DE2659254A1

DE2659254A1 - Verfahren und vorrichtung zum trennen von teilchen unterschiedlicher dichte mit magnetischen fluiden

Info

Publication number: DE2659254A1
Application number: DE19762659254
Authority: DE
Inventors: Homer Fay; Henri Hatwell; Jean Marie Quets
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-28
Publication date: 1977-06-30
Also published as: JPS5284569A; US4062765A; FR2336980A1; ZA766958B; AU2093376A; CA1074261A; NL7614501A

Description

Priorität: 29. Dezember 1975, Nr. 645 o16_f USA

Die Erfindung bezieht sich auf das Trennen von Gemischen von Feststoffteilchen in Fraktionen auf der Basis von Dichteunterschieden der verschiedenen vorhandenen Teilchen. Die Erfindung betrifft insbesondere das Trennen von Teilchen durch ferrohydrodynamische Prozesse, bei denen der in dem magnetischen Medium verwendete Trennungsort ein zweidimensionaler Bereich mit einem gleichförmigen magnetischen Gradienten ist, der als Dichteseparator wirkt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens.

Die Prinzipien, die erst in neuerer Zeit für die Dichtetrennung mittels magnetischer Fluide verwendet v/erden, sind bereits seit langem bekannt. Gemäß diesen Verfahren wird im allgemeinen ein Teilchengemisch von wenigstens zwei Substanzen mit verschiede nen Dichten in ein fluides Medium eingeführt, welches stark paramagnetische oder superparamagnetisiscbe Eigenschaften hat.

FOSTSCHECKKONTOrMONCHEN 50175-809

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und das auf das System ein inhomogenes Magnetfeld einwirken gelassen wird. Obwohl unter dem Einfluß des Magnetfeldes das magnetische Fluid eine Anzahl von speziellen Eigenschaften zeigt, die für normale Fluide nicht charakteristisch sind, ist der wesentliche Effekt, soweit er die Dichtetrennung betrifft, ein zusätzlicher, nicht gleichförmiger Druck, welcher der magnetischen Energiedichte äquivalent ist und in dem Fluid erzeugt wird. Dieser Druck übt auf die eingeführten Teilchen eine resultierende Kraft unabhängig von der Dichte der Teilchen in eine Richtung entgegengesetzt zum Gradienten der Größe des angelegten Magnetfeldes aus. Durch Anlegen des Magnetfeldes derart, daß die Kraft auf die Teilchen der Schwerkraft entgegenwirkt, kann ein Auftrieb für dichte Teilchen erzeugt werden, der in direkter Beziehung zu ihrer Dichte steht. Wenn also die Teilchen in dem magnetischen Fluid angeordnet sind, können die Teilchen mit höherer Dichte zum "Sinken" und die mit geringer Dichte zum "Schwimmen" veranlaßt werden. Wenn die Teilchen einmal in dem Fluid infolge ihrer Dichtewerte entmischt sind, kann eine Vielzahl mechanischer Mittel verwendet werden, um die verschiedenen entmischten Anteile der Teilchen aus dem System abzusondern.

Die Trennung der gemischten Teilchen auf der Basis ihrer jeweiligen Dichten durch ein magnetisches Schweben ist bereits Gegenstand eines Vorschlags, bei welchem als magnetisches Fluid eine stabile kolloidale Suspension paramagnetischer Teilchen in einem flüssigen Medium, wie Kerosin bzw. Petroleum, Xylol, Silikonöl, Fluorkohlenstoffen, organischen Estern und Wasser, verwendet wird (US-PS 3 483 969) Superparamagnetische Stoffe sind in einem Magnetfeld sehr stark magnetisierbar, behalten jedoch ihren Magnetismus nicht, wenn das Feld entfernt wird. Es gibt also keine Hystereseschleife bei ihren Magnetsisierungskurven. Die gebräuchlichsten superparamagnetischen Substanzen sind Eisen, das Eisenoxyd Fe₃O₄ (Magnetit), Kobalt und Nickel, wobei sich jede

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Substanz in einem fein zerteilten Zustand befindet. Außerdem hat man einige Verbindungen der Seltenen Erden, bestimmte Legierungen von Platin und Rhenium sowie wässrige Lösungen von Mangansalzen zur Herstellung magnetischer Fluide verwendet. Von diesen Materialien hat Eisen weitaus die höchste magnetische Suszeptibilität.

