CN102441490A - 可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，该装置包括转轴(1)、固定装置(2)、一个或两个互不重叠安装的扇形电磁铁(3)、控制系统(5)、一个扇形分选池(6)和一个扇形收集池(7)；扇形电磁铁(3)通过固定装置(2)固定在转轴(1)上，且扇形电磁铁(3)能够绕转轴(1)转动；扇形分选池(6)和扇形收集池(7)位于扇形电磁铁(3)的下方；控制系统(5)用于控制扇形电磁铁(3)的转动以及扇形电磁铁(3)中的电流的通断以使扇形收集池(7)收集到扇形电磁铁(3)从扇形分选池(6)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。所述装置能够连续作业，工作效率高，并且结构简单，制作成本低。

Description

可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置

技术领域

本发明涉及磁分选装置领域，特别涉及一种能够实现磁性颗粒的粒径连续式分选并能够连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置。

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，已有的磁颗粒分选装置包括颗粒湿法磁分选装置和干法磁分选装置。湿法磁分选装置如永磁筒式磁选机、磁力脱水槽等；干法磁分选装置如永磁双筒磁选机、磁滚筒等。无论是干法磁分选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，不能实现不同粒径的磁性颗粒的粒径连续式可控磁分选。现有技术的磁分选装置的作业方式均为间歇式作业，无法实现连续作业。

发明内容

本发明的目的是提供一种可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置。

本发明提供的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置包括转轴、固定装置、一个或两个互不重叠安装的扇形电磁铁、控制系统、一个扇形分选池和一个扇形收集池；所述扇形电磁铁通过所述固定装置固定在所述转轴上，且所述扇形电磁铁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扇形电磁铁的下方；所述控制系统用于控制所述扇形电磁铁的转动以及所述扇形电磁铁中的电流的通断以使所述扇形收集池收集到所述扇形电磁铁从所述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一个供液池和一个废液池。

进一步地，所述扇形电磁铁的圆心角θ的大小范围为0°＜θ≤180°。

优选地，所述扇形电磁铁的圆心角θ为180°。

优选地，所述扇形分选池和所述扇形收集池的圆心角分别为180°。

优选地，所述装置进一步包括高度调节装置，用于调节所述扇形电磁铁的高度。

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扇形电磁铁的高度。

优选地，所述控制系统进一步用于控制所述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扇形电磁铁转动的速度大小、以及所述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：电磁铁通电后，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，然后电磁铁断电，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。所述装置能够连续作业，工作效率高，并且结构简单，制作成本低。

附图说明

图1为本发明实施例1的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置的示意图；

图2为本发明实施例2的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置的示意图。

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

下面以分选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、扇形电磁铁3、高度调节装置4、控制系统5、扇形分选池6、扇形收集池7、供液池8和废液池9。所述扇形电磁铁3通过所述固定装置2固定在所述转轴1上，且所述扇形电磁铁3能够绕所述转轴1转动。所述扇形电磁铁3所在的圆环与所述转轴1同心。所述扇形电磁铁3下表面能够产生的最大磁场强度例如为3.2×10⁵A/m。所述扇形分选池6和所述扇形收集池7位于所述扇形电磁铁3的下方。所述扇形电磁铁3、所述扇形分选池6和所述扇形收集池7的圆心角例如均为180°，且三者的径向宽度例如均相等。所述扇形分选池6和所述扇形收集池7均用无机玻璃制成。所述控制系统5分别与所述转轴1、所述扇形电磁铁3和所述高度调节装置4电连接。所述控制系统5用于控制所述扇形电磁铁3的转动、以及所述扇形电磁铁3中的电流的通断以使所述扇形收集池7收集到所述扇形电磁铁3从所述扇形分选池6中分选出的磁性颗粒。所述高度调节装置4用于调节所述扇形电磁铁3的高度。既可以通过手动方式控制所述高度调节装置4来调节所述扇形电磁铁3的高度，也可以通过所述控制系统5控制所述高度调节装置4来调节所述扇形电磁铁3的高度。所述控制系统5进一步用于控制所述扇形电磁铁3中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。所述控制系统5进一步用于控制所述扇形电磁铁3转动的速度大小、以及所述扇形电磁铁3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。磁性颗粒的分散液装于所述扇形分选池6中。通过调节所述扇形电磁铁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分选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，并将所述扇形电磁铁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)在所述控制系统5的操作平台上设定工作参数，设定所述扇形电磁铁3在所述扇形分选池6上方的停留时间例如为5s，设定所述扇形电磁铁3的转动速度例如为0.5m/s，设定所述扇形电磁铁3在所述扇形收集池7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_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H＝1.6×10⁵A/m；

(5)给所述扇形电磁铁3通电，并通过所述控制系统5调节所述扇形电磁铁3中的电流强度，使得所述扇形电磁铁3下表面的磁场强度为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，被吸附在所述扇形电磁铁3的下表面；所述扇形电磁铁3在所述扇形分选池6上方停留5s后，以0.5m/s的速度匀速转动至所述扇形收集池7的上方；然后所述扇形电磁铁3断电，则其磁性消失，吸附在所述扇形电磁铁3下表面的Fe₃O₄磁性颗粒由于受重力的作用而掉落在所述扇形收集池7内；

(6)所述扇形电磁铁3在所述扇形收集池7上方停留3s后，又以0.5m/s的速度匀速转动至所述扇形分选池6上方，重复步骤(5)以继续分选Fe₃O₄磁性颗粒；

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

实施例2

下面以分选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、第一扇形电磁铁321、第二扇形电磁铁322、高度调节装置4、控制系统5、扇形分选池6、扇形收集池7、供液池8和废液池9。所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322通过所述固定装置2固定在所述转轴1上，且所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322能够绕所述转轴1转动。所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322互不重叠安装。所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322所形成的圆环与所述转轴1同心。所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322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和所述扇形收集池7位于所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322的下方。所述第一扇形电磁铁321、所述第二扇形电磁铁322、所述扇形分选池6和所述扇形收集池7的圆心角例如均为180°，且四者的径向宽度例如均相等。所述扇形分选池6和所述扇形收集池7均用无机玻璃制成。所述控制系统5分别与所述转轴1、所述第一扇形电磁铁321、所述第二扇形电磁铁322和所述高度调节装置4电连接。所述控制系统5用于控制所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322的转动、以及所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322中的电流的通断。所述高度调节装置4用于调节所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322的高度。既可以通过手动方式控制所述高度调节装置4来调节所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322的高度，也可以通过所述控制系统5控制所述高度调节装置4来调节所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322的高度。所述控制系统5进一步用于控制所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322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第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322转动的速度大小、以及所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322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。磁性颗粒的分散液装于所述扇形分选池6中。通过调节所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322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分选ZrO₂/Fe₃O₄复合材料磁性颗粒的具体步骤如下：

(1)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％，ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的粒径范围例如为0.1-2.0μm，且ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒的形状为球形，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)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所述扇形分选池6中，分散液的液面高度例如约为0.3cm，并将所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322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，例如设定所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322在所述扇形分选池6和所述扇形收集池7上方的停留时间相等，例如均为5s，设定所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322的转动速度例如为0.5m/s；

(4)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H＝2.4×10⁵A/m；

(5)通过所述控制系统5调节所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322中的电流通断和电流强度，使得停留在所述扇形分选池6上方的所述第一扇形电磁铁321或所述第二扇形电磁铁322通电的同时停留在所述扇形收集池7上方的所述第二扇形电磁铁322或所述第一扇形电磁铁321断电；在本实施例中，所述第一扇形电磁铁321或所述第二扇形电磁铁322停留在扇形分选池6上方被通电5s，其下表面的磁场强度为H＝2.4×10⁵A/m时，粒径为0.75μm＜d_p≤2μm的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒能够跳出气液界面，被吸附在所述第一扇形电磁铁321或所述第二扇形电磁铁322的下表面；此时所述第二扇形电磁铁322或所述第一扇形电磁铁321停留在所述扇形分选池6上方被断电5s；随后，所述第一扇形电磁铁321和所述第二扇形电磁铁322以0.5m/s的速度分别转动至所述扇形收集池7和所述扇形分选池6的上方，停留在所述扇形收集池7上方的所述第一扇形电磁铁321断电释放所吸附的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒，与之同时，停留在所述扇形分选池6上方的所述第二扇形电磁铁322通电继续对所述扇形分选池6中的ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒进行分选，从而实现对磁性颗粒分选的连续作业；

(6)重复步骤(5)以继续分选ZrO₂/Fe₃O₄磁性颗粒；

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

应用本实施例所述的装置能够实现对磁性颗粒分选的连续作业，工作效率高。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.可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，其特征在于，该装置包括转轴(1)、固定装置(2)、一个或两个互不重叠安装的扇形电磁铁(3)、控制系统(5)、一个扇形分选池(6)和一个扇形收集池(7)；所述扇形电磁铁(3)通过所述固定装置(2)固定在所述转轴(1)上，且所述扇形电磁铁(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)位于所述扇形电磁铁(3)的下方；所述控制系统(5)用于控制所述扇形电磁铁(3)的转动以及所述扇形电磁铁(3)中的电流的通断以使所述扇形收集池(7)收集到所述扇形电磁铁(3)从所述扇形分选池(6)中分选出的磁性颗粒。

2.根据权利要求1所述的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，其特征在于，所述装置进一步包括一个供液池(8)和一个废液池(9)。

3.根据权利要求1所述的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，其特征在于，所述扇形电磁铁(3)的圆心角θ的大小范围为0°＜θ≤180°。

4.根据权利要求3所述的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，其特征在于，所述扇形电磁铁(3)的圆心角θ为180°。

5.根据权利要求1所述的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，其特征在于，所述扇形分选池(6)和所述扇形收集池(7)的圆心角分别为180°。

6.根据权利要求1所述的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，其特征在于，所述装置进一步包括高度调节装置(4)，用于调节所述扇形电磁铁(3)的高度。

7.根据权利要求6所述的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，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)来调节所述扇形电磁铁(3)的高度。

8.根据权利要求1所述的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，其特征在于，所述控制系统(5)进一步用于控制所述扇形电磁铁(3)中的电流强度，以分选出不同粒径范围的磁性颗粒。

9.根据权利要求1所述的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，其特征在于，所述控制系统(5)进一步用于控制所述扇形电磁铁(3)转动的速度大小、以及所述扇形电磁铁(3)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。

10.根据权利要求1所述的可连续作业的气液界面跳汰磁分选可控环形装置，其特征在于，所述扇形电磁铁(3)、所述扇形分选池(6)和所述扇形收集池(7)的径向宽度相等。

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