CN102441488B - 滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置，包括滑轨(1)、滑动装置(2)、电磁铁(3)、分选池(4)、收集池(5)和控制系统(6)；滑动装置(2)位于滑轨(1)下方并安装在滑轨(1)上，且滑动装置(2)能够沿滑轨(1)滑动，电磁铁(3)安装在滑动装置(2)下方，分选池(4)和收集池(5)位于滑轨(1)下方；控制系统(6)用于控制滑动装置(2)在分选池(4)和收集池(5)之间运动并用于控制电磁铁(3)中的电流的通断，以使收集池(5)收集电磁铁(3)从分选池(4)中分选出的磁性颗粒。应用所述装置能够实现不同粒径范围的磁性颗粒的粒径连续式分选，并且能够实现分选过程的智能化自动控制。

Description

滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置

技术领域

本发明涉及磁性颗粒的分选领域，特别涉及一种滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置。

背景技术

目前，磁性纳米颗粒由于其独特的性能已经被广泛应用于化工、冶金、磁流体、高密度磁存储、气体传感器和生物技术等领域。此外，由于磁性纳米颗粒具有大的比表面积、小的毒副作用、高的化学稳定性等优点，其在磁共振造影剂、磁性药物输运、细胞标记以及细胞分离免疫检测、蛋白质纯化、核酸分离、靶向药物和固定化酶等生物医学领域表现出诱人的应用前景。目前，单分散磁性颗粒在磁场控制光子晶体组装方面也发挥了重要作用。

根据用途不同，需要对不同粒径范围的磁性颗粒进行智能化分选，这在磁性颗粒的应用过程中已经成为一项非常重要的技术。

目前，磁性颗粒分选装置主要包括湿法磁分选装置和干法磁分选装置两种。现有的磁分选装置，例如专利ZL200720158038.7、CN1915528A、CN101214465A、CN101214466A、CN101590445A、ZL200720025266.7和ZL200720159669.0等提供的磁分选装置，不论是干法磁分选装置还是湿法磁分选装置，都只能实现磁性颗粒和非磁性颗粒的分离，不能对不同粒径的磁性颗粒进行可控分选。此外，上述磁分选装置多采用永磁铁，不能控制磁场强度，也不能实现分选过程的智能化自动控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置。

本发明提供的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置包括滑轨、滑动装置、电磁铁、分选池、收集池和控制系统；滑动装置位于滑轨下并安装在滑轨上，且滑动装置能够沿滑轨滑动，电磁铁安装在滑动装置下方，分选池和收集池位于滑轨下方控制系统用于控制滑动装置在分选池和收集池之间运动并用于控制电磁铁中的电流的通断，以使收集池收集电磁铁从分选池中分选出的磁性颗粒。优选地，所述磁分选装置包括位于分选池下方的可调支架。

优选地，所述装置包括滑轨固定装置，该滑轨固定装置能够调节滑轨的高度。

优选地，所述滑动装置包括滑轮和电动机。优选地，所述控制系统能够进一步用于控制滑动装置沿滑轨滑动的速度大小以及滑动装置在分选池或收集池上方的停留时间。

优选地，所述控制系统能够进一步用于控制电磁铁中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。

优选地，所述电磁铁的下表面形状要与分选池和收集池的上开口面的形状相同，所述电磁铁的下表面面积要大于分选池的上开口面的面积，所述电磁铁的下表面面积要小于收集池的上开口面的面积。优选地，通过调节电磁铁下表面与分散液液面之间的距离和/或选用不同的分散介质分选出不同粒径范围的磁性颗粒。分散液装在所述分选池中，分散液为磁性颗粒和分散介质的混合物。针对不同种类的磁性颗粒需要选取不同的分散介质，分散介质的选取原则为磁性颗粒不溶于所选分散介质，却可以在分散介质中均匀分散，且兼顾分散效果和成本。例如，需要分选的磁性颗粒为Fe₃O₄或聚苯乙烯(PSt)/Fe₃O₄复合材料颗粒时，选取蒸馏水作分散介质；需要分选的磁性颗粒为Al₂O₃/Fe₃O₄复合材料颗粒时，选取无水乙醇作分散介质；需要分选的磁性颗粒为ZrO₂/Fe₃O₄复合材料颗粒时，选取体积浓度为50％的醇水混合液作分散介质。

