CN107921441B - 用于顺磁性及反磁性物质的过滤器 - Google Patents

Abstract

一种高产能磁性过滤器，用以从流体流分离反磁性和/或顺磁性物质。在外部磁场下，通过反磁性固体物质与诱导顺磁性材料(IPM)的协同作用，反磁性固体物质被磁化。磁性过滤器用作由存在IPM和磁体所产生的分离区，其中磁体借助于非磁性套筒或隔板而屏蔽IPM。磁体之间的空隙体积内的IPM提供大的表面区域，反磁性及顺磁性材料可以接触该表面区域并受到该表面区域的吸引。调整磁源(例如磁棒或电磁体)到反磁性和IPM的固体混合物之间的相对位置及距离，以诱导反磁性固体中的磁性，该磁性足够强以使反磁性固体也受到磁场的吸引。能够从液体或气体中去除反磁性及顺磁性物质。

Description

用于顺磁性及反磁性物质的过滤器

技术领域

本发明涉及一种稳健且高产能的磁性过滤器，用以从气流及液流去除顺磁性及/或反磁性材料。

背景技术

在外部的磁场下，顺磁性物质会被磁化。顺磁性物质包括：例如，锰、铬、铈、铁、钴、钾、钒以及其氧化物或硫化物。在没有外部磁场的影响下，顺磁性分子的磁偶极子指向任意方向，所以其磁性为零。当施加一个适当的外部磁场时，因为平行于磁场方向排列的磁偶极子的数量多于偏离磁场方向排列的磁偶极子的数量，所以顺磁性物质被磁化。

传统的磁性过滤器通过由永磁源或电磁源产生的外部磁场的影响从气体或液体流去除顺磁性物质或粒子。举例而言，在Yen等人的美国专利号8,506,820、Lin等人的美国专利号8,636,907以及Yen等人的美国专利号8,900,449和9,080,112中公开的磁性过滤器可以在炼油和化工设备中从液体流去除顺磁性粒子。当碳钢(其是工厂建设的常用材料)在工艺物料流中存在酸性污染物的情况下受到腐蚀而产生与硫、氧及水反应的亚铁离子时，形成包括硫化亚铁(FeS)、氧化亚铁(FeO)、氢氧化亚铁(Fe(OH)₂)、铁氰化物(Fe(CN)₆)等的顺磁性粒子。这些顺磁性污染物易于黏附于磁体。

反磁性材料包含成对的磁偶极子，其易于相互抵销磁性。举例而言，反磁性材料包括：碳(金刚石)、碳(石墨)、二氧化硅、氧化铝、铋、磷、汞、锌、铅、锡、铜、银、金、水、乙醇等。在外部磁场存在时，反磁性材料的磁偶极子沿平行但反向于磁场的方向排列，并因而呈现无磁性。现有的磁性过滤器无法去除反磁性材料。

利用筛网及类似物的过滤是用来将反磁性离子与气体或液体分离的标准过滤，但此种技术对于小粒子的效率不佳。举例而言，从发电厂、炼钢厂及包括汽车及摩托车的移动源排出的例如颗粒物质PM2.5的纳米碳粒子无法被有效地减少。相似地，在炼油厂及化工厂发现的催化剂粉末、钢锈、碳残余物或聚合浆体形式的纳米粒子无法被有效地过滤。此外，也有各种不同尺寸的固体粒子(包括硫化亚铁、氧化亚铁、沙、碳残余物等)存在于天然气加工工序中。顺磁性及反磁性材料是天然及工业污染及脏污的主要的成份。

非常期望开发一种用于从气体和液体流去除所有尺寸的顺磁性及反磁性粒子或者至少反磁性粒子的系统。

发明内容

在某程度上，本发明基于通过反磁性固体物质与感应或诱导顺磁性材料(Inducing or inducement paramagnetic material，IPM)间的协同作用(coordinatedinteraction)，一般反磁性固体物质在外部磁场下会被磁化的论证。固体诱导顺磁性材料(IPM)优选不应直接接触产生外部磁场的磁体。另一方面，反磁性固体物质优选直接接触诱导顺磁性材料(IPM)或与诱导顺磁性材料(IPM)均匀混合。调整并保持如磁棒或电磁体等的磁源到反磁性及诱导顺磁性材料(IPM)的固体混合物的位置和距离，以在反磁性固体中诱导出足够强的磁性，该磁性使得反磁性固体也被磁场吸引。以这种方式，可以从其中夹带或悬浮(fluidize)固体混合物的液体或气体流中去除反磁性及顺磁性物质两者。在本发明的磁性过滤器中，并非所有的顺磁性物质都可以在存在外部磁场时在反磁性固体物质中诱导出磁性。因此，“诱导顺磁性材料”或简称“IPM”，系指这样的固体顺磁性物质：其能够使得反磁性固体材料展现被磁场吸引的足够磁性，并且能被本发明的磁性过滤器去除或捕捉。

