CN102441489B - 环形气液界面跳汰磁分选装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环形气液界面跳汰磁分选装置，该装置包括转轴(1)、固定装置(2)、由至少四个互不重叠安装的扇形电磁铁构成的电磁铁组(3)、控制系统(5)、至少一个扇形分选池(6)和至少两个扇形收集池(7)；所述电磁铁组(3)通过所述固定装置(2)固定在所述转轴(1)上，且所述电磁铁组(3)能够绕所述转轴(1)转动；所述扇形分选池(6)和所述扇形收集池(7)位于所述电磁铁组(3)的下方；所述控制系统(5)用于控制所述电磁铁组(3)的转动以及所述电磁铁组(3)中的电流的通断以使所述扇形收集池(7)收集到所述电磁铁组(3)从所述扇形分选池(6)中分选出的磁性颗粒。应用所述装置能够同时分选两种以上不同粒径范围的磁性颗粒，工作效率高。

Description

环形气液界面跳汰磁分选装置

技术领域

本发明涉及磁分选装置领域，特别涉及一种环形气液界面跳汰磁分选装置，该装置能够同时分选两种以上不同粒径范围的磁性颗粒。

背景技术

磁性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。

根据使用目的的不同，对不同粒径的磁性颗粒进行分选，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，已有的磁分选装置都只能分选一种粒径范围的磁性颗粒，无法同时分选两种以上不同粒径范围的磁性颗粒。

发明内容

本发明的目的是提供一种环形气液界面跳汰可控磁分选装置。

本发明提供的环形气液界面跳汰磁分选装置包括转轴、固定装置、由至少四个互不重叠安装的扇形电磁铁构成的电磁铁组、控制系统、至少一个扇形分选池和至少两个扇形收集池；所述电磁铁组通过所述固定装置固定在所述转轴上，且所述电磁铁组能够绕所述转轴转动；所述扇形分选池和所述扇形收集池位于所述电磁铁组的下方；所述控制系统用于控制所述电磁铁组的转动以及所述电磁铁组中每个扇形电磁铁中的电流的通断以使所述各扇形收集池分别收集到各扇形电磁铁从所述各扇形分选池中分选出的磁性颗粒。

优选地，所述装置进一步包括至少一个供液池和至少一个废液池。

进一步地，所述电磁铁组的各扇形电磁铁的圆心角θ分别为0°＜θ≤90°，且所述电磁铁组的各扇形电磁铁的圆心角的总和小于或等于360°。

优选地，所述装置进一步包括高度调节装置，用于调节所述电磁铁组的各扇形电磁铁的高度。

优选地，通过手动方式或控制系统控制所述高度调节装置来调节所述电磁铁组的各扇形电磁铁的高度。

优选地，所述控制系统进一步用于分别控制所述电磁铁组的各扇形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，所述控制系统进一步用于控制所述电磁铁组转动的速度大小、以及所述电磁铁组的各扇形电磁铁在所述扇形分选池和所述扇形收集池上方的停留时间。

优选地，所述电磁铁组的各扇形电磁铁、所述扇形分选池和所述扇形收集池的径向宽度相等。

优选地，通过调节所述电磁铁组的各扇形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，控制电磁铁转动到收集池上方，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：

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

式(1)中：d_p为能够被分选的磁性颗粒的粒径，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：

应用所述装置能够同时分选两种以上不同粒径范围的磁性颗粒，工作效率高。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。

