CN102327810A

CN102327810A - 一种适合超细磁颗粒分离的无污染管束隔离式永磁分离装置

Info

Publication number: CN102327810A
Application number: CN201110294107A
Authority: CN
Inventors: 杨良嵘; 李鹏飞; 刘会洲; 邢慧芳; 李伟
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: CN102327810B

Abstract

本发明涉及一种适合超细磁颗粒分离的无污染管束隔离式永磁分离装置。该装置包括永磁体磁场和分离室，分离室内装有多个隔离管，每个隔离管外侧装有丝状钢毛或钢砂等导磁介质。分离室外侧固定有一环形永磁铁于旋转轴上。其采用C型永磁铁产生高的磁场强度和梯度，通过填充的导磁物质将磁场加于管束周围，通过隔离管将流体与导磁物质隔离开来，避免流体对钢毛等的腐蚀和污染。该装置结构简单，操作方便，适用于流体中磁性载体或催化剂的分离，特别适合于流体中弱磁性的超细颗粒的分离。

Description

一种适合超细磁颗粒分离的无污染管束隔离式永磁分离装置

技术领域

本发明涉及主要应用于催化、吸附及生物分离等领域的磁性颗粒在流体中进行分离的装置，特别涉及一种适合超细磁颗粒分离的无污染管束隔离式永磁分离装置。

背景技术

磁性分离技术不仅广泛应用于矿物加工、钢铁厂和发电厂的污水处理，而且也为煤炭工业、非金属工业、石油工业、原子能工业、化学工业以及生物技术中的颗粒系统的选择性分离问题，提供了有效的解决途径。

在磁分离技术中常用的超细磁性载体颗粒具有一般固体颗粒不具备的优点：超细颗粒具有较大的比表面积，进行物理、化学等反应时，能使反应速度大大加快；此外，超细磁颗粒常具有超顺磁性，具有该特征的颗粒在外加磁场条件下，呈现良好的磁性，当去掉外加磁场时，颗粒的剩磁为零，根据这一特性可以方便地利用外界磁场对超顺磁性颗粒进行定位、分离、回收等操作。因此，目前，超细磁性颗粒已经被广泛应用于催化、吸附以及生物分离等领域。

但在目前工业生产中，对超细磁颗粒进行大规模分离还面临着巨大的挑战。其中，磁分离装置放大后装置内空间磁场强度及梯度不够，导致空间内流动的超细磁性颗粒尤其是纳米磁性颗粒所受磁力太弱而不能被快速有效捕集是一个最重要的问题。由公式

可知，装置空间内某点所受磁场强度与距离磁极的距离二次方成反比，距离磁极越远，磁场强度越弱。工业上常为了便于操作将电磁铁用于磁分离装置中，最大磁场强度常在0.5T左右，要获得更大的磁场强度需要进一步增大电流、加粗铜导线用量，大大增加了能耗以及设备投资成本。而颗粒所受磁力

与颗粒粒径、装置内的磁场强度以及磁场梯度成正比。文献报道，在磁场梯度小于100T/m的低梯度磁场(通常未有铁磁性物质填充)中，粒径为50nm左右铁磁颗粒所受的磁力大小只与其所受热扩散和布朗运动作用力相当，这一量级作用力无法使超细磁颗粒得到快速有效富集分离。为了解决磁分离装置放大存在的这一问题，研究者们常采用高梯度磁分离这种强磁力分离技术来对生化产品进行规模化分离。

高梯度磁分离设备主要有两类：周期式高梯度磁分离设备和连续式高梯度磁分离设备。

周期式高梯度磁分离设备主要由一个充填钢毛介质的罐体组成，该罐体由通电的螺线管缠绕。待分离料液通过罐体中的磁介质，料液中的磁性组分由于受到磁场力的作用被捕集在磁介质上，非磁性组分则通过罐体。操作一段时间，停止进液，断电使磁场卸除，进行冲洗。冲洗完毕，继续进液，实现捕集，如此实现周期式操作。

另一种连续式高梯度磁分离设备主要由可转动的分选环(由若干分选室组成)和固定不动的通电螺线管组成。在分选环的上方依次有进液管和冲洗水管。操作时，分选环转动，分选室依次经过固定的通电螺线管，同时进行进液和冲洗操作，实现连续式操作。这两种高梯度磁分离装置都存在以下缺点：