因此，在一个方面，本发明涉及一种从载体流去除反磁性材料的方法，该方法包括以下步骤：

在一区域内使载体流(carrier steam)接触诱导顺磁性材料，该载体流包括载体流体及反磁性材料；以及

在该区域内建立磁场，借此使得该反磁性材料具有足够的磁性，以便被磁体吸引，从而产生反磁性材料水平降低的经净化的载体流体。

在另一个方面，本发明涉及一种用于从载体流中分离反磁性污染物的磁性过滤器，该磁性过滤器包括：

壳体，该壳体具有(i)流入口、(ii)流出口，及(iii)在该入口及该出口之间的内部区域；

分布于该内部区域中的诱导顺磁性材料(IPM)，其中，该诱导顺磁性填充材料被配置以物理接触该反磁性污染物；以及

磁体，该磁体设置于该内部区域中，以产生足以使得该诱导顺磁性材料具有磁性的磁场。

此磁性过滤器用作稳健的分离区(separation zone)，该分离区由存在IPM及磁体所产生，其中磁体借助于非磁性隔板屏蔽IPM。优选地，使用细长的磁体组件在分离区中产生均匀的磁场。细长的磁体组件以平行或横向于过滤器内的流体流的方式布置。在磁体之间的空隙体积(void volume)或空间中的IPM提供大的表面区域，流体流中的反磁性及顺磁性物质能够接触该表面区域并受到该表面区域的吸引。本文使用永磁体建立磁场以说明本发明，但应理解亦可使用电磁体。

附图说明

图1A及图1B分别是磁性过滤器的实施例的正视横断面视图及俯视图，该磁性过滤器具有诱导顺磁性材料填料及可拆卸的垂直定向的永磁棒组件，其中图1B绘示了其中盖板去除的磁性过滤器并且示出了有限数量的套筒保持器及填充材料；

图1C是永磁棒组件的横断面视图；

图1D是备选的永磁棒组件的横断面视图；

图1E是永磁棒组件的横断面视图；

图2A及图2B分别是磁性过滤器的正视及侧向横断面视图，磁性过滤器具有诱导顺磁性材料及可拆卸的水平定向的永磁棒组件，其中图2B绘示了有限数量的套筒保持器及填充材料；

图2C是永磁棒组件的横断面视图；

图3A及3B是永磁棒组件内的磁极位置的摄影图像；以及

图4A及4B是顺磁性粉末受到永磁棒组件的相关联的套管的外表面吸引的摄影图像。

具体实施方式

图1A绘示垂直过滤器2的示意配置，垂直过滤器2包括壳体4，壳体4具有进口管6及出口管10，进口管6可以通过控制阀8耦接至被污染的工艺物料流，经处理的工艺物料流通过控制阀12由出口管10离开。壳体4界定内部区域14。通过排泄管道49的流动利用控制阀48调节，排泄管道49焊接至壳体4的底部，控制阀48在过滤操作期间正常关闭，但在净化服务期间打开以排放来自壳体4的冲洗流体。排泄管道49中开口的尺寸足以容纳在过滤处理中累积的大粒子。

盖板20通过螺拴22固定于环形凸缘24，环形凸缘24沿壳体4中的顶部开口焊接到外周界。聚合物垫片或其他适当的密封装置可以插入至盖板20及凸缘24之间，以确保操作周期期间的紧密密封。顶支撑板26借助于螺拴30围绕周界固定于线丝网笼28的顶部边缘，顶支撑板26促进净化周期时整个核心组件从过滤器壳体4的去除。顶支撑板26及线丝网笼28的顶部边缘都设置于支承环42上，支承环42永久地连接至过滤器壳体4。核心组件的重量使得顶支撑板26及线丝网笼28的顶部边缘紧密地抵靠支承环42，以避免各套筒保持器32的开口端以及因而的磁棒组件34在过滤程序中接触处理流体。

核心组件包括多个垂直定向的可拆卸的永磁棒组件34，各永磁棒组件34被纳入细长的反磁性套筒保持器32中，IPM填充成分或物质36填满介于套筒保持器32之间的空间，作为工艺物料流中的固体反磁性材料的磁性诱导介质。线丝网笼28是IPM填料36的保持器，该线丝网笼28优选地由反磁性材料的粗线(例如，不锈钢)制成，具有略小于IPM填充物质36尺寸的筛网尺寸，以避免IPM填充物质36损失到制造流程。

优选地，IPM填充成分36分层设置，最大的设置于顶部而最小的设置于底部，该具有梯度的填充基质(matrix)配置使得磁性过滤器能够捕捉不同尺寸的反磁性及顺磁性物质，但不会造成显著的压降及吞吐量减少。