附图说明

图1为本发明实施例1的环形气液界面跳汰磁分选装置的示意图；

图2为本发明实施例2的环形气液界面跳汰磁分选装置的示意图；

图3为本发明实施例3的环形气液界面跳汰磁分选装置的示意图；

图4为本发明实施例4的环形气液界面跳汰磁分选装置的示意图。

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。

实施例1

下面以同时分选两种不同粒径范围的Fe₃O₄磁性颗粒为例，对本发明提供的装置作进一步的说明。

如图1所示，该装置包括转轴1、固定装置2、电磁铁组3、高度调节装置4、控制系统5、扇形分选池6、第一扇形收集池71、第二扇形收集池72、供液池8和废液池9。所述电磁铁组3由依次分布且互不重叠安装的第一扇形电磁铁31、第二扇形电磁铁32、第三扇形电磁铁33和第四扇形电磁铁34构成。所述电磁铁组3通过所述固定装置2固定在所述转轴1上，且所述电磁铁组3能够绕所述转轴1转动。所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁构成的圆环与所述转轴1同心。所述电磁铁组3的各扇形电磁铁下表面能够产生的最大磁场强度例如均为3.2×10⁵A/m。所述扇形分选池6、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72位于所述电磁铁组3的下方。所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34的圆心角例如均为90°。所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33、所述第四扇形电磁铁34、所述扇形分选池6、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72的径向宽度例如均相等。所述扇形分选池6、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72用例如无机玻璃制成。所述控制系统5分别与所述转轴1、所述电磁铁组3和所述高度调节装置4电连接。所述控制系统5用于控制所述电磁铁组3的转动并用于分别控制所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁中电流的通断。所述高度调节装置4用于调节所述电磁铁组3的各扇形电磁铁的高度。通过手动方式或控制系统5控制所述高度调节装置4来调节所述电磁铁组3的各扇形电磁铁的高度。所述控制系统5进一步用于分别控制所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。所述控制系统5进一步用于控制所述电磁铁组3转动的速度大小、以及所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34在所述扇形分选池6、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72上方的停留时间。含Fe₃O₄磁性颗粒的分散液装于所述扇形分选池6中。通过调节所述电磁铁组3的各扇形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。所述扇形分选池6分别与所述供液池8和所述废液池9相连通。

应用本实施例所述的装置同时分选两种不同粒径范围的Fe₃O₄磁性颗粒的具体步骤如下：

(1)制备含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液，其中Fe₃O₄磁性颗粒的质量浓度例如为0.5％；Fe₃O₄磁性颗粒的粒径范围例如为0.1-2.0μm，且Fe₃O₄磁性颗粒的形状例如为球形；分散介质采用蒸馏水，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扇形分选池6中，分散液的液面高度例如约为0.2cm，并将所述电磁铁组3的各扇形电磁铁的下表面与该分散液液面之间的距离h调整为例如5.0mm；

(3)在所述控制系统5的操作平台上设定工作参数，例如设定所述电磁铁组3的各扇形电磁铁在所述扇形分选池6以及在所述第一扇形收集池71或所述第二扇形收集池72上方的停留时间例如均为5s，设定所述电磁铁组3的转动速度例如为0.5m/s；

(4)如果拟分选粒径满足d_p＞1μm和d_p＞0.75μm的Fe₃O₄磁性颗粒，则利用已知参数数值η_1av_1a＝1.88×10^-6Pa·m，ρ_p＝5180kg/m³，μ₀＝4π×10^-7W b/(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和d_p＞0.75μm的Fe₃O₄磁性颗粒所需的磁场强度分别为H₁＝1.6×10⁵A/m和H₂＝2.2×10⁵A/m；

(5)通过所述控制系统5调节所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁中电流的通断和电流强度，使得停留在所述扇形分选池6上方的例如所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32通电的同时停留在例如所述第一扇形收集池71上方的所述第三扇形电磁铁33和停留在例如所述第二扇形收集池72上方的所述第四扇形电磁铁34断电；在本实施例中，所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32在所述扇形分选池6上方停留并被通电5s，所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32下表面的磁场强度分别为H₁＝1.6×10⁵A/m和H₂＝2.2×10⁵A/m时，粒径为1μm＜d_p≤2μm和0.75μm＜d_p≤2μm的Fe₃O₄磁性颗粒能够跳出气液界面，分别被吸附在例如所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32的下表面；与此同时，所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34分别停留在例如所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72上方被断电5s；随后，所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32以0.5m/s的速度分别匀速转动至所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72的上方，与此同时所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34以0.5m/s的速度匀速转动至所述扇形分选池6的上方；然后所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32断电5s释放所吸附的Fe₃O₄磁性颗粒，粒径为1μm＜d_p≤2μm和0.75μm＜d_p≤2μm的Fe₃O₄磁性颗粒分别掉落入所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72内，与之同时所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34被通电5s，所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34下表面的磁场强度分别为H₁＝1.6×10⁵A/m和H₂＝2.2×10⁵A/m，以继续对所述扇形分选池6中的磁性颗粒进行分选；