Zum Trennen von Materialien verschiedener Dichte durch die Differenz in den Schwebekräften in den genannten superparamagnetischen Fluiden wurden bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen (US-PSn 3 483 969, 3 488 531, 3 483 968 und 3 788 465). Bei diesen bekannten Verfahren und Vorrichtungen wird jedoch immer das magnetische Fluid in dem Spalt eines vergleichsweise großen Magneten gehalten, wobei die zu trennenden Teilchen zwangsweise durch diesen einzigen magnetisieren Spalt strömen. Notwendigerweise ist die Größe des einzigen Spaltes, auf die Größe des Magneten beschränkt. Die größte Apparatur für die Teilchentrennung ist in dem NASA-Report CR-132318'vom 28. 6. 1972 beschrieben. Diese bekannte Vorrichtung hat eine Trennzone von 2o cm auf jeder Seite, einen Gradienten von 25o Oersted/cm und erzeugt eine scheinbare Dichte von 8 g/cm . Der in dieser Vorrichtung benutzte Magnet ist ein Elektromagnet, der eine Leistung von 1o kW bei einer scheinbaren Dichte von 8 hat, ein C-förmiges Joch aufweist, hyperbolische Pole hat und dessen Abmessungen von 53 χ 4o χ 4o cm 4.76o kg Stahl und 61o kg Kupferdraht enthalten. Der magnetische Gradient in diesem Magneten ist auf + 1o % gleichförmig. In dieser Vorrichtung mit einem einzigen Spalt werden die zu trennenden Gegenstände im mittleren Bereich des magnetischen Fluids in den geschlossenen Spalt eingeführt und in absinkende und schwimmende Fraktionen durch die Magnetkräfte getrennt. Die Fraktionen mit hoher Dichte und niedriger Dichte werden getrennt von Förderbändern entfernt. Eine Vergrößerung des einzigen Spaltes führt zu einer noch größeren Konstruktion, die noch aufwendiger ist und noch stärkere Elektromagneten verlangt. Das gesamte zu

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behandelnde Material strömt durch einen einzigen Bereich, in welchem der gesamte Betrieb blockiert wird, wenn irgendwelche Probleme hinsichtlich einer Agglomerierung oder beim Fördern auftreten. Bei dem bekannten Separator mit dem einzigen Spalt treten diese Probleme bei feinen Teilchen noch stärker hervor, d. h. bei Teilchen, die kleiner als etwa 5 mm sind. Durch den Strömungswiderstand in der magnetischen Flüssigkeit sowie wegen des leichten Blockierens von Förderbändern sind feine Teilchen äußerst schwierig in dem Separator mit dem einzigen Spalt zu behandeln. Die praktische untere Grenze für eine solche Vorrichtung liegt bei Teilchen mit einer Größe von etwa 1/2 cm. Es können viele wertvolle Materialien für die Trennung lediglich durch Zerkleinern oder Mahlen in Körner oder feine Pulver freigesetzt werden, die erfindungsgemäß behandelt werden.

Erfindungsgemäß soll deshalb ein Verfahren geschaffen werden, welches magnetische Fluide zum Trennen von nicht magnetischen Gegenständen verwendet, ohne daß eine Notwendigkeit für große schwere aufwendige Elektromagneten hoher Leistung zum Erzeugen und Aufrechterhalten der erforderlichen Magnetfelder und Magnetfeldgradienten besteht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll die Trennung von kleinen Teilchen von etwa 5 mm bis herab zu etwa einem Mikrometer im Durchmesser nach ihrer Dichte möglich sein. Die Trennvorrichtung soll in Einklang mit anderen Materialbehandlungsvorrichtungen bringbar sein, beispielsweise mit Zerkleinerungseinrichtungen, Mahleinrichtungen, Mühlen, magnetischen Separatoren, Fördereinrichtungen und dergleichen.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1a zeigt eine Draufsicht auf ein mangetisches Gitter für eine Filtertrennung von Teilchen unterschiedlicher Dichten.

