CN102247930A - 超顺磁颗粒的气液界面跳汰磁分选方法及装置 - Google Patents

Abstract

超顺磁颗粒的气液界面跳汰磁分选方法及装置，超顺磁颗粒的气液界面跳汰磁分选方法及装置属于粒径磁选领域。该方法为：将质量浓度0.5～1.5％、粒径0.1～2.0μm的超顺磁颗粒分散液，加入到上方放置有高强磁铁的分选容器中，分散液液面高度约0.2～0.5cm；根据超顺磁颗粒的磁性大小、密度、气液界面混合粘度、高强磁铁表面磁场强度、及欲分选粒径来调节高强磁铁下表面至分散液液面距离；被分选粒径的超顺磁颗粒在磁力作用方向上将跳出气液界面，并到达高强磁铁的下表面而被吸附；移走高强磁铁，并从其下表面取下分选出的超顺磁颗粒。该装置的高强磁铁位于分选容器的上方，高强磁铁下表面贴上一层塑料薄膜。该装置可在外磁场作用下，实现超顺磁颗粒粒径的可控分选。

Description

超顺磁颗粒的气液界面跳汰磁分选方法及装置

技术领域

本发明属于磁颗粒的磁场分选领域，特别涉及永高强磁铁磁场控制超顺磁颗粒的粒径分选方法。

背景技术

超顺磁颗粒具有很多独特的性能，因而被广泛地应用于化工、冶金、生物技术和生物医学等领域，如可用作磁流体，磁记录材料，催化剂或催化剂载体，微波吸收材料，以及细胞分离、免疫检测、蛋白质纯化、核酸分离、靶向药物、固定化酶等领域。近二十年来，单分散超顺磁颗粒在磁场控制光子晶体组装方面也发挥了重要作用。

根据使用目的的不同，对不同粒径的超顺磁颗粒进行分选，在上述应用领域中越来越重要，已成为磁颗粒技术中的关键一项。

目前，无论是干法还是湿法磁分选技术，都只能将磁性颗粒和非磁性颗粒分离开来，不能对不同粒径的磁性颗粒进行可控分选。

发明内容

本发明的目的是，提供超顺磁颗粒在外磁场作用下的粒径可控分选方法。通过对超顺磁颗粒施加外磁场、进行粒径可控的分选，以期得到不同粒径的磁颗粒。

本发明解决其技术问题的技术方案：

超顺磁颗粒的气液界面跳汰磁分选方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：制备质量浓度0.5～1.5％的超顺磁颗粒分散液：超顺磁颗粒粒径0.1～2.0μm，颗粒形貌为球形；分散介质为蒸馏水或醇水混合液；使用机械搅拌和超声分散使超顺磁颗粒在分散介质中均匀分散；

步骤二：将步骤一制备的超顺磁颗粒分散液，加入到上方放置有高强磁铁的分选容器中，分散液液面高度为0.2～0.5cm；

步骤三：计算被分选粒径为d_p的超顺磁颗粒所需的高强磁铁下表面至分散液液面距离h

$d_p>\sqrt{\frac{18{\mathrm{\η}}_{1a}{v}_{\mathrm{la}}}{{\mathrm{\ρ}}_p[{10}^3{\mathrm{\μ}}_0{x}_0{H}^2\frac{h+0.1}{h^2}-g({\mathrm{\ρ}}_p-500)/{\mathrm{\ρ}}_p]}}$

式中：d_p为被分选的超顺磁颗粒粒径，m；η_1a为空气与分散介质的界面混合粘度，Pa·s；v_la为超顺磁颗粒在磁力作用方向上通过上述界面时的运动速度，m/s；ρ_p为超顺磁颗粒的密度，kg/m³；μ₀为空气中的磁导系数，4π×10^-7Wb/(m·A)；x₀为超顺磁颗粒的比磁化系数，m³/kg；H为高强磁铁表面磁场强度，A/m；h为高强磁铁下表面至分散液液面距离；g为重力加速度，9.81m/s²；

步骤四：确定所分选的超顺磁颗粒的粒径，按照步骤三计算高强磁铁下表面至分散液液面距离，将高强磁铁调节至此距离，超顺磁颗粒在磁力作用方向上能够跳出气液界面，并到达高强磁铁的下表面而被吸附；

步骤五，移走高强磁铁，并从高强磁铁下表面取下超顺磁颗粒。

所述步骤三中的超顺磁颗粒在高强磁铁磁场中受到的比磁力F_pm

$F_{\mathrm{pm}}={\mathrm{\μ}}_0{x}_{0}H\mathrm{grad}H={10}^3{\mathrm{\μ}}_0{x}_0{H}^2\frac{h+0.1}{h^2}---\left(1\right)$