1.使用电磁铁，虽然方便，但耗电量巨大，设备结构复杂，需配备冷却系统，运行维护费用高，不能产生高的磁场强度，对超细颗粒和弱磁性颗粒的分离产生困难；

2.装置中填充的聚磁物质与流体直接接触，使填充的聚磁物质易发生腐蚀，同时流体易受到溶解物的污染。如专利CN 1275445A：从流体中分离出磁性颗粒的连续式高梯度磁分离方法及装置；专利CN 1442234A：连续式高梯度磁分离器等可以通过高梯度磁场对超细颗粒进行分离，但都不能很好的解决这一问题。

3.填充的聚磁物质对磁性颗粒的吸附量有限，且磁颗粒洗脱不够方便。

因此，如何针对超细磁颗粒在流体中分离的应用现状，解决高梯度磁分离设备存在的上述问题成为扩大高梯度磁分离设备应用范围的关键。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于克服上述高梯度磁分离装置存在的能耗高、设备结构复杂，运行维护费用高，不能产生高的磁场强度，从而很难分离低浓度或超低浓度的超细磁颗粒，并且聚磁物质易腐蚀流体易被污染等缺陷，因而提供了一种适合流体中超细磁性颗粒分离的无污染管束隔离式永磁分离装置。

本发明提供的适合超细磁颗粒分离的无污染管束隔离式永磁分离装置包括一环形永磁铁和分离室，分离室内部由规则排列的隔离管构成含磁颗粒的流体的通道，隔离管外侧装有丝状钢毛或钢砂等导磁介质。分离室底部为进料口和清洗水入口，顶部为出料口和清洗水出口。

本发明所述分离室中含有多个隔离管，所述多个意指至少2个(包括2个)，更优选至少3个(包括3个)。

分离器以及其中的隔离管为导磁的非磁性材料制成，主要包括：不锈钢、无机玻璃、有机玻璃、塑料、橡胶和聚四氟乙烯。

优选地，隔离管的材料主要包括聚四氟乙烯、玻璃或不锈钢等耐腐蚀性材料。

本发明所述的分离装置的分离室内所安装的隔离管阵列，两管之间的距离为5-50cm，例如5-45cm、10-40cm。

所述隔离管阵列包括：方形阵列、三角形阵列、圆形阵列和五角星阵列。

该装置分离室外侧使用一环形永磁铁固定在旋转轴上，环形永磁铁的内侧磁场强度为3000-4000奥斯特，外侧磁场强度为零。

本发明的目的之一还在于提供一种高梯度磁分离装置，所述高梯度磁分离装置由n(n≥2)个该高梯度磁分离装置串联构成n级的多级无污染管束隔离式永磁高梯度磁分离装置组。

所述n个优选2-6个，进一步优选2-4个。

本发明的目的之一还在于提供一种超细磁颗粒分离的无污染分离方法，所述方法利用本发明所述的装置，其包括分离与冲洗两步：

当进行磁颗粒的分离时，含有磁颗粒的流体料液从流体入口6进入磁分离装置，经过管束分布器3进入隔离管5。流体中的磁颗粒在管束周围磁场的作用下，被吸附在管束内部，不含磁颗粒的流体从管束分布器以及流体出口2流出。

当进行磁颗粒的冲洗时，永磁铁1被移除，整个磁分离装置中磁场消失，冲洗液从流体入口6进入磁分离装置，经过管束分布器3进入隔离管5。吸附在管束内壁上的磁颗粒在冲洗液的作用下被洗脱下来，从管束分布器和流体出口2流出，实现磁颗粒的回收。

本发明提供的高梯度磁分离装置，结构简单、使用永磁铁，成本低，磁场强度高，可达到3000-4000奥斯特，通过填充的钢毛钢砂等导磁物质可将磁场加于管束周围。

本发明通过在隔离室中插入隔离管束，可将流体与填充的导磁物质隔离开来，避免钢毛钢砂等被流体腐蚀以及流体被污染，并且使用管束使得磁颗粒洗脱更为方便。

本发明通过增加隔离管束的数量，可以增大流体处理量，根据流体的流速、流体中磁性颗粒含量的多少、磁性颗粒的粒度等因素来确定本高梯度磁分离装置中隔离管的根数以及阵列方式，可以达到更好的分离程度和更高的分离效率。

为了保证分离的连续性，可以在出料管路上安装两到三个装置，形成两极或多级无污染管束隔离式永磁高梯度磁分离装置。

附图说明

图1为本发明的设备结构示意图。

图2为图1的俯视图。

具体实施方式

在本发明中，附图标记表示如下：

1 永磁铁，2 流体出口，3 管束分布器，

4 钢砂或钢毛，5 隔离管，6 流体入口。

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例一

如图1所示，本发明所述的适合超细磁颗粒分离的无污染管束隔离式永磁分离装置，包括一环形永磁铁1和分离室，所述环形永磁铁为分离室内提供磁场，所述环形永磁铁的面积优选覆盖整个分离室。进一步优选环形永磁铁的竖直长度与分离室相同或接近相同。分离室外侧的环形永磁铁1固定在旋转轴上，磁场强度为3000-4000奥斯特。分离室底部有进料口和清洗水入口6，顶部有出料口和清洗水出口2，分离室中含有多个隔离管5，每个隔离管5外侧充满钢砂或刚毛磁介质4。在隔离管5的上下两端，均布置有管束分布器3。

所述分离装置在进行超细磁颗粒的分离时，永磁铁1套在分离室外侧，并为分离室提供强度为3000-4000奥斯特的磁场。含有粒度为20nm的超细磁颗粒的流体从进料管6进入分离室，流速约为500mL/min，经过管束分布器3进入隔离管5。流体中的磁颗粒在管束周围磁场的作用下，被吸附在管束内部，不含磁颗粒的流体从管束分布器以及流体出口2流出。从流体出口2处流出不含磁颗粒的流体清澈液体。

在清洗操作步骤中，永磁铁1由分离室外侧被拔出，清洗水经清洗水管6进入分离室，进行磁性颗粒的清洗，粒度为20nm的磁颗粒被清洗液洗脱下来，从流体出口2流出黑色含磁颗粒的液体。如此循环操作，可以实现流体中超细磁颗粒的分离回收。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种适合超细磁颗粒分离的无污染管束隔离式永磁分离装置，其特征在于，所述装置包括一环形永磁铁和分离室，分离室内部由规则排列的隔离管构成含磁颗粒的流体的通道，隔离管外侧填充有丝状钢毛或钢砂导磁介质，分离室底部为进料口和清洗水入口，顶部为出料口和清洗水出口。

2.根据权利要求1所述的分离装置，其特征在于，所述分离室中含有多个隔离管，所述多个优选至少2个，更优选至少3个。

3.根据权利要求1或2所述的分离装置，其特征在于，所述的分离装置及其中的隔离管为导磁的非磁性材料制成。

4.根据权利要求3所述的分离装置，其特征在于，所述非磁性材料选自不锈钢、无机玻璃、有机玻璃、塑料、橡胶和聚四氟乙烯以及其混合物；优选地，隔离管的材料为聚四氟乙烯、玻璃或不锈钢耐腐蚀性材料。

5.根据权利要求1-4之一所述的分离装置，其特征在于，所述的分离室中隔离管阵列中两管之间的距离为5-50cm，例如5-45cm或10-40cm。

6.根据权利要求1-5之一所述的分离装置，其特征在于，所述的分离室中隔离管阵列选自方形阵列、三角形阵列、圆形阵列和五角星阵列。

7.根据权利要求1-6之一所述的分离装置，其特征在于，所述的分离室外侧有一环形永磁铁固定在旋转轴上。

8.根据权利要求1-7之一所述的分离装置，其特征在于，所述环形永磁铁的内侧磁场强度为3000-4000奥斯特，外侧磁场强度为零。

9.一种多级无污染管束隔离式永磁高梯度磁分离装置组，其特征在于，所述分离装置组由至少2个权利要求1-8之一所述的分离装置串联构成，所述至少2个优选为2-6个，更优选为2-4个。

10.一种超细磁颗粒分离的无污染分离方法，所述方法利用权利要求1-8之一所述的装置或权利要求9所述的装置组，其包括分离与冲洗工序：

当进行磁颗粒的分离时，含有磁颗粒的流体料液从流体入口进入磁分离装置，经过管束分布器进入隔离管，流体中的磁颗粒在管束周围磁场的作用下，被吸附在管束内部，不含磁颗粒的流体从管束分布器以及流体出口2流出；

当进行磁颗粒的冲洗时，永磁铁被移除，整个磁分离装置中磁场消失，冲洗液从流体入口进入磁分离装置，经过管束分布器进入隔离管，吸附在管束内壁上的磁颗粒在冲洗液的作用下被洗脱下来，从管束分布器和流体出口流出，实现磁颗粒的回收。