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Fig. 1b ist eine Seitenansicht des magnetischen Gitters von Fig. 1a.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch das Gitter von Fig. 1a mit einem Schwebetank und Fördereinrichtungen für eine Trennung und Sammlung von Teilchen unterschiedlicher Dichten.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Gitter- bzw. Rostvorrichtung, die von einem kontinuierlichen elektrischen Leiter gebildet wird.

Fig. 4 zeigt in einem Konturbild die vertikale Komponente des Feldgradienten im Magnetfeld, das von einer Drahtgittervorrichtung erzeugt wird.

Fig. 5 zeigt ein Konturbild der vertikalen Komponente eines Quadranten des Feldgradienten, der in einem magnetischen Fluid durch ein achteckiges Gitterelement der Vorrichtung erzeugt wird.

Fig. 6 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der in einem Magnetfeld erzeugten scheinbaren Dichte von einem typischen Magnetgitter.

Es hat sich gezeigt, daß bei der Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe eine Erscheinung ausgenutzt werden kann, die man beobachtet, wenn ein im wesentliches ebenes Gitter mit einer Vielzahl magnetischer Spalte in einem ferromagnetischen fluiden Medium oder in unmittelbarer Nähe davon angeordnet wird. Die Magnetgitteraufbauten haben Reihen von Magnetpole und Spalte, die jeweils einen Bereich einer Magnetfeldstärke und einer !Magnetflußdichte entsprechend den Gesetzen der Magnetostatik bilden. Im Gegensatz zu den bekannten Aufbauten mit einem einzigen Spalt, bei welchen das magnetische Fluid zwischen den Emanationen, aus einem einzigen Polpaar eingeschlossen und davon beeinflußt wird,

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übt das erfindungsgemäße magnetische Gitter, welches vollständig von dem magnetischen Fluid umgeben werden kann, eine Vielzahl von magnetischen Kräften auf das magnetische Fluid aus. Diese Kräfte wirken untereinander und sind komplex. Dies hat zur Folge, daß weder die Feldstärke noch der Gradient über einen großen Bereich des Fluids gleichförmig ist. Trotzdem v/erden in der Nähe des Gitteraufbaus große lokale Werte von H erzeugt, wodurch Kräfte auf .nicht magnetische Teilchen gemäß folgender Gleichung ausgeübt v/erden:

^Fm ^{= V {I}o - h^]

wobei V das Teilchenvolumen in Kubikmeter, I und I_f die Magnetstärke des Teilchens bzw. des magnetischen Fluids in Tesla und?H der Gradient der Größe des Magnetfeldes,

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also eine Vektorgröße, in A/m ist.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß, wenn ein sich wiederholender Gitteraufbau, d. h. ein Gitteraufbau mit Spalten und Polen in gleichförmiger planparalleler Gestaltung und Stärke, horizontal in oder unmittelbar unter einer magnetischen Fluidmasse angeordnet wird, der Gradient im allgemeinen sowohl vertikale als auch horizontale Kräfte erzeugt. Die horizontalen Kräfte sind jedoch in Höhen über dem Gitter vernachlässigbar, die größer sind als etwa die Hälfte des Gitterabstandes. Bezüglich der vertikalen Komponente des Gradienten hat man beobachtet, daß die Konturen bzw. Einhüllenden einer konstanten Kraft zwei unterschiedliche Arten haben. In unmittelbarer Nähe der Gitterpole bilden die Konturen einer vertikalen Kraft diskontinuierliche Flächen bezogen auf die gesamte Gitterfläche. In größeren Abständen von den Gitterpolen bilden die konstanten vertikalen Kräfte kontinuierliche Flächen. Die Übergangsgrenze zwischen den kontinuierlichen und diskontinuierlichen Konturen ist eine komplexe Fläche. Diese Fläche hat eine Vielzahl von Punkten in einer Ebene parallel zur Hauptgitterfläche, die von einer Vielzahl von Punkten gebildet wird,