IPM优选地由正值且高的质量磁化率(mass susceptibility)的材料形成。适当的IPM例如包括Ce、CeO₂、CsO₂、Co、CoO、Ni、CuO、NiO、NiS、Fe、FeO、Fe₂O₃、FeS、Mn、Ni/γAl₂O₃、Cr₂O₃、Dy₂O₃、Gd₂O₃、Ti、V、V₂O₃、Pd、Pt、Rh、Rh₂O₃、KO₂及其混合物，其中Co、CoO、Ni、Fe、FeO、Fe₂O₃、FeS、Ni/γAl₂O₃、Cr₂O₃、Dy₂O₃和Gd₂O₃是特别优选的。IPM填充成分的优选配置包括但不限于传统的随机填充(例如，环形、鞍形、碎片以及线形)、结构填充和大孔隙催化剂载体(catalyst support)(例如，用于固定床反应器的护床材料)。

保持相邻的垂直定向的磁棒组件34之间的距离能足够接近是很关键的，使得装填于过滤器中的IPM物质能诱导出足够的磁性以从工艺物料流吸引反磁性材料。从相邻的套筒保持器32的外表面间测量的距离应该为0.1至5cm，并且优选地为0.1至2cm。磁性过滤器2中的内部区域14内的磁通量强度应该为2000至20000GS，并且优选地为2000至10000GS，并且最优选地为6000至10000GS。

每个套筒保持器32对磁场具有高的穿透性，套筒保持器32底部端密封且顶部端开放，顶部端优选地在其周界处焊接至顶支撑板26的安装孔。这可以防止各套筒保持器32的开口端和相关联的磁棒组件34在过滤过程中与处理流体直接接触。顶支撑板26承受多个永磁棒组件34与其相关联的套筒保持器32、IPM填充物质36以及线丝网笼28的重量。

图1B绘示了显示顶支撑板26的俯视图，该顶支撑板26具有用于套筒保持器32的安装孔和填充在套筒保持器32之间的空间中的IPM填充物质36。套筒保持器32中的一个具有插入在其中的永磁棒组件以及包围磁块40的套管38。套管38具磁场穿透性。

图1C绘示了永磁棒组件34的垂直横断面视图，永磁棒组件34包括细长套管38并界定腔体，套管38优选地由反磁性金属制成，如不锈钢，腔体容纳一个或多个被封装的磁块40。各磁棒组件34具有拉环44，用以从套筒保持器32抽取磁棒组件34。多个短的磁块或磁柱40以彼此交迭的方式堆叠并布置成使得一个磁块的两个磁极中的每个与相邻磁块的相反磁极并置。在该交错布置中，每个长条磁块40的轴线垂直于沿着组件34的长度的中心轴线。

图1D绘示出永磁棒组件110，其中，具有指向相同的第一方向的相同磁极的两相邻的磁块对102、104形成磁块单元或阵列，其堆叠于另一磁块单元上，另一磁块单元由磁块106、108组成，该磁块106、108具有指向第二方向的相同磁极，第二方向相反于第一方向。组件110具有一连串磁极配置相反的这样的磁块单元。显然地，各磁块单元或阵列可以包括多于2个磁块或磁柱。

在使用时，各永磁棒组件34或110在套筒保持器32内受到支撑。已经观察到，这些被包裹的永磁体的以特斯拉计(Tesla meter)测量的磁通密度无论是否利用304SSL套筒，实质上都相同。即，反磁性的阻隔层(套筒保持器)的存在不造成磁通密度显著的衰减。相比之下，如图1E所示，由多个串接排列的磁块组成的永磁棒组件在使用304SSL套筒时，磁通密度显著下降。

另外，已经发现反磁性及顺磁性粒子无法被吸附在如图1E所示的整个磁棒组件的表面，而是这些粒子形成环绕于外表面的条状。为了了解磁棒组件中磁块的排列设置，可将磁性检视卡(Magnetic Viewer Cards)设置于如图1C及1E两图所示的磁棒组件的前方。磁性检视卡是一种包含液体磁力的可挠性薄膜。图3A及3B显示了由磁体的磁场通过磁极感应产生的图像。各组件中的磁极的图像可以通过检视卡观察，其中亮区(light area)表示N极和S极相遇的接合区域，且位置被定量测量。