(6)重复步骤(5)以继续分选Fe₃O₄磁性颗粒；

(7)分别从所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72中取出分选出的Fe₃O₄磁性颗粒，其粒径分别为1μm＜d_p≤2μm和0.75μm＜d_p≤2μm。

实施例2

下面以同时分选Fe₃O₄磁性颗粒和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的说明。

如图2所示，该装置包括转轴1、固定装置2、电磁铁组3、高度调节装置4、控制系统5、第一扇形分选池61、第二扇形分选池62、第一扇形收集池71、第二扇形收集池72、第一供液池81、第二供液池82、第一废液池91和第二废液池92。所述电磁铁组3由依次分布且互不重叠安装的第一扇形电磁铁31、第二扇形电磁铁32、第三扇形电磁铁33和第四扇形电磁铁34构成。所述电磁铁组3通过所述固定装置2固定在所述转轴1上，且所述电磁铁组3能够绕所述转轴1转动。所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁构成的圆环与所述转轴1同心。所述电磁铁组3的各扇形电磁铁下表面能够产生的最大磁场强度例如均为3.2×10⁵A/m。依次分布的所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72位于所述电磁铁组3的下方。所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34的圆心角例如均为90°。所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33、所述第四扇形电磁铁34、所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72的径向宽度例如均相等。所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72用例如无机玻璃制成。所述控制系统5分别与所述转轴1、所述电磁铁组3和所述高度调节装置4电连接。所述控制系统5用于控制所述电磁铁组3的转动并用于分别控制所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁中电流的通断。所述高度调节装置4用于调节所述电磁铁组3的各扇形电磁铁的高度。通过手动方式或控制系统5控制所述高度调节装置4来调节所述电磁铁组3的各扇形电磁铁的高度。所述控制系统5进一步用于分别控制所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。所述控制系统5进一步用于控制所述电磁铁组3转动的速度大小、以及所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34在所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72上方的停留时间。含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液装于例如所述第一扇形分选池61中，含有ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液装于例如所述第二扇形分选池62中。通过调节所述电磁铁组3的各扇形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。所述第一扇形分选池61分别与所述第一供液池81和所述第一废液池91相连通；所述第二扇形分选池62分别与所述第二供液池82和所述第二废液池92相连通。

应用本实施例所述的装置同时分选Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的具体步骤如下：

(1)制备含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液，其中Fe₃O₄磁性颗粒的质量浓度例如为0.5％，制备含有ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液，其中ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的质量浓度例如为1.0％；Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的粒径范围例如均为0.1-2.0μm，且Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的形状例如均为球形；制备含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液时，分散介质为蒸馏水，制备含有ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液时，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Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒分别均匀分散在相应的分散介质中；

(2)将步骤(1)制备的含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液加入到例如所述第一扇形分选池61中，分散液的液面高度例如约为0.2cm，并将例如所述第一扇形电磁铁31和所述第三扇形电磁铁33的下表面与该分散液液面之间的距离h₁调整为例如5.0mm；将步骤(1)制备的含有ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液加入到例如所述第二扇形分选池62中，分散液的液面高度例如约为0.3cm，并将所述第二扇形电磁铁32和所述第四扇形电磁铁34的下表面与该分散液液面之间的距离h₂调整为例如4.0mm；