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welche den Ort für die Werte mit höchster vertikaler Kraft auf vertikalen Mittelebenen zwischen den Polen sind. Diese Punkte sind "kritische Punkte". Der Wert der vertikalkraft, also senkrecht zur Gitterebene, an solchen Punkten heißt "kritischer Wert". Die kontinuierlichen Bahnen oder Flächen mit konstanten vertikalen Kraftkonturen über den kritischen Punkten bilden eine Sperre für den Durchgang durch die Gitterräume für Teilchen niedriger Dichte, während der Durchgang von Teilchen höherer Dichte möglich ist. Das System kann somit als Filterseparator arbeiten und lokale binäre Trennungen von Teilchen auf der Basis der Dichte ausführen. Durch Kaskadenschaltung oder übereinanderstellen einer Anzahl von Gitter, die auf verschiedene Dichten gestellt sind, kann man eine Anzahl von Dichtefraktionen erhalten, wobei jedes Gitter eine binäre bzw. zweifache lokale Trennung ausführt.

An oder über dem kritischen Punkt in dem beschriebenen System tritt die gleiche Abnahme der vertikalen Komponenten im Gradienten mit zunehmender Höhe über dem Gitter ein, wie sie sich bei der herkömmlichen einpoligen Schwebevorrichtung ergibt. Dementsprechend braucht ein Mehrfachspaltgitter nicht nur als ein Filterseparator verwendet zu werden, in welchem die dichteren Teilchen dadurch abgetrennt werden, daß sie unter die Übergangsgrenze zwischen der kontinuierlichen und der diskontinuierlichen Kontur gefallen sind, sondern kann auch zum Trennen von Teilchen unterschiedlicher Dichten verwendet werden, die gänzlich in der Zone mit den kontinuierlichen Konturen des Magnetfeldes liegen. Eine Kombination der beiden Arten von Trennprozessen kann leicht erreicht werden, wenn eine Mehrfachspaltgittervorrichtung benutzt · wird. Die einzigartige Fähigkeit des Mehrfachspaltgitters ist jedoch leicht dann erkennbar, wenn man die Effekte berücksichtigt, welche die Größe der zu trennenden Teilchen auf Versuche bezüglich einer größeren Auslegung haben, d. h. aet Vergrößerung der Kapazität der magnetischen Gittervorrichtung gegenüber einer Vorrichtung mit einem einzigen Spalt.

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Die Erfindung wurde im vorstehenden anhand eines horizontal angeordneten Gitters erläutert. Es hat sich gezeigt, daß in einigen Fällen das Kippen des Gitters vorteilhaft ist, da es die Verwendung der Schwerkraft zum Transport der Teilchen über das Gitter ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform arbeiten die Kräfte, die auf ein nicht magnetisches Teilchen wirken, in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Gitters wie im Falle des horizontal liegenden Gitters, wobei jedoch jetzt die Kräfte nicht länger vertikal sind. Diese Kräfte dienen als Sperre für die Teilchen niedriger Dichte, während die Teilchen hoher Dichte unter den kritischen Punkt fallen können. Die Teilchen niedriger Dichte sind nicht ortsfest, sondern können sich kontinuierlich durch das magnetische Fluid oder zusammen mit ihm in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Gitteraufbaus bewegen.

Es ist zweckmäßig, die verschiedenen Prozesse entsprechend der Kraft pro Teilchenvolumen F/V zu vergleichen. Wenn das

3 Teilchen als Kugel angesehen wird, erhält man V= (4/3)η r Für ein nicht magnetisches Teilchen in einem maanetischen Fluid gelten folgende Gleichungen im mksa-System:

Magnetische Gleichung: F_m/V = I · H ( vH) (2) Schwerkraftgleichung: ^Fr/^{V =} ^^po"^pf^^g ^ Stokes'sche Gleichung: F /V = (9/2)-n · v/r² (4)