式中：F_pm为超顺磁颗粒在高强磁铁磁场中受到的比磁力，N/kg；μ₀为空气中的磁导系数，4π×10^-7Wb/(m·A)；x₀为超顺磁颗粒的比磁化系数，m³/kg；H为高强磁铁表面磁场强度，A/m；gradH为高强磁铁磁场梯度，A/m²；h为高强磁铁下表面至超顺磁颗粒分散液液面距离；

超顺磁颗粒在磁力作用方向上的运动过程分为三个阶段：一、在分散介质中的运动；二、通过气液界面的运动；三、在空气中的运动。由于超顺磁颗粒分散液层很薄，近似认为所有粒径的超顺磁颗粒位于同一液面之中。在这三个运动阶段中，超顺磁颗粒通过气液界面的运动速度最小，因此超顺磁颗粒运动过程受通过气液界面的运动过程控制。则超顺磁颗粒在磁力作用方向上的运动方程近似为超顺磁颗粒通过气液界面的运动方程，即

$F_{\mathrm{pm}}-g({\mathrm{\ρ}}_p-500)/{\mathrm{\ρ}}_p-18{\mathrm{\η}}_{1a}{v}_{\mathrm{la}}/\left(d_p^2{\mathrm{\ρ}}_p\right)=a_{\mathrm{pla}}---\left(2\right)$

式中：g为重力加速度，9.81m/s²；ρ_p为超顺磁颗粒的密度，kg/m³；η_1a为气液界面的混合粘度，Pa·s；v_la为磁颗粒在磁力作用方向上通过气液界面的运动速度，m/s；d_p为超顺磁颗粒粒径，m；a_pla为磁颗粒在磁力作用方向上通过气液界面的运动加速度，m/s²，若超顺磁颗粒能够通过气液界面到达高强磁铁下表面，要求a_pla＞0；

则在磁力作用方向上能够跳出气液界面，并到达高强磁铁下表面而被吸附的超顺磁颗粒粒径

$d_p>\sqrt{\frac{18{\mathrm{\η}}_{1a}{v}_{\mathrm{la}}}{{\mathrm{\ρ}}_p[{10}^3{\mathrm{\μ}}_0{x}_0{H}^2\frac{h+0.1}{h^2}-g({\mathrm{\ρ}}_p-500)/{\mathrm{\ρ}}_p]}}---\left(3\right)$

由公式(3)可知，被分选的超顺磁颗粒粒径取决于超顺磁颗粒本身的磁性和密度、高强磁铁磁场特性、分散介质特性、以及超顺磁颗粒通过气液界面的运动速度。当超顺磁颗粒、分散介质、以及高强磁铁确定后，通过调节高强磁铁高度，可以控制分选的粒径范围。

在分选容器内底面积一定的情况下，如果超顺磁颗粒分散液液层高，则分选产率高；在超顺磁颗粒分散液液层高度一定的情况下，如果分选容器内底面积大，则分选产率高；如果超顺磁颗粒分散液液层高、分选容器内底面积大的情况下，分选产率最高。

所述的超顺磁颗粒为Fe₃O₄、SiO₂/Fe₃O₄、Al₂O₃/Fe₃O₄、ZrO₂/Fe₃O₄、PSt/Fe₃O₄、PMMA/Fe₃O₄、PGMA/Fe₃O₄。

超顺磁颗粒的气液界面跳汰磁分选方法所使用的装置，包括分选容器、高强磁铁；分选容器放置在铁架台上，高强磁铁安装于分选容器的上方，高强磁铁通过高度调节杆上焊接的方形铁片吸附固定，高度调节杆与铁架台立柱活动连接。

高强磁铁为钕铁硼永高强磁铁，高强磁铁表面磁场强度为1.6×10⁵～3.2×10⁵A/m，高强磁铁下表面的面积大于超顺磁颗粒分散液液面的面积，高强磁铁下表面贴上一层塑料薄膜。

本发明的有益效果是，通过对超顺磁颗粒施加外磁场、进行粒径可控分选，能够获得所需粒径的超顺磁颗粒。该装置中高强磁铁位于分选容器中分散液液面上方的设计，使得不同粒径的超顺磁颗粒通过气液界面时的运动阻力不同，从而分选出不同粒径的超顺磁颗粒；该装置结构简单，材料选择范围宽，容易加工。