(3)在所述控制系统5的操作平台上设定工作参数，例如设定所述电磁铁组3的各扇形电磁铁在所述第一扇形分选池61或所述第二扇形分选池62以及在所述第一扇形收集池71或所述第二扇形收集池72上方的停留时间例如均为5s，设定所述电磁铁组3的转动速度例如为0.5m/s；

(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_1av_1a＝1.88×10^-6Pa·m，ρ_p＝5180kg/m³，μ₀＝4π×10^-7Wb/(m·A)，x₀＝10^-3m³/kg，g＝9.81m/s²，h₁＝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H₁＝1.6×10⁵A/m；如果拟分选粒径满足d_p＞0.75μm的ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒，则利用已知参数数值η_1av_1a＝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^-7W b/(m·A)，x₀＝8.05×10^-4m³/kg，g＝9.81m/s²，h₂＝0.004m，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H₂＝2.4×10⁵A/m；

(5)通过所述控制系统5调节所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁中电流的通断和电流强度，使得停留在例如所述第一扇形分选池61上方的所述第一扇形电磁铁31和停留在例如所述第二扇形分选池62上方的所述第二扇形电磁铁32通电的同时停留在例如所述第一扇形收集池71上方的所述第三扇形电磁铁33和停留在例如所述第二扇形收集池72上方的所述第四扇形电磁铁34断电；在本实施例中，所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32分别在所述第一扇形分选池61和所述第二扇形分选池62上方停留并被通电5s，所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32下表面的磁场强度分别为H₁＝1.6×10⁵A/m和H₂＝2.4×10⁵A/m时，粒径为1μm＜d_p≤2μm的Fe₃O₄磁性颗粒和粒径为0.75μm＜d_p≤2μm的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒能够跳出气液界面，分别被吸附在例如所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32的下表面；与此同时，所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34分别停留在例如所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72上方被断电5s；随后，所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32以0.5m/s的速度匀速转动180°分别至所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72的上方，同时所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34以0.5m/s的速度匀速转动180°分别至所述第一扇形分选池61和所述第二扇形分选池62的上方；然后所述第一扇形电磁铁31和所述第二扇形电磁铁32断电5s分别释放所吸附的Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒，Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒分别掉落入所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72内，同时所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34被通电5s，所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34下表面的磁场强度分别为H₁＝1.6×10⁵A/m和H₂＝2.4×10⁵A/m，以继续分别对所述第一扇形分选池61和所述第二扇形分选池62中的磁性颗粒进行分选；

(6)重复步骤(5)以继续分选Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒；

(7)从所述第一扇形收集池71中取出分选出的Fe₃O₄磁性颗粒，其粒径为1μm＜d_p≤2μm；从所述第二扇形收集池72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3

下面以同时分选Fe₃O₄磁性颗粒和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的说明。

如图3所示，该装置包括转轴1、固定装置2、电磁铁组3、高度调节装置4、控制系统5、第一扇形分选池61、第二扇形分选池62、第一扇形收集池71、第二扇形收集池72、第一供液池81、第二供液池82、第一废液池91和第二废液池92。所述电磁铁组3由依次分布且互不重叠安装的第一扇形电磁铁31、第二扇形电磁铁32、第三扇形电磁铁33和第四扇形电磁铁34构成。所述电磁铁组3通过所述固定装置2固定在所述转轴1上，且所述电磁铁组3能够绕所述转轴1转动。所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁构成的圆环与所述转轴1同心。所述电磁铁组3的各扇形电磁铁下表面能够产生的最大磁场强度例如均为3.2×10⁵A/m。依次分布的所述第一扇形分选池61、所述第一扇形收集池71、所述第二扇形分选池62和所述第二扇形收集池72位于所述电磁铁组3的下方。所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34的圆心角例如均为90°。所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33、所述第四扇形电磁铁34、所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72的径向宽度例如均相等。所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72用例如无机玻璃制成。所述控制系统5分别与所述转轴1、所述电磁铁组3和所述高度调节装置4电连接。所述控制系统5用于控制所述电磁铁组3的转动并用于分别控制所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁中电流的通断。所述高度调节装置4用于调节所述电磁铁组3的各扇形电磁铁的高度。通过手动方式或控制系统5控制所述高度调节装置4来调节所述电磁铁组3的各扇形电磁铁的高度。所述控制系统5进一步用于分别控制所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。所述控制系统5进一步用于控制所述电磁铁组3转动的速度大小、以及所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33和所述第四扇形电磁铁34在所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72上方的停留时间。Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液分别装于所述第一扇形分选池61和所述第二扇形分选池62中。通过调节所述电磁铁组3的各扇形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。所述第一扇形分选池61分别与所述第一供液池81和所述第一废液池91相连通；所述第二扇形分选池62分别与所述第二供液池82和所述第二废液池92相连通。

应用本实施例所述的装置同时分选Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的具体步骤如下：

(1)制备含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液，其中Fe₃O₄磁性颗粒的质量浓度例如为0.5％，制备含有ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液，其中ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的质量浓度例如为1.0％；Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的粒径范围例如均为0.1-2.0μm，且Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的形状例如均为球形；制备含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液时，分散介质为蒸馏水，制备含有ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液时，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Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒分别均匀分散在相应的分散介质中；

(2)将步骤(1)制备的含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液和含有ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液分别加入到例如所述第一扇形分选池61和所述第二扇形分选池62中，分散液的液面高度例如均约为0.2cm，并将所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁的下表面与各分散液液面之间的距离h例如均调整为5.0mm；

(3)在所述控制系统5的操作平台上设定工作参数，例如设定所述电磁铁组3的各扇形电磁铁在所述第一扇形分选池61或所述第二扇形分选池62以及在所述第一扇形收集池71或所述第二扇形收集池72上方的停留时间例如均为3s，设定所述电磁铁组3的转动速度例如为0.4m/s；

(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_1av_1a＝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H₁＝1.6×10⁵A/m；如果拟分选粒径满足d_p＞0.75μm的ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒，则利用已知参数数值η_1av_1a＝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，h＝0.005m，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H₂＝2.3×10⁵A/m；

(5)通过所述控制系统5调节所述电磁铁组3的四个扇形电磁铁中电流的通断和电流强度，使得停留在例如所述第一扇形分选池61上方的所述第一扇形电磁铁31和停留在例如所述第二扇形分选池62上方的所述第三扇形电磁铁33通电的同时停留在例如所述第一扇形收集池71上方的所述第二扇形电磁铁32和停留在例如所述第二扇形收集池72上方的所述第四扇形电磁铁34断电；在本实施例中，所述第一扇形电磁铁31和所述第三扇形电磁铁33分别在所述第一扇形分选池61和所述第二扇形分选池62上方停留并被通电3s，所述第一扇形电磁铁31和所述第三扇形电磁铁33下表面的磁场强度分别为H₁＝1.6×10⁵A/m和H₂＝2.3×10⁵A/m时，粒径为1μm＜d_p≤2μm的Fe₃O₄磁性颗粒和粒径为0.75μm＜d_p≤2μm的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒能够跳出气液界面，分别被吸附在例如所述第一扇形电磁铁31和所述第三扇形电磁铁33的下表面；与此同时，所述第二扇形电磁铁32和所述第四扇形电磁铁34分别停留在例如所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72上方被断电3s；随后，所述第一扇形电磁铁31和所述第三扇形电磁铁33以0.4m/s的速度匀速转动90°分别至所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72的上方，同时所述第二扇形电磁铁32和所述第四扇形电磁铁34以0.4m/s的速度匀速转动90°分别至所述第二扇形分选池62和所述第一扇形分选池61的上方；然后所述第一扇形电磁铁31和所述第三扇形电磁铁33断电3s分别释放所吸附的Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒，Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒分别掉落入所述第一扇形收集池71和所述第二扇形收集池72内，与此同时所述第二扇形电磁铁32和所述第四扇形电磁铁34被通电3s，所述第二扇形电磁铁32和所述第四扇形电磁铁34下表面的磁场强度分别为H₁＝1.6×10⁵A/m和H₂＝2.3×10⁵A/m，以继续分别对所述第二扇形分选池62和所述第一扇形分选池61中的磁性颗粒进行分选；

(6)重复步骤(5)以继续分选Fe₃O₄磁性颗粒和ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒；

(7)从所述第一扇形收集池71中取出分选出的Fe₃O₄磁性颗粒，其粒径为1μm＜d_p≤2μm；从所述第二扇形收集池72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4

下面以同时分选Fe₃O₄、ZrO₂/Fe₃O₄复合材料和SiO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒为例，对本发明提供的装置作进一步的说明。

如图4所示，该装置包括转轴1、固定装置2、电磁铁组3、高度调节装置4、控制系统5、第一扇形分选池61、第二扇形分选池62、第三扇形分选池63、第一扇形收集池71、第二扇形收集池72和第三扇形收集池73。所述电磁铁组3由依次分布且互不重叠安装的第一扇形电磁铁31、第二扇形电磁铁32、第三扇形电磁铁33、第四扇形电磁铁34、第五扇形电磁铁35和第六扇形电磁铁36构成。所述电磁铁组3通过所述固定装置2固定在所述转轴1上，且所述电磁铁组3能够绕所述转轴1转动。所述电磁铁组3的六个扇形电磁铁构成的圆环与所述转轴1同心。所述电磁铁组3的各扇形电磁铁下表面能够产生的最大磁场强度例如均为4.2×10⁵A/m。依次分布的所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、第三扇形分选池63、所述第一扇形收集池71、所述第二扇形收集池72和所述第三扇形收集池73位于所述电磁铁组3的下方。所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33、所述第四扇形电磁铁34、所述第五扇形电磁铁35和所述第六扇形电磁铁36的圆心角例如均为60°。所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33、所述第四扇形电磁铁34、所述第五扇形电磁铁35、所述第六扇形电磁铁36、所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、所述第三扇形分选池63、所述第一扇形收集池71、所述第二扇形收集池72和所述第三扇形收集池73的径向宽度例如均相等。所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、所述第三扇形分选池63、所述第一扇形收集池71、所述第二扇形收集池72和所述第三扇形收集池73例如均用无机玻璃制成。所述控制系统5分别与所述转轴1、所述电磁铁组3和所述高度调节装置4电连接。所述控制系统5用于控制所述电磁铁组3的转动并用于分别控制所述电磁铁组3的各扇形电磁铁中电流的通断。所述高度调节装置4用于调节所述电磁铁组3的各扇形电磁铁的高度。通过手动方式或控制系统5控制所述高度调节装置4来调节所述电磁铁组3的各扇形电磁铁的高度。所述控制系统5进一步用于分别控制所述电磁铁组3的各扇形电磁铁中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。所述控制系统5进一步用于控制所述电磁铁组3转动的速度大小、以及所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32、所述第三扇形电磁铁33、所述第四扇形电磁铁34、所述第五扇形电磁铁35、所述第六扇形电磁铁36在所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62、所述第三扇形分选池63、所述第一扇形收集池71、所述第二扇形收集池72和所述第三扇形收集池73上方的停留时间。含Fe₃O₄、ZrO₂/Fe₃O₄复合材料和SiO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液分别装于所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62和所述第三扇形分选池63中。通过调节所述电磁铁组3的各扇形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。

应用本实施例所述的装置同时分选Fe₃O₄、ZrO₂/Fe₃O₄复合材料和SiO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的具体步骤如下：

(1)制备含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液，其中Fe₃O₄磁性颗粒的质量浓度例如为0.5％，制备含有ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液，其中ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的质量浓度为1.0％，制备含有SiO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液，其中SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的质量浓度为0.8％；Fe₃O₄磁性颗粒、ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒和SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的粒径范围例如均为0.1-2.0μm，且Fe₃O₄磁性颗粒、ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒和SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的形状例如均为球形；制备含有Fe₃O₄磁性颗粒的分散液时，分散介质为蒸馏水，制备含有ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒和含有SiO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的分散液时，分散介质均为体积浓度为50％的醇水混合液；采用机械搅拌和超声分散使Fe₃O₄磁性颗粒、ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒和SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒分别均匀分散在相应的分散介质中；

(2)将步骤(1)制备的含有Fe₃O₄磁性颗粒、含有ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒和含有SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的分散液分别加入到例如所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62和所述第三扇形分选池63中，分散液的液面高度例如均约为0.3cm，并将所述电磁铁组3的各扇形电磁铁的下表面与各分散液液面之间的距离h例如均调整为4.0mm；

(3)在所述控制系统5的操作平台上设定工作参数，例如设定所述电磁铁组3的各扇形电磁铁在所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62或所述第三扇形分选池63以及在所述第一扇形收集池71、所述第二扇形收集池72或所述第三扇形收集池73上方的停留时间例如均为5s，设定所述电磁铁组3的转动速度例如为0.5m/s；

(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_1av_1a＝1.88×10^-6Pa·m，ρ_p＝5180kg/m³，μ₀＝4π×10^-7Wb/(m·A)，x₀＝10^-3m³/kg，g＝9.81m/s²，h＝0.004m，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H₁＝1.6×10⁵A/m；如果拟分选粒径满足d_p＞0.75μm的ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒，则利用已知参数数值η_1av_1a＝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，h＝0.004m，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H₂＝2.4×10⁵A/m；如果拟分选粒径满足d_p＞0.5μm的SiO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒，则利用已知参数数值η_1av_1a＝1.09×10^-6Pa·m，ρ_p＝5230kg/m³，SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒中，SiO₂包覆层与Fe₃O₄核的质量比为1∶1.2，μ₀＝4π×10^-7W b/(m·A)，x₀＝6.28×10^-4m³/kg，g＝9.81m/s²，h＝0.004m，由公式(1)计算可得，分选粒径满足d_p＞0.5μm的SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒所需的磁场强度为H₂＝4.1×10⁵A/m；

(5)通过所述控制系统5调节所述电磁铁组3的各扇形电磁铁中电流的通断和电流强度，使得停留在例如所述第一扇形分选池61上方的所述第一扇形电磁铁31、停留在例如所述第二扇形分选池62上方的所述第二扇形电磁铁32和停留在例如所述第三扇形分选池63上方的所述第三扇形电磁铁33通电的同时停留在例如所述第一扇形收集池71上方的所述第四扇形电磁铁34、停留在例如所述第二扇形收集池72上方的所述第五扇形电磁铁35和停留在例如所述第三扇形收集池73上方的所述第六扇形电磁铁36断电；在本实施例中，所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32和所述第三扇形电磁铁33分别在所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62和所述第三扇形分选池63上方停留并被通电5s，所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32和所述第三扇形电磁铁33下表面的磁场强度分别为H₁＝1.6×10⁵A/m、H₂＝2.4×10⁵A/m和H₃＝4.1×10⁵A/m时，粒径为1μm＜d_p≤2μm的Fe₃O₄磁性颗粒、粒径为0.75μm＜d_p≤2μm的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒和粒径为0.5μm＜d_p≤2μm的SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒能够跳出气液界面，分别被吸附在例如所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32和所述第三扇形电磁铁33的下表面；与此同时，所述第四扇形电磁铁34、所述第五扇形电磁铁35和所述第六扇形电磁铁36分别停留在例如所述第一扇形收集池71、所述第二扇形收集池72和所述第三扇形收集池73上方被断电5s；随后，所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32和所述第三扇形电磁铁33以0.5m/s的速度匀速转动180°分别至所述第一扇形收集池71、所述第二扇形收集池72和所述第三扇形收集池73的上方，同时所述所述第四扇形电磁铁34、所述第五扇形电磁铁35和所述第六扇形电磁铁36以0.5m/s的速度匀速转动180°分别至所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62和所述第三扇形分选池63的上方；然后所述第一扇形电磁铁31、所述第二扇形电磁铁32和所述第三扇形电磁铁33断电5s分别释放所吸附的Fe₃O₄磁性颗粒、ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒和SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒，Fe₃O₄磁性颗粒、ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒和SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒分别掉落入所述第一扇形收集池71、所述第二扇形收集池72和所述第三扇形收集池73内，与此同时所述第四扇形电磁铁34、所述第五扇形电磁铁35和所述第六扇形电磁铁36被通电5s，所述第四扇形电磁铁34、所述第五扇形电磁铁35和所述第六扇形电磁铁36下表面的磁场强度分别为H₁＝1.6×10⁵A/m、H₂＝2.4×10⁵A/m和H₃＝4.1×10⁵A/m，以继续分别对所述第一扇形分选池61、所述第二扇形分选池62和所述第三扇形分选池63中的磁性颗粒进行分选；

(6)重复步骤(5)以继续分选Fe₃O₄磁性颗粒、ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒和SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒；

(7)从所述第一扇形收集池71中取出分选出的Fe₃O₄磁性颗粒，其粒径为1μm＜d_p≤2μm；从所述第二扇形收集池72中取出分选出的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒，其粒径为0.75μm＜d_p≤2μm；从所述第三扇形收集池73中取出分选出的SiO₂/Fe₃O₄磁性颗粒，其粒径为0.5μm＜d_p≤2μm。

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 (10)

1.环形气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于，该磁分选装置包括转轴(1)、固定装置(2)、包括至少四个互不重叠安装的扇形电磁铁的电磁铁组(3)、控制系统(5)、至少一个扇形分选池(6)和至少两个扇形收集池(7)；所述电磁铁组(3)通过所述固定装置(2)固定在所述转轴(1)上，且所述电磁铁组(3)能够绕所述转轴(1)转动；所述扇形分选池(6)和所述扇形收集池(7)位于所述电磁铁组(3)的下方；所述控制系统(5)用于控制所述电磁铁组(3)的转动以及所述电磁铁组(3)中每个扇形电磁铁中的电流的通断以使所述各扇形收集池(7)分别收集到各扇形电磁铁从所述各扇形分选池(6)中分选出的磁性颗粒。

2.根据权利要求1所述的环形气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于，所述磁分选装置进一步包括至少一个供液池(8)和至少一个废液池(9)。

3.根据权利要求1所述的环形气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于，所述电磁铁组(3)的每一个扇形电磁铁的圆心角θ的数值范围为0°＜θ≤90°，且所述电磁铁组(3)的各扇形电磁铁的圆心角的总和小于或等于360°。

4.根据权利要求1所述的环形气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于，所述磁分选装置进一步包括高度调节装置(4)，用于调节所述电磁铁组(3)的各扇形电磁铁的高度。

5.根据权利要求4所述的环形气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于，通过手动方式或控制系统(5)控制所述高度调节装置(4)来调节所述电磁铁组(3)的各扇形电磁铁的高度。

6.根据权利要求1所述的环形气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于，所述控制系统(5)进一步用于分别控制所述电磁铁组(3)的各扇形电磁铁中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。

7.根据权利要求1所述的环形气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于，所述控制系统(5)进一步用于控制所述电磁铁组(3)转动的速度大小、以及所述电磁铁组(3)的各扇形电磁铁在所述扇形分选池(6)和所述扇形收集池(7)上方的停留时间。

8.根据权利要求1所述的环形气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于，所述电磁铁组(3)的各扇形电磁铁、所述扇形分选池(6)和所述扇形收集池(7)的径向宽度相等。

9.根据权利要求1所述的环形气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于，通过调节所述电磁铁组(3)的各扇形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。

10.根据权利要求1所述的环形气液界面跳汰磁分选装置，其特征在于，应用所述磁分选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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