Newton-Rittinger-Gleichung: F_R/V = (3/8) Q_pfv²/r (5)

wobei F die magnetische Kraft, F die Schwerkraft, F die hydrodynamische Kraft im Bereich der laminaren Strömung entsprechend dem Stokes'sche Gesetz und F_n die Kraft des hydrodynamischen Widerstands im Bereich der turbulenten Strömung entsprechend der Gleichung von Newton-Rittinger ist. Die weiteren Größen sind:

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I magnetische - Kraft des fluiden Mediums in Tesla H Gradient des Magnetfeldes in A/m ρ Teilchendichte

P₄. Dichte des fluiden Mediums

g Erdbeschleunigung, 9,8 m/s

η Viskosität des magnetischen Fluids in kg/m s r der Teilchenradius in Metern ν die Geschwindigkeit des Teilchens in m/s Q Widerstandskoeffizient, der im Idealfall 1 ist, für den turbulenten Strömungsbereich sich jedoch zu o,4 ergibt.

Für die Schwerkraft ist F/V größenunabhängig. Nur die Dichten des Gegenstandes und des Fluids sind darin enthalten. Der Wert F/V für den Strömungswiderstand ändert sich

mit 1/r (Stokes) oder 1/r (Newton-Rittinger). Entweder sind die Werte für F/V groß oder die Geschwindigkeit ν ist klein. Wenn das Teilchen um einen festgelegten Abstand bewegt werden soll, nimmt die erforderliche Zeit zu, wenn die Teilchengröße abnimmt.

Für nicht magnetische Feststoffteilchen ist die magnetische Größe F/V von den Teilcheneigenschaften unabhängig. Alle Teilchen werden in der gleichen Weise beeinflußt. Die Bemessung der magnetischen Größe F/V hängt gänzlich von dem Gradienten v^H ab. Der Feldgradient wird in dem Fluid in dem Spalt zwischen den Polen des Magneten erzeugt. Die Größe des Gradienten hängt von der Größe des Spaltes ab, der Form der Polstücke und der Größe des Feldes H ab. Insgesamt ändert sich der maximale Gradient wie das zentrale Feld geteilt durch die Spaltlänge H /L . Das zentrale Feld H ändert sich jedoch wie die magnetomotorische Kraft geteilt durch die Spaltlänge mmf/L . Deshalb ist die magnetische Größe

F/V, die erzeugt v/erden kann, stark von der Spaltlänge des Magneten abhängig. Wenn die Spaltlänge groß ist, ist es schwierig, einen hohen Wert für den Gradienten zu erzeugen.

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Umgekehrt ist es einfach, sehr hohe Werte von ν Η in einem kleinen Spalt zu erzeugen.

Dies zeigt, daß in Separatoren mit einem einzigen Spalt das Trennungsvolumen durch die Magnetgröße und den erfor-

2 derlichen Feldgradienten begrenzt ist. Da Hc< H/L <^ mmf/L , muß die magnetomotorische Kraft mit dem Quadrat der Spaltlänge zunehmen, um eine konstanten Wert für ^ H zu erhalten. Eine maximale praktische Spalttrennung liegt bei etwa o,2 m. Dies bedeutet, daß das Trennungsvolumen in der Vorrichtung mit einem einzigen Spalt nicht leicht vergrößert werden kann, so daß eine Steigerung der Kapazität nur durch du Verwendung von mehreren Separatoren erreicht werden kann, was entsprechend hohe Installierungskosten bedeutet. Darüber hinaus ist der Abstand, den die Teilchen durch das Magnetfeld hindurch zurücklegen müssen, relativ groß, wodurch die Behändlungszeiten unverhältnismäßig lang sind und soweit gehen, daß die minimale Teilchengröße, die abgetrennt werden kann, begrenzt ist.