本发明提供的装置的工作原理是气液界面跳汰磁分离，具体为：接通电磁铁电源后，在电磁铁产生的磁场作用下，分散液中的磁性颗粒沿磁场方向向上运动并通过分散液液面，被吸附在电磁铁的下表面。由于不同粒径的磁性颗粒通过气液界面时受到的阻力不同，所以当分散液液面与电磁铁之间的磁场强度固定不变时，被吸附到电磁铁下表面的磁性颗粒的大小将介于特定的粒径范围之内。当介于一定粒径范围的磁性颗粒被吸附到电磁铁上时，控制电磁铁沿着滑轨运动到收集池上方，然后切断电磁铁电源，电磁铁产生的磁场作用消失，磁性颗粒脱离电磁铁落入收集池内，从而分选出特定粒径范围的磁性颗粒。当电磁铁下表面与分散液液面之间的距离一定时，通过调节电磁铁中的电流强度改变电磁铁产生的磁场强度和/或选用不同的分散介质，即可分选出不同粒径范围的磁性颗粒。

应用本发明提供的装置能够分选出的磁性颗粒的粒径计算公式为：

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

式(1)中：d_p为能够被分选的磁性颗粒的粒径，m；η_la为空气与分散介质的界面混合粘度，Pa·s；v_la为磁性颗粒沿电磁铁的磁场方向通过上述界面时的运动速度，m/s；ρ_p为磁性颗粒的密度，kg/m³；μ₀为空气中的磁导率，μ₀＝4π×10^-7Wb/(m·A)；x₀为磁性颗粒的比磁化系数，m³/kg；H为电磁铁表面的磁场强度，A/m；h为电磁铁下表面与分散液液面之间的距离，m；g为重力加速度，g＝9.81m/s²。

本发明具有如下有益效果：

应用本发明的装置能够实现不同粒径范围的磁性颗粒的粒径连续式分选，并且能够实现分选过程的智能化自动控制。应用所述装置能够分选出的磁性颗粒包括Fe₃O₄、SiO₂/Fe₃O₄复合材料、Al₂O₃/Fe₃O₄复合材料、ZrO₂/Fe₃O₄复合材料、PSt/Fe₃O₄复合材料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/Fe₃O₄复合材料和聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)/Fe₃O₄复合材料等磁性颗粒中的一种或多种。应用所述装置能够分选出的磁性颗粒的粒径范围为0.1-2.0μm。所述装置结构简单，工作效率高，制作成本低。

附图说明

图1为本发明实施例1的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置的示意图；

图2为本发明实施例2的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。

下面分别以分选Fe₃O₄和ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒为例，对本发明提供的装置作进一步说明，但本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置包括滑轨1、滑动装置2、电磁铁3、分选池4、收集池5、控制系统6、滑轨固定装置7和可调支架8。所述滑轨1固定在所述滑轨固定装置7上，且所述滑轨1的高度可通过所述滑轨固定装置7调节。所述滑动装置2位于所述滑轨1下并安装在所述滑轨1上，且所述滑动装置2能够沿所述滑轨1滑动。所述滑轨2选用金属滑轨。所述电磁铁3安装在所述滑动装置2下方。所述分选池4和所述收集池5位于所述滑轨1下方。所述分选池4用无机玻璃制成，由磁性颗粒和分散介质混合而成的分散液装在所述分选池4中。所述电磁铁3的下表面形状要与分选池4和收集池5的上开口面的形状相同，所述电磁铁3的下表面面积要大于分选池4的上开口面的面积，所述电磁铁3的下表面面积要小于收集池6的上开口面的面积。可调支架8位于分选池4的下方，分选池4的高度可通过可调支架8调节。所述控制系统6分别与所述滑动装置2和所述电磁铁3电连接。所述滑动装置2包括滑轮和电动机，其中电动机为滑轮在滑轨上的滑动提供动力。控制系统6用于控制滑动装置2在分选池4和收集池5之间运动并用于控制电磁铁3中的电流的通断，以使收集池5收集电磁铁3从分选池4中分选出的磁性颗粒。所述控制系统6能够进一步用于控制滑动装置2沿滑轨1滑动的速度大小以及滑动装置2在分选池4或收集池5上方的停留时间。所述控制系统6还能够进一步用于控制电磁铁3中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。通过调节电磁铁3下表面与分散液液面之间的距离和/或选用不同的分散介质分选出不同粒径范围的磁性颗粒。

应用本实施例所述的装置分选Fe₃O₄磁性颗粒，具体步骤为：

(1)制备含Fe₃O₄磁性颗粒的分散液，其中Fe₃O₄磁性颗粒的质量浓度为0.5％，Fe₃O₄磁性颗粒的粒径范围例如为0.1-2μm，且Fe₃O₄磁性颗粒的形状为球形，分散介质为蒸馏水；采用机械搅拌和超声分散使Fe₃O₄磁性颗粒均匀分散在分散介质中；

(2)将步骤(1)制备的含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液加入到所述分选池4中，分散液的液面高度约为0.2cm，并将所述电磁铁3的下表面与分散液液面之间的距离h调整为例如5.0mm；

(3)在控制系统的操作平台上设定工作参数，例如设定所述电磁铁3在所述分选池4上方的停留时间例如为5s，设定所述电磁铁3在所述滑轨1上的滑动速度例如为0.5m/s，设定所述电磁铁3在所述收集池4上方的停留时间例如为3s；

(4)如果拟分选粒径满足d_p＞1μm的Fe₃O₄磁性颗粒，则利用已知参数数值η_lav_la＝1.88×10^-6Pa·m，ρ_p＝5180kg/m³，μ₀＝4π×10^-7Wb/(m·A)，x₀＝10^-3m³/kg，g＝9.81m/s²，h＝0.005m，由公式(1)计算可得，分选粒径满足d_p＞1μm的Fe₃O₄磁性颗粒所需的磁场强度为H＝1.6×10⁵A/m；

(5)给所述电磁铁3通电，并通过所述控制系统6调节所述电磁铁3中的电流强度，使得所述电磁铁3表面的磁场强度为H＝1.6×10⁵A/m，则粒径为1μm＜d_p≤2μm的Fe₃O₄磁性颗粒能够跳出气液界面，被吸附在所述电磁铁3的下表面；所述电磁铁3在所述分选池4上方停留5s后，沿滑轨以0.5m/s的速度匀速滑动至所述收集池5的上方；然后停止对所述电磁铁3通电，则所述电磁铁3的磁性马上消失，吸附在所述电磁铁3下表面的Fe₃O₄磁性颗粒由于受重力的作用而掉落在所述收集池5内；

(6)所述电磁铁3在所述收集池5上方停留3s后，又以0.5m/s的速度匀速滑动至所述分选池4上方，重复步骤(5)以继续分选Fe₃O₄磁性颗粒；

(7)从所述收集池5中取出分选出的Fe₃O₄磁性颗粒，其粒径为1μm＜d_p≤2μm。

实施例2

如图2所示，本发明提供的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置包括滑轨1、滑动装置2、电磁铁3、分选池4、收集池5、控制系统6、滑轨固定装置7、可调支架8、供液口9、排液口10、阀门11和阀门12。所述滑轨1固定在所述滑轨固定装置7上，且所述滑轨1的高度可通过所述滑轨固定装置7调节。所述滑动装置2位于所述滑轨1下方并安装在所述滑轨1上，且所述滑动装置2能够沿所述滑轨1滑动。所述滑轨2选用金属滑轨。所述电磁铁3安装在所述滑动装置2的下方。所述分选池4和所述收集池5位于所述滑轨1下方。所述分选池4用无机玻璃制成，由磁性颗粒和分散介质混合而成的分散液装在所述分选池4中。所述电磁铁3的下表面形状要与分选池4和收集池5的上开口面的形状相同，所述电磁铁3的下表面面积要大于分选池4的上开口面的面积，所述电磁铁3的下表面面积要小于收集池6的上开口面的面积。可调支架8位于分选池4的下方，分选池4的高度可通过可调支架8调节。所述控制系统6分别与所述滑动装置2和所述电磁铁3电连接。所述滑动装置2包括滑轮和电动机，其中电动机为滑轮在滑轨上的滑动提供动力。控制系统6用于控制滑动装置2在分选池4和收集池5之间运动并用于控制电磁铁3中的电流的通断，以使收集池5收集电磁铁3从分选池4中分选出的磁性颗粒。所述控制系统6能够进一步用于控制滑动装置2沿滑轨1滑动的速度大小以及滑动装置2在分选池4和收集池5上方的停留时间。所述控制系统6还能够进一步用于控制电磁铁3中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。通过调节电磁铁3下表面与分散液液面之间的距离和/或选用不同的分散介质分选出不同粒径范围的磁性颗粒。所述分选池4的侧壁上开有供液口9和排液口10，且所述供液口9和排液口10上分别安装有阀门11和阀门12。所述供液口9用于向分选池4注入分散液，所述排液口10用于排放分选池4中的分散液。应用本实施例所述的装置分选ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒，具体步骤为：

(1)制备含ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的分散液，其中ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的质量浓度为1.0％，ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的粒径范围例如为0.1-2μm，分散介质为体积浓度为50％的醇水混合液；采用机械搅拌和超声分散使ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒均匀分散在分散介质中；

(2)通过供液口9将步骤(1)制备的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒分散液注入到所述分选池4中，并将所述电磁铁3的下表面与分散液液面之间的距离h调整为例如4.0mm；

(3)在控制系统的操作平台上设定工作参数，例如设定所述电磁铁3在所述分选池4上方的停留时间为6s，设定所述电磁铁3在所述滑轨1上的滑动速度例如为1.0m/s，设定所述电磁铁3在所述收集池4上方的停留时间例如为4s；

(4)如果拟分选粒径满足d_p＞0.75μm的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒，则利用已知参数数值η_lav_la＝1.12×10^-6Pa·m，ρ_p＝5418kg/m³(ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒中，ZrO₂包覆层与Fe₃O₄核的质量比为1∶1)，μ₀＝4π×10^-7Wb/(m·A)，x₀＝8.05×10^-4m³/kg，g＝9.81m/s²，由公式(1)计算可得，分选粒径满足d_p＞0.75μm的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒所需的磁场强度为H＝2.4×10⁵A/m；

(5)给所述电磁铁3通电，并通过所述控制系统6调节所述电磁铁3中的电流强度，使得所述电磁铁3表面的磁场强为H＝2.4×10⁵A/m，则粒径为0.75μm＜d_p≤2μm的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒能够跳出气液界面，被吸附在所述电磁铁3的下表面；所述电磁铁3在所述分选池4上方停留6s后，沿滑轨以1.0m/s的速度匀速滑动至所述收集池5的上方；然后停止对所述电磁铁3通电，则所述电磁铁3的磁性消失，吸附在所述电磁铁3下表面的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒由于受重力的作用而掉落在所述收集池5内；

(6)所述电磁铁3在所述收集池5上方停留4s后，又以1.0m/s的速度匀速滑动至所述分选池4上方，重复步骤(5)以继续分选ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒；

(7)从所述收集池5中取出分选出的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒，其粒径为0.75μm＜d_p≤2μm。

实施例1和实施例2只是本发明提供的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置的两个优选实施例，本领域技术人员通过调节电磁铁中的电流强度、调节电磁铁下表面与分散液液面之间的距离和/或选用不同的分散介质能够分选出不同粒径范围的磁性颗粒。在具体应用中，滑轨固定装置的结构，滑轨的材质，分选池的材质和控制系统均可依据实际需求进行选择。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对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。

Claims (9)

1.滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置，其特征在于，该装置包括滑轨（1）、滑动装置（2）、电磁铁（3）、分选池（4）、收集池（5）和控制系统（6）；滑动装置（2）位于滑轨（1）下并安装在滑轨（1）上，且滑动装置（2）能够沿滑轨（1）滑动，电磁铁（3）安装在滑动装置（2）下方，分选池（4）和收集池（5）位于滑轨（1）下方；控制系统（6）用于控制滑动装置（2）在分选池（4）和收集池（5）之间运动并用于控制电磁铁（3）中的电流的通断，以使收集池（5）收集电磁铁（3）从分选池（4）中分选出的磁性颗粒。

2.根据权利要求1所述的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置，其特征在于，所述磁分选可控装置包括位于分选池（4）下方的可调支架（8）。

3.根据权利要求1所述的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置，其特征在于，所述磁分选可控装置包括滑轨固定装置（7），该滑轨固定装置（7）能够调节滑轨（1）的高度。

4.根据权利要求1所述的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置，其特征在于，所述滑动装置（2）包括滑轮和电动机。

5.根据权利要求1所述的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置，其特征在于，所述控制系统（6）能够进一步用于控制滑动装置（2）沿滑轨（1）滑动的速度大小以及滑动装置（2）在分选池（4）或收集池（5）上方的停留时间。

6.根据权利要求1所述的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置，其特征在于，所述控制系统（6）能够进一步用于控制电磁铁（3）中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。

7.根据权利要求1所述的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置，其特征在于，所述电磁铁（3）的下表面形状要与分选池（4）和收集池（5）的上开口面的形状相同，所述电磁铁（3）的下表面面积要大于分选池(4)的上开口面的面积，所述电磁铁（3）的下表面面积要小于收集池（6）的上开口面的面积。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置，其特征在于，通过调节电磁铁（3）下表面与分散液液面之间的距离和/或选用不同的分散介质分选出不同粒径范围的磁性颗粒。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的滑轨式气液界面跳汰磁分选可控装置，其特征在于，应用所述磁分选可控装置能够分选出的磁性颗粒包括Fe₃O₄、SiO₂/Fe₃O₄、Al₂O₃/Fe₃O₄、ZrO₂/Fe₃O₄、PSt/Fe₃O₄、PMMA/Fe₃O₄和PGMA/Fe₃O₄磁性颗粒中的一种或多种。

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