为了比较图1C的优选的磁棒组件的性能与图1E的磁棒组件的性能，将相同质量的Fe₂O₃粉末设置于独立的纸张上(10cm x 5.5cm)上。具有相关联的套筒的各个组件以非接触的方式在粉末上方0.5cm至1.0cm的距离处缓慢地旋转，直到实质上所有的粉末受到吸引而被拾起。如图4A所示，优选的磁棒组件的几乎整个套筒表面(图1C及3A)都覆盖有氧化铁粉末。相比之下，如图4B所示，图1E及3B的磁棒组件能将铁粉吸引至套筒表面的相同磁极交会的有限的区域上。显然，在使用优选的磁棒组件的情况下，吸引的有效面积较大，其中磁棒的纵轴线垂直于磁棒组件的中心轴线或长轴线。

如图1A所示，通过管道6进入过滤器壳体4的工艺物料流最初行进通过线丝网笼28，并在永磁棒组件34产生的适当磁场的影响下接触IPM填充物质。工艺物料流6中的固体顺磁性粒子被吸引到套筒保持器32和IPM填充物质36。工艺物料流6中的具有由IPM填充物质诱导产生的磁性的反磁性固体亦被吸引到套筒保持器32和IPM填充物质36。经处理的工艺物料流通过线丝网笼28并通过控制阀12及管道10离开过滤器壳体4。

在净化周期中，控制阀8及12依序关闭。打开盖板20，且由过滤器壳体4取出整个核心组件，其包括永磁棒组件34、顶支撑板26连同套筒保持器32、包含IPM填充物质36的线丝网笼28。此后，由套筒保持器32取出永磁棒组件34以去除来自内部区域14的磁场，因而释放套筒保持器32外表面及IPM填充表面所吸引的顺磁性及反磁性材料的固体。在磁棒组件34再次插入至套筒保持器32之前，核心组件以水或其他适当的流体清洗。净化的核心组件接着重新定位于过滤器壳体4内，且顶部开口关闭并以盖板20和合适的密合垫片(fittedgasket)密封。在操作周期开始之前，控制阀46及48打开以从管道17暂时地引进高压流体(例如，水、工艺物料流或空气)以冲走过滤器壳体4中的残留固体，且通过控制阀48以及排泄管道49去除冲走的固体。最后，控制阀46和48被关闭，且控制阀8及12打开以再次开始操作周期。

图2A绘示了水平过滤器50，水平过滤器50包括壳体52，壳体52具有进口管54及出口管58，进口管54可以通过控制阀56耦接至被污染的工艺物料流，经处理的工艺物料流通过控制阀60由出口管58离开。壳体52界定内部区域62。排泄管道64焊接至壳体52的底部，利用控制阀66可调节通过排泄管道64的流体，控制阀66在过滤操作时正常关闭，且在净化服务时打开以排放来自壳体52的冲洗流体。

左盖板68以螺拴70固定至环形凸缘72，环形凸缘72沿着壳体52的左侧开口焊接至外周界，而右盖板74以螺拴76固定至环形凸缘78，环形凸缘78沿着壳体52的右侧开口焊接至外周界。聚合物垫片可插入至盖板和凸缘之间。

过滤器组件包括多个水平的永磁棒组件80，永磁棒组件80可以从过滤器壳体52去除。各磁棒组件80安装在细长的反磁性套筒保持器82中，反磁性套筒保持器82由反磁性金属(例如，不锈钢304SSL)构成。各套筒保持器82的一端密封，开口端优选地焊接至盖板68中的安装孔以与其形成整体单元。为确保位置并支撑套筒保持器82及磁棒组件80的重量，各套筒保持器安装在分隔板88的孔洞中，分隔板88焊接至壳体52以分隔过滤器内部为两个相等的腔室。为在工艺物料流中对于固体反磁性材料感应产生磁场，线丝网笼90被填充有IPM填充物质92，IPM填充物质92从过滤器开口的两侧插入到套筒保持器82之间的空间中。作为IPM填充物质92的保持器的线丝网笼90优选地由筛网尺寸略小于IPM填充物质92的尺寸的反磁性材料的粗线制成，以防止IPM填充物质92流失至工艺物料流。

优选的IPM填充物质和配置与图1A所示的垂直定向的磁性过滤器2中使用的IPM填充物质和配置相同。保持水平定向的磁棒组件80的相邻的套筒82的外表面之间的间距应该在0.1至5cm的范围内，且优选地在0.1至2cm的范围内。过滤器内的磁通强度应该是2000至20000GS，优选地2000至10000GS，且更优选地6000至10000GS。

如图2B及2C所绘示，各永磁棒组件80的套管100是反磁性的金属(例如，不锈钢304SSL)，且界定容纳一个或多个磁块的腔室，以形成永磁棒组件80。各永磁棒组件80具有在顶部的拉环96，用以在净化周期期间由套筒保持器82取出。多个短磁块94以交迭方式堆叠，并布置成使得一个磁块的两个磁极中的每个磁极都与相邻磁块的相反磁极并置。