Im Gegensatz dazu kann eine Vergrößerung des Mehrfachspaltseparators gemäß der Erfindung leicht erreicht werden. Da die Spalte durch eine Vielzahl von Magnetpolen erzeugt werden, die durch relativ kleine Spalte getrennt sind, ist die Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes einfacher als bei einer Vorrichtung mit einem einzigen großen Spalt. Außerdem kann das Gitter wesentlich in einem unbegrenzten Ausmaß seitlich und/oder in Längsrichtung nur dadurch vergrößert werden, daß eine größere Anzahl von Polen verwendet wird, die sich jeweils über die Länge des Gitteraufbaus erstrecken. Da der kritische Punkt des Feldes sehr nahe an der Oberfläche des Gitters liegt, braucht nur ein sehr flacher Körper aus magnetischem Fluid über dem Gitter vorhanden zu sein, um den Trennvorgang auszuführen. Dies ist besonders wesentlich, wenn Mischungen feiner Teilchen behandelt werden, da die für jedes Teilchen erforderliche Lauflänge ziemlich klein

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und die Behandlungszeit somit kurz ist. Die minimale Teilchengröße wird eher durch Oberflächenbenetzungseffekte als durch Faktoren des magnetischen Schwebevorgangs gesteuert. Da die in Seitenrichtung und Längsrichtung wirkenden Kräfte in dem Magnetfluid über dem kritischen Punkt sich als vernachlässigbar erwiesen haben, ist es möglich, die Teilchen seitlich in jeder Richtung ohne Änderung der Kräfte zu bewegen, wodurch Teilchen niedriger Dichte quer über das Gitter mit dem magnetischen Fluid strömen können, ohne daß große Änderungen infolge des Gitteraufbaus auftreten. Wesentlich ist weiterhin, daß die Vertikalkraftkonturen nicht sehr abhängig von der genauen Polform in dem Gitteraufbau sind. Es können sehr einfache Bauformen verwendet werden. Besonders gestaltete Pole sind nicht erforderlich.

Der Aufbau der Vorrichtung zum Trennen von im wesentlichen nicht magnetischen Teilchen unterschiedlicher Dichte umfaßt somit insgesamt

a) ein magnetisches Fluid mit einer kolloidalen Suspension von superparamagnetischetn Material in einem flüssigen Medium,

b) Mittel zum Erzeugen eines Gradienten in dem Magnetfluid, der eine vertikale Komponente in Richtung entgegengesetzt zur Schwerkraft hat, wobei die vertikale Komponente kritische Punkte aufweist, unter denen die Konturen konstanter Kraft diskontinuierlich sind und über denen die Konturen konstanter Kraft kontinuierlich sind,

c) Mittel zum Einführen eines Gemisches von wenigstens zwei festen, nicht magnetischen Teilchen in das Magnetfluid auf einer Höhe, die nicht geringer ist als die kritischen Punkte, wobei die Teilchen Dichten haben, die verschieden von der tatsächlichen Dichte des magnetischen Fluids und größer als diese Dichte- sind,

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d) Mittel zur Wiedergewinndung von wenigstens einem der Teilchen aus dem magnetischen Fluid.

Die zur Erzeugung des speziellen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erforderlichen Magnetfeldes benutzten Mittel können irgendeine Anzahl von gitterartigen Bauformen aufweisen, die gemeinsam bestimmte Baumerkmale haben. Bei bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Gitter, welche die Quellen für die magnetische Kraft sind, aus einer Vielzahl von langgestreckten Elementen, welche eine magnetomotorische Kraft abgeben, wobei wenigstens drei dieser Elemente unmittelbar aneinander angrenzend im Abstand voneinander angeordnet sind, ihre linearen Achsen insgesamt parallel und im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Polarität des Magnetfeldes, die von dem mittleren Element der drei Elemente beigetragen wird, ist entgegengesetzt zu der der anderen beiden daran angrezenden Elemente. Die drei Elemente sind ausreichend nahe beieinander, so daß sich das Magnetfeld des mittleren Elementes und das Magnetfeld der beiden anderen Elemente gegenseitig beeinflussen. Die magnetomotorische Kraft kann durch Permantenmagnete , Elektromagnete oder elektrischen Strom führende Leiter erzeugt werden. Gewünschtenfalls kann mehr als eine Quellenart in geeigneter Weise verwendet v/erden.