附图说明

图1超顺磁颗粒的跳汰磁分选装置主视图。

图2超顺磁颗粒的跳汰磁分选装置的俯视图。

图中：高度调节杆1、高强磁铁2、铁架台3、分选容器4、塑料薄膜5、方形铁片6。

具体实施方式

以分选超顺磁颗粒Fe₃O₄、ZrO₂/Fe₃O₄、PSt/Fe₃O₄为例，对超顺磁颗粒的跳汰磁分选方法作进一步说明。

实施例一：

分选超顺磁Fe₃O₄颗粒，具体步骤为：

步骤一：制备质量浓度0.5％的超顺磁Fe₃O₄颗粒分散液：超顺磁Fe₃O₄颗粒粒径0.1～2.0μm，颗粒形貌为球形；分散介质为蒸馏水；使用机械搅拌和超声分散使超顺磁Fe₃O₄颗粒在分散介质中均匀分散；

步骤二：将步骤一制备的超顺磁Fe₃O₄颗粒分散液，加入到上方放置有高强磁铁的磁分选容器中，分散液液面高度约0.2cm；

步骤三：分选超顺磁Fe₃O₄颗粒粒径d_p＞1μm，η_1av_1a＝1.88×10^-6Pa·m，ρ_p＝5180Kg/m³，μ₀＝4π×10^-7Wb/(m·A)，x₀＝10^-3m³/kg，H＝1.6×10⁵A/m，g＝9.81m/s²，根据公式(3)计算分选粒径d_p＞1μm的超顺磁Fe₃O₄颗粒所需的高强磁铁下表面至分散液液面距离h为5.0mm；

步骤四，调节高强磁铁下表面至分散液液面距离为5.0mm，则粒径d_p＞1μm的超顺磁Fe₃O₄颗粒在磁力作用方向上能够跳出气液界面，并到达高强磁铁下表面而被吸附；

步骤五，移走高强磁铁，并从高强磁铁薄膜上取下分选出的超顺磁Fe₃O₄颗粒，其粒径d_p＞1μm。

实施例二：

分选超顺磁ZrO₂/Fe₃O₄颗粒，具体步骤为：

步骤一：制备质量浓度1.0％的超顺磁ZrO₂/Fe₃O₄颗粒分散液：超顺磁ZrO₂/Fe₃O₄颗粒粒径0.1～2.0μm，颗粒形貌为球形；分散介质为50％醇水混合液；使用机械搅拌和超声分散使超顺磁ZrO₂/Fe₃O₄颗粒在分散介质中均匀分散；

步骤二：将步骤一制备的超顺磁ZrO₂/Fe₃O₄颗粒分散液，加入到上方放置有高强磁铁的磁分选容器中，分散液液面高度约0.3em；

步骤三：分选超顺磁ZrO₂/Fe₃O₄颗粒粒径d_p＞0.75μm，η_1av_1a＝1.12×10^-6Pa·m，ρ_p＝5418Kg/m³(超顺磁ZrO₂/Fe₃O₄颗粒的ZrO₂包覆层与Fe₃O₄核质量比1∶1)，μ₀＝4π×10^-7Wb/(m·A)，x₀＝8.05×10^-4m³/kg，H＝2.4×10⁵A/m，g＝9.81m/s²，根据公式(3)计算分选粒径d_p＞0.75μm的超顺磁ZrO₂/Fe₃O₄颗粒所需的高强磁铁下表面至液面距离h为4.0mm；

步骤四：调节高强磁铁下表面至分散液液面距离为4.0mm，则粒径d_p＞0.75μm的超顺磁ZrO₂/Fe₃O₄颗粒在磁力作用方向上能够跳出气液界面，并到达高强磁铁下表面而被吸附；

步骤五：移走高强磁铁，并从高强磁铁薄膜上取下分选出的超顺磁ZrO₂/Fe₃O₄颗粒，其粒径d_p＞0.75μm。

实施例三：

分选超顺磁PSt/Fe₃O₄颗粒，具体步骤为：

步骤一：制备质量浓度1.5％的超顺磁PSt/Fe₃O₄颗粒分散液：超顺磁PSt/Fe₃O₄颗粒粒径0.1～2.0μm，颗粒形貌为球形；分散介质为蒸馏水；使用机械搅拌和超声分散使超顺磁PSt/Fe₃O₄颗粒在分散介质中均匀分散；

步骤二：将步骤一制备的超顺磁PSt/Fe₃O₄颗粒分散液，加入到上方放置有高强磁铁的磁分选容器中，分散液液面高度h为0.5cm；

步骤三：分选超顺磁PSt/Fe₃O₄颗粒粒径d_p＞0.1μm，η_1av_1a＝4.86×10^-7Pa·m，ρ_p＝3331Kg/m³(超顺磁PSt/Fe₃O₄颗粒的PSt包覆层与Fe₃O₄核质量比1∶6)，μ₀＝4π×10^-7Wb/(m·A)，x₀＝9.0×10^-4m³/kg，H＝3.2×10⁵A/m，g＝9.81m/s²，根据公式(3)计算分选粒径d_p＞0.1μm的超顺磁PSt/Fe₃O₄球形颗粒所需的高强磁铁下表面至液面距离h为3.0mm；

步骤四：调节高强磁铁下表面至液面距离为3.0mm，则粒径d_p＞0.1μm的超顺磁PSt/Fe₃O₄颗粒在磁力作用方向上能够跳出气液界面，并到达高强磁铁下表面而被吸附；

步骤五：移走高强磁铁，并从高强磁铁薄膜上取下分选出的超顺磁PSt/Fe₃O₄颗粒，其粒径d_p＞0.1μm。

结合附图1、2，对超顺磁颗粒的跳汰磁分离装置作进一步说明：

该装置包括高度调节杆1、高强磁铁2、铁架台3、分选容器4、塑料薄膜5、方形铁片6。

分选容器4放置在铁架台3上，高强磁铁2安装于分选容器4的上方，高强磁铁2通过高度调节杆1上焊接的方形铁片6吸附固定，高强磁铁2下表面贴上一层塑料薄膜5，高度调节杆1与铁架台3立柱活动连接。

使用时，将上述装置固定在铁架台3上。

所述的分选容器4的内底面积依分选产率而定，材质为无机玻璃或有机玻璃。

该装置中高强磁铁位于分选容器中分散液液面上方的设计，使得不同粒径的超顺磁颗粒通过气液界面时的运动阻力不同，从而分选出不同粒径的超顺磁颗粒。

该装置结构简单，材料选择范围宽，容易加工。

Claims (4)

1.超顺磁颗粒的气液界面跳汰磁分选方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：制备质量浓度0.5～1.5％的超顺磁颗粒分散液：超顺磁颗粒粒径0.1～2.0μm，颗粒形貌为球形；分散介质为蒸馏水或醇水混合液；使用机械搅拌和超声分散使超顺磁颗粒在分散介质中均匀分散；

步骤二：将步骤一制备的超顺磁颗粒分散液，加入到上方放置有高强磁铁的分选容器中，分散液液面高度为0.2～0.5cm；

步骤三：计算被分选粒径为d_p的超顺磁颗粒所需的高强磁铁下表面至分散液液面距离h

$d_p>\sqrt{\frac{18{\mathrm{\η}}_{1a}{v}_{\mathrm{la}}}{{\mathrm{\ρ}}_p[{10}^3{\mathrm{\μ}}_0{x}_0{H}^2\frac{h+0.1}{h^2}-g({\mathrm{\ρ}}_p-500)/{\mathrm{\ρ}}_p]}}$

式中：d_p为被分选的超顺磁颗粒粒径，m；η_1a为空气与分散介质的界面混合粘度，Pa·s；v_la为超顺磁颗粒在磁力作用方向上通过上述界面时的运动速度，m/s；ρ_p为超顺磁颗粒的密度，kg/m³；μ₀为空气中的磁导系数，4π×10^-7Wb/(m·A)；x₀为超顺磁颗粒的比磁化系数，m³/kg；H为高强磁铁表面磁场强度，A/m；h为高强磁铁下表面至超顺磁颗粒分散液液面距离；g为重力加速度，9.81m/s²；

步骤四：确定所分选的超顺磁颗粒的粒径，按照步骤三计算高强磁铁下表面至分散液液面距离，将高强磁铁调节至此距离，超顺磁颗粒在磁力作用方向上能够跳出气液界面，并到达高强磁铁的下表面而被吸附；

步骤五，移走高强磁铁，并从高强磁铁下表面取下超顺磁颗粒。

2.根据权利要求1所述的超顺磁颗粒的气液界面跳汰磁分选方法，其特征在于：

所述的超顺磁颗粒为Fe₃O₄、SiO₂/Fe₃O₄、Al₂O₃/Fe₃O₄、ZrO₂/Fe₃O₄、PSt/Fe₃O₄、PMMA/Fe₃O₄、PGMA/Fe₃O₄。

3.超顺磁颗粒的气液界面跳汰磁分选装置，该装置包括分选容器(4)、高强磁铁(2)；分选容器(4)放置在铁架台(3)上，高强磁铁(2)安装于分选容器(4)的上方，高强磁铁(2)通过高度调节杆(1)上焊接的方形铁片(6)吸附固定，高强磁铁(2)下表面贴上一层塑料薄膜(5)，高度调节杆(1)与铁架台(3)立柱活动连接。

4.根据权利要求3所述的超顺磁颗粒的气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于：

所述的高强磁铁(2)为钕铁硼永磁铁，高强磁铁(2)表面磁场强度为1.6×10⁵～3.2×10⁵A/m，高强磁铁(2)下表面的面积大于超顺磁颗粒分散液液面的面积。

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