图2B绘示了剖面侧视图，其示出用于套筒保持器82的合适孔洞，且诱导顺磁性材料填充物质92填满套筒保持器之间的空间。

磁性过滤器50的配置于分隔板88及过滤器壳体52之间导引通过管道54进入过滤器壳体52的工艺物料流以在左腔室中向下朝底部开口流动。工艺物料流接着在右腔室中向上朝向出口流动，且经处理的工艺物料流通过控制阀60及管道58离开过滤器壳体52。在过滤器的两个腔室中，工艺物料流经过套筒保持器82的外表面，和在永磁棒组件80产生的强磁场的影响下接触诱导顺磁性材料填充物质92的线丝网笼90。在工艺物料流54中的固体顺磁性物质将会被吸引至套筒保持器82的外表面，以及诱导顺磁性材料填充物质92的表面。具有由诱导顺磁性材料填充物质所诱导的磁性的工艺物料流54中的反磁性固体，将被吸引至套筒保持器82的外表面以及诱导顺磁性材料填充物质92的表面。

在净化周期中，从过滤器的套筒保持器82中取出永磁棒组件80，以从过滤器内部区域62去除磁场，从而从套筒保持器82外表面以及诱导顺磁性材料填料物质92的表面释放被吸引的顺磁性和反磁性物质的固体。在关闭控制阀56及60之后，打开控制阀66及120以通过管道122引入高压流体，例如水、工艺物料流或空气，从而通过控制阀66及排泄管道64冲掉所释放的固体。为了开始操作周期，将磁棒组件80放回至套筒保持器82中，并依序关闭控制阀66和120且打开控制阀60和56。

本发明的磁性过滤器特别适合于去除空气传播的污染物的治理项目，所述空气传播的污染物特别是大小介于0.1nm至1.0mm的粒子，例如是颗粒物质PM 2.5。反磁性及顺磁性粒子两者都可以从流中去除。举例而言，可以将过滤器安装于无尘操作室或飞机中以清洁再循环空气，安装于发电厂或炼钢厂中以清洁废气(flue gas)或安装于移动排放源中，例如安装在汽车以减少空气污染。磁性过滤器亦可在工艺物料流中的粒子可能累积并伤害设备的连续操作中用于去除炼油厂、化工厂及其他设施中的液体流中的粒子。举例而言，利用本发明之磁性过滤器，可有效地从流中去除自由流动或从催化剂床脱离的无机催化剂。此外，此过滤器可以安装于超纯水的生产设备中以从产品流中去除超细微反磁性及顺磁性粒子。相似地，过滤器可以设置于天然气处理厂的上游以去除超细微反磁性粒子，例如沙、碳残留物和反磁性金属氧化物，以及来自于天然气田的天然气流中的超细微顺磁性粒子，例如硫化铁、氧化铁等，以保护工厂设备并提升工厂效能。

实验例

呈现以下实验例以更进一步阐明本发明不同的方面及实施例，而不应被理解为限制本发明之范围。为说明在永磁体所产生的外部磁场的影响下顺磁性及反磁性物质之间的交互作用，选择了顺磁性及反磁性粉末进行不同的实验。依据物质的质量磁化率(MS)，将物质分类为顺磁性及反磁性。

质量磁化率(MS)指每克物质之磁化率，且磁化率指每单位施加场(per unitapplied field)材料的磁化程度。质量磁化率描述了物质对于施加的磁场的磁响应。所有的物质各自具有其质量磁化率(MS)的特征值。顺磁性物质具有较高且正的质量磁化率(MS)值，而反磁性材料具有较低且负的质量磁化率(MS)值。表1列出所选的物质的质量磁化率(MS)值。

表1

物质的质量磁化率

实验例1

量测了磁场中具有高MS值的所选固体物质所展现的磁性程度或强度。使用了具有6000GS的磁场强度的永磁棒组件。所选的固体粉末为：钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、氧化镍(NiO)、铁氧化物(FeO和Fe₂O₃)、硫酸亚铁(FeSO₄)、氯化铁(FeCl₃)、担载于γ氧化铝催化剂上的镍(Ni supported onγ-alumina catalyst(Ni/γAl₂O₃))、氧化镝(D_y2O₃)、三氧化二钆(Gd₂O₃)，以及三氧化二铬(Cr₂O₃)。

对于每个测试，以精密天平(可称量最小至10^-4克)称量约0.5克的粉末且将该粉末置于(精确称量的)玻璃容器中。然后将永磁棒组件置于粉末附近。在吸引粉末后，去除磁棒并称量具有残留粉末(若有任何)的容器。计算由磁棒所吸引的粉末之重量百分比(％)。

如表2之所记载的数据集所示，除了NiO(不受吸引)及Cr₂O₃(仅82％)，MS值大约是600至7000x10^-6c.g.s.单位的金属及其氧化物容易受到永磁棒组件的吸引。正如预期的，具有非常高的磁化率(磁化率)的Dy₂O₃和Gd₂O₃显示出完全吸引。然而，即便硫酸亚铁(FeSO₄)以及氯化铁(FeCl₃)具有非常高的MS值(超过+10000x10^-6)，仍意外地显示无磁性且不受到磁棒(MB)的吸引。此实验说明了质量磁化率仅用作用以选择适当的诱导顺磁性材料的指导。金属或金属氧化物是作为适当的感应顺磁性物质的可能候选对象，而金属盐(例如FeSO₄或FeCl₃)被排除考虑，不论它们具有高的MS值。

表2

实验例2

本实验验证了反磁性材料本身并不会被磁棒所吸引。所测试的反磁性材料为硅、碳化硅(SiC)、γ氧化铝(γAl₂O₃)、非磁性丁二烯、氧化钛(TiO₂)、陶瓷、活性碳、聚乙烯以及元素硫。磁性丁二烯亦受到测试。将磁场强度6000GS的永磁棒组件置于粉末样品旁；除了磁性丁二烯(包含顺磁性物质)外，无任何粉末被吸引至磁棒上。磁场的出现未在反磁性材料中诱导磁场。

实验例3

简单地涂覆顺磁性物质于永磁棒组件上，并未使得组件对于反磁性材料具有吸引力。在此例中，将涂覆氧化亚铁(FeO)粉末的永磁棒组件置于各种不同的反磁性粉末旁，包括Si、SiC、SiO₂、Al₂O₃、非磁性丁二烯、磁性丁二烯、TiO2、陶瓷、活性碳以及聚乙烯。除了包含顺磁性物质的磁性丁二烯之外，并无任何的反磁性粉末受到永磁棒组件的吸引。

实验例4

混合反磁性物质与适当的IPM物质时，顺磁性物质作为磁性诱导剂(magneticinducing agent)。当混合物暴露于由永磁棒或电磁所产生的磁场时，混合物中的反磁性物质展现磁性。混合物中的顺磁性及反磁性物质两者都受到磁体的吸引。

实验在环境条件下的空气(气相)中执行。对于每个测试，利用精密天平(最小可称量至10^-4克)秤量大约1.0克的反磁性粉末及0.1克的顺磁性粉末，且将混合物置于精密称量的玻璃容器中。具有6000高斯(GS)磁力的永磁棒组件置于混合物附近以从容器吸引粉末。去除磁体且称量具有残留的混合粉末的容器。磁体所吸引的混合粉末之重量百分比(％)；数据总结于表3和4中。

表3

如表3中所记载，以镍/γ氧化铝(Ni/γAl₂O₃)作为诱导剂，磁棒仅对γAl₂O₃、SiC、渣油液裂解催化剂(resid fluid cracking catalyst,RFCC)(RFCC-Al₂O₃/SiO₂)：70/30)、元素硫(S)和活性碳表现出轻微的吸引，但对于硅表现出明显较大的吸引。

表4

如表4中所记载，由于磁棒吸引高得多百分数的顺磁性和反磁性混合物，氧化亚铁(FeO)相较镍/γ氧化铝(Ni/γAl₂O₃)是更好的诱导剂(inducing agent)。

实验例5

除了使用细碳钢丝(carbon steel wires，CSW)形式的IPM而不是铁粉末之外，本实验与实验例4的实验相似。如表5所示，除了元素硫的情况之外，70％至接近100％的反磁性物质被磁体吸引。

表5

实验例6

液相测试在周围环境条件下进行。特别地，对于每个测试，将大约50克的水与1.0克的反磁性粉末混合于精确称量的容器中。此后，将顺磁性粉末加入至混合物中。将具有6000GS磁力的永磁棒组件插入至液体混合物中，允许悬浮的固体粉末受到磁体的吸引。去除磁体并刮去固体粉末，并且将清洁后的磁体再次插入至溶剂中并允许其吸引额外的粉末。在第二次去除磁体后，称量具有包含残留粉末的溶液的容器。计算被磁体吸引的混合粉末的重量百分比(％)。

表6是利用水作为溶剂、RFCC粉末(平衡渣油液裂解催化剂(equilibrium residfluid cracking catalyst)(Al₂O₃/SiO₂)：7/3))作为反磁性材料(DM)并且Fe₂O₃作为IPM进行测试的结果。将大约0.1、0.3、0.5和0.7克的Fe₂O₃加至各试样中，结果显示依据Fe₂O₃加入量以及磁体的位置(与磁场强度有关)，60％至接近100％的混合粉末被磁体吸引。所吸引的粉末量与加至混合物的Fe₂O₃量成比例。

表6

实验例7

除了溶剂为柴油(diesel)之外，本实验与实验例6相似。在表7所记载的结果显示，大约39％至92％的混合固体粉末被磁体的吸引，柴油中被磁体吸引的粉末量与加入至混合物中的Fe₂O₃的量成比例，有一个例外。

表7

实验例8

本实验显示，在上述实验例中所使用的6000GS永磁体的磁场强度随与磁体距离而指数下降(以10⁴乘幂)。永磁体的磁场强度以增量来在从0至5.00cm距离进行量测。结果记载于表8，显示磁场强度的显著衰减(substantial decay)。可预期使用电磁棒也将出现相似的衰减。依照本发明，磁体所产生的磁场强度必须足够强以激活感应顺磁性物质，从而使得当反磁性物质和感应顺磁性物质互相作用时，将反磁性材料磁化。由于磁场强度随距离剧烈地衰减，所以需要将套筒保持器之间的距离保持为如前所述的较小的间隙。

表8

实验例9

依照本发明，为了作为有效的磁性过滤器以去除反磁性材料，过滤器必须使用能够产生足够的磁场以在反磁性材料中赋予或诱导所需的磁性从而被磁场的吸引的磁体，磁体可以是永磁体或电磁体。反磁性材料中的被诱导的磁性强度必须足够强，以使得被磁场吸引。为展示磁场强度的重要性，在相似于实验例6的测试中，比较2000GS及6000GS的永磁棒，其中磁体去除在室温下的水溶液中的RFCC粉末。

结果总结于表9中，该结果显示使用2000GS的磁体，仅吸引大约40％的混合粉末。存在于溶液中的顺磁性粉末量不影响吸引水平。相比之下，使用6000GS磁体，在顺磁性材料/反磁性材料为0.1及0.3比率的情况下，分别去除90％及92％的混合粉末。因此，优选的是使用具有较高磁场强度的磁体来通过顺磁性物质所感应的磁性来吸引反磁性物质。相对于被吸引的反磁性材料，溶液中存在的顺磁性粉末量的影响相对不重要。

表9

永磁棒(MB)强度：2000GS和6000GS

Claims (29)

1.一种从载体流去除反磁性材料的方法，包括以下步骤：

(a)在一区域内使载体流接触诱导顺磁性材料，该载体流包括载体流体及反磁性材料，其中该反磁性材料选自由硅、碳化硅(SiC)、γ氧化铝(γAl₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、二氧化硅/氧化铝(SiO₂/Al₂O₃)、非磁性丁二烯、磁性丁二烯、氧化钛(TiO₂)、陶瓷、活性碳(C)、聚乙烯和元素硫及其混合物所组成的群组，并且其中，该反磁性材料包括具有介于0.1纳米至1.0毫米的尺寸的粒子；以及

(b)在该区域内建立磁场，借此使得该反磁性材料具有足够的磁性，以便被磁体吸引，从而产生反磁性材料水平降低的经净化的载体流体，其中所述反磁性材料在不存在所述诱导顺磁性材料的情况下不被磁体吸引，并且其中，所述反磁性材料在磁场下通过所述反磁性材料与包括顺磁性物质的诱导顺磁性材料的协同作用而被磁化。

2.如权利要求1所述的方法，其中，该诱导顺磁性材料是选自由Ce、CeO₂、CsO₂、Co、CoO、Ni、CuO、NiO、NiS、Fe、FeO、Fe₂O₃、FeS、Mn、Ni/γAl₂O₃、Cr₂O₃、Dy₂O₃、Gd₂O₃、Ti、V、V₂O₃、Pd、Pt、Rh、Rh₂O₃、KO₂及其混合物所组成的顺磁性材料的群组中的物质。

3.如权利要求1所述的方法，其中，该诱导顺磁性材料是选自由Co、CoO、Ni、Fe、FeO、Fe₂O₃、FeS、Ni/γAl₂O₃、Cr₂O₃、Dy₂O₃、Gd₂O₃及其混合物所组成的顺磁性材料的群组中的物质。

4.如权利要求1所述的方法，其中，该载体流包括顺磁性材料，且在步骤(b)中，该顺磁性材料受到该磁体和该诱导顺磁性材料的吸引。

5.如权利要求4所述的方法，其中，该载体流体是天然气，且该反磁性材料包括沙、碳残余物及反磁性金属氧化物，并且该顺磁性材料包括硫化铁及氧化铁。

6.如权利要求1所述的方法，还包括步骤(c)：从该区域去除该磁场使得该反磁性材料从磁体被释放。

7.如权利要求1所述的方法，其中，(i)该载体流体是空气，且该反磁性材料包括污染物。

8.如权利要求1所述的方法，其中，该载体流体包括来自发电厂或炼钢厂的排放废气，且该反磁性材料包括空气传播的粒子，包括碳、金属氧化物和/或金属硫化物。

9.如权利要求1所述的方法，其中，该载体流体包括汽车废气，且该反磁性材料包括空气传播的粒子。

10.如权利要求1所述的方法，其中，该载体流包括炼油厂或化工厂中的液体流。

11.如权利要求1所述的方法，其中，该载体流体是水，且该反磁性材料包括污染物。

12.如权利要求1所述的方法，其中，该区域具有2000GS至20000GS的磁通强度。

13.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)利用磁体产生该磁场，且该顺磁性诱导物质不与该磁体物理接触。

14.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)利用彼此间隔开的多个细长的非磁性套筒，其中每个套筒被配置成容纳设置在其中的一个或多个磁体。

15.如权利要求14所述的方法，其中，每个套筒均具有外表面，且相邻套筒的相邻外表面之间的距离介于0.1至5cm。

16.如权利要求14所述的方法，其中，每个套筒均具有中心轴线且容纳多个磁体，其中，每个磁体均具有北极、南极及纵轴线，该纵轴线垂直于该中心轴线。

17.如权利要求14所述的方法，其中，该多个磁体以交错排列方式排列，其中相邻磁体的相反磁极并置。

18.如权利要求14所述的方法，其中，每个套筒均具有中心轴线并容纳多个磁体阵列，其中每个阵列包括两个或更多个磁体，其中，每个磁体均具有北极、南极及纵轴线，该纵轴线垂直于该中心轴线，并且每个阵列中磁体的相同磁极并置。

19.一种磁性过滤器，用于从载体流中分离反磁性污染物，该磁性过滤器包括：

壳体，该壳体具有(i)流入口、(ii)流出口，及(iii)在该入口及该出口之间的内部区域；

分布于该内部区域中的诱导顺磁性填充材料，其中，该诱导顺磁性填充材料选自由Co、CoO、Ni、Fe、FeO、Fe₂O₃、FeS、Ni/γAl₂O₃、Cr₂O₃、Dy₂O₃、Gd₂O₃及其混合物所组成的顺磁性材料的群组，其中，该诱导顺磁性填充材料被配置以物理接触该反磁性污染物，其中所述反磁性污染物包括选自由硅、碳化硅(SiC)、γ氧化铝(γAl₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、二氧化硅/氧化铝(SiO₂/Al₂O₃)、非磁性丁二烯、磁性丁二烯、氧化钛(TiO₂)、陶瓷、活性碳(C)、聚乙烯和元素硫及其混合物所组成的群组的反磁性材料；以及

磁体，该磁体设置于该内部区域中，以产生足以使得该诱导顺磁性填充材料具有磁性的磁场，其中所述反磁性材料在不存在诱导顺磁性材料的情况下不被磁体吸引，并且其中，所述反磁性材料在磁场下通过反磁性材料与包括顺磁性物质的诱导顺磁性材料的协同作用而被磁化。

20.如权利要求19所述的磁性过滤器，其中，该区域具有2000GS至20000GS的磁通强度。

21.如权利要求19所述的磁性过滤器，其中，该诱导顺磁性填充材料不与该磁体物理接触。

22.如权利要求19所述的磁性过滤器，包括彼此间隔开的多个细长的非磁性套筒，其中每个套筒被配置成容纳设置在其中的一个或多个磁体。

23.如权利要求22所述的磁性过滤器，其中，每个套筒均具有外表面，且相邻套筒的相邻外表面之间的距离介于0.1至5cm。

24.如权利要求22所述的磁性过滤器，其中，每个套筒均具有中心轴线并容纳多个磁体，其中，每个磁体均具有北极、南极及纵轴线，该纵轴线垂直于该中心轴线。

25.如权利要求24所述的磁性过滤器，其中，该多个磁体以交错排列方式排列，其中相邻磁体的相反磁极并置。

26.如权利要求22所述的磁性过滤器，其中，每个套筒均具有中心轴线并容纳多个磁体阵列，其中，每个阵列包括两个或更多个磁体，其中，每个磁体均具有北极、南极及纵轴线，该纵轴线垂直于该中心轴线，并且每个阵列中磁体的相同磁极并置。

27.如权利要求22所述的磁性过滤器，其中，每个细长的非磁性套筒中的该一个或多个磁体被包封在非磁性管状外壳中，该非磁性管状外壳的一端被密封，且该管状外壳可滑动地接收在细长的套筒内。

28.如权利要求22所述的磁性过滤器，其中，该载体流沿平行于该多个细长的非磁性套筒的大致轴向方向流过该内部区域。

29.如权利要求22所述的磁性过滤器，其中，该载体流沿垂直于该多个细长的非磁性套筒的大致轴向流过该内部区域。

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