Eine Ausführungsform, bei welcher die magnetische Kraft von Permanentmagneten stammt, ist in den Figuren 1a und 1b gezeigt, Wie aus diesen Figuren zu ersehen ist, ist ein Gitter aus neun Eisenpolen hergestellt, von denen einer mit 1o bezeichnet ist. Die Eisenpole übertragen die magnetomotorische Kraft, die von sechszehn Ferritmagneten erzeugt wird, von denen einer mit 12 bezeichnet ist. Die Ferritxnagnete wechseln sich mit den Eisenpolen ab und bilden die Breite der offenen Räume in dem Mittelbereich des Gitters, die mit a bezeichnet sind. Im mittleren Bereich sind die Eisenpole achteckig und im Querschnitt reduziert, wobei der Durchmesser sich vorzugsweise

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dem räumlichen Abstand zwischen den Eisenpolen annähert. Bevorzugt sind der achteckige Querschnitt und andere Formen, die insgesamt rund oder elliptisch sind und das Vorhandensein scharfer Winkelflächen vermeiden.

In Fig. 2 ist das Gitter von Fig. 1a in Kombination mit einer Einrichtung zum Trennen von Teilchen durch magnetisches Schweben und zum Sammeln der getrennten Fraktionen gezeigt. Das Gitter

20 ist in einer gekippten bzw. geneigten Lage in einem Behälter

21 angeordnet, der ein magnetisches flüssiges Medium enthält. dessen Oberfläche mit 22 bezeichnet ist. In die magnetische Flüssigkeit wird mittels einer Rinne 24 ein Gemisch von Teilchen 23 über dem kritischen Punkt des magnetischen Feldes eingeführt, das von dem Gitter 2o erzeugt wird. Die Teilchen, welche eine Dichte haben, die geringer ist als die scheinbare Dichte des magnetischen Fluids am kritischen Punkt, werden von dem System angehoben und bewegen sich unter der Schwerkraft nach unten über die Fläche des Gitters 2o und werden in einem Behälter gesammelt. Die Teilchen, deren Dichten größer sind als die scheinbare Dichte der magnetischen Flüssigkeit an den kritischen Punkten gehen durch die Ebene der kritischen Punkte hindurch und laufen nach unten durch die Räume in den Gittern in einen Behälter 26.

Für die Trennung sehr kleiner Teilchen wird vorteilhafterweise ein Gitter verwendet, das aus einem elektrischen Leiter gebaut ist, der einen Gleichstrom führt. Das von dem durch den Leiter fließenden Strom erzeugte Magnetfeld kann sehr stark sein, auch wenn der Leiter einen sehr kleinen Durchmesser hat und die Spalte dazwischen gleich groß sind. In der Praxis kann das Magnetfeld über dem Gitter sehr flach sein bzw. eine geringe Höhe aufweisen, wodurch die Abstände, über die sich die Teilchen bewegen müssen, um eine Trennung auf der Basis der Teilchendichte zu erreichen, stark verringert werden.

Ein aus einem elektrischen Leiter gebildetes Gitter ist in Fig. 3 gezeigt. Der Leiter 3o ist aus irgendeinem gut

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leitenden Material hergestellt, beispielsweise aus Kupfer, und ist in eine Vielzahl von langgestreckten U-förmigen Abschnitten derart gelegt, daß die Gesamtgestalt eine Reihe von linearen Leitersegmenten aufweist, die parallel zueinander verlaufen und im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen. Die Pfeile an jedem Segment zeigen die Laufrichtung des Gleichstroms an, welcher jedes Segment umgebende Flußlinien erzeugt, die entgegengesetzt zu denen des unmittelbar daran angrenzenden Segmentes sind. Das magnetische Feld eines jeden Segmentes wirkt somit mit dem eines jeden unmittelbar benachbarten Segmentes zusammen bzw. die magnetischen Felder dieser Segmente beeinflussen sich gegenseitig.

Die Eigenschaft des Magnetfeldes über einem Drahtgitter gemäß Fig. 3, d. h. die Feldstärke und die Richtung an irgendeiner Stelle in einem magnetischen Fluid unmittelbar daran angrenzend oder in einem Fluid, in welchem das Gitter untergetaucht ist, kann mit Hilfe des Gesetzes von Ampere gerechnet werden, wobei der Beitrag eines jeden Drahtes bestimmt und die Vektorsumme gebildet wird. Für diese Bereichnungen kann ein Rechenprogramm aufgestellt v/erden und zum Ausdrücken von Werten der Feldstärke, der vertikalen Komponente des Feldgradienten und der horizontalen Komponente des·Feldgradienten an verschiedenen Stellen in der Nähe der Drähte eines Gitters, beispielsweise eines Gitters gemäß Fig. 3, verwendet werden. In Fig. 4 ist ein Konturverlauf der vertikalen Komponente des Gradienten für fünf benachbarte Drahtsegmente des Gitters von Fig. 3 gezeigt. Die Ebene, welche die kritischen Punkte enthält, schneidet die Zeichenebene rechtwinklig und geht durch die Linie b-b. Der kontinuierliche Verlauf der Konturen über dem kritischen Punkt ist aus der Zeichnung ersichtlich.

Fig. 5 zeigt einen ähnlichen Konturverlauf der vertikalen Komponente des Gradienten, der von achteckigen Prismenpolen erzeugt wird, wie sie in dem Gitter von Fig. 1b gezeigt sind. In Fig. 5 ist ein Quadrant eines achteckigen Pols an der unteren

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rechten Ecke der Figur gezeigt. Der kritische Punkt ist an der linken Seite der Figur eingetragen. Aus der Figur sind wiederum die diskontinuierlichen und kontinuierlichen Konturen über und unter dem kritischen Punkt deutlich erkennbar.

Beim Trennen von Feststoffgegenständen in magnetischen Fluiden hängt die Richtung, in der sich jeder Gegenstand bewegt, von seiner Dichte bezüglich der scheinbaren Dichte P des magne-

el

tischen Fluids ab, die sich aus dem darin induzierten magnetischen Feld ergibt und die abhängig von der vertikalen Komponente des Gradienten VH₂ ist. Wenn man versucht, einen im wesentlichen konstanten Wert der scheinbaren Dichte für die Trennzone der magnetischen Fluide zu erhalten, so hat man bisher die Näherung verwendet, einen Magnet so auszulegen, daß er ein Feld in dem magnetischen Fluid erzeugt, das einen nahezu konstanten Gradienten über a soweit über der Trennzone wie möglich hat. Erfindungsgemäß wird nun entgegengesetzt gearbeitet, d. h. es wird ein Versuch dahingehend gemacht, in dem Trennfluid irgendein wesentliches Fluidvolumen zu schaffen, welches einen nahezu konstanten Gradienten hat. Dies ergibt sich deutlich aus dem Profil für die scheinbare Dichte gemäß Fig. 6. Obwohl dieses Profil etwas geändert werden kann, indem die Polstücke des erfindungsgemäßen Gitters entsprechend geformt werden, bleibt der Gesamtverlauf der Kurve für alle Mehrfachspaltgitter der gleiche. In Fig. 6 ist die scheinbare

Dichte P über der vertikalen Höhe Z über dem Gitter in dem a

magnetischen Fluid und auf einer Mittelebene eines Spaltes aufgetragen. Die Kurve ist mit Z als Ordinate gezeichnet, da sie die Vertikalrichtung in dem tatsächlichen Raum darstellt, ρ ist als Abzisse aufgetragen. Die tatsächliche Dichte des magnetischen Fluids wird durch die Linie p- veranschaulicht, und ist im wesentlichen in dem betroffenen Fluidvolumen konstant. Der Punkt der maximalen scheinbaren Dichte in dem Fluid, der von dem Gitter erzeugt wird, befindet sich im

Punkt ρ auf der Abszisse. Man sieht, daß nur ein sehr kleines c

Volumen des Fluids diese Dichte des "kritischen Punktes" hat.

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Es ist nicht wesentlich, daß die Gitteraufbauten gemäß der Erfindung offene Räume zwischen den langgestreckten Gitterelementen haben. Wenn es erwünscht ist, daß dichte Teilchen von einem Gemisch von Teilchen abgetrennt werden, