the investigation of particle motion through a fluidized bed using the positron emission particle tracking (PEPT) technique. Single-particle tracking is a powerful mechanism providing knowledge about separation mechanisms through direct visualization of the particle trajectory determined from recording the particle position over time. In this study, the movements of different-sized beds were characterized by tracking an activated single quartz particle and then by tracking an activated single hematite particle. The separation behavior of a heavy particle was determined for different-sized fractions

Direct mineral tracer activation in positron emission particle tracking of a flotation cell

Understanding the complex interplay of physics and chemistry inside a flotation cell is the ultimate goal of most flotation research. Key to the development of a model of flotation is the ability to validate it from measurements of a real flotation system. This work uses positron emission particle tracking (PEPT) to track directly activated mineral particles, hydrophobic and hydrophilic, in a lab-scale flotation cell. In contrast to other particle activation methods the direct activation technique allows mineral particles with their original surface characteristics to be used in PEPT experiments. In this work the flotation separation investigated was the separation of hematite from quartz from a synthetic ore using a combination of an oleic acid collector and sodium silicate depressant. This work represents the first time in which particles of typical flotation size (−106 + 90 μm diameter) with real bulk mineral properties and surface chemistry have been tracked in a flotation cell. The results illustrate small particles flow behaviour in the cell for a hydrophilic particle. The trajectory and velocities of the tracer particle are shown as it is transported inside the flotation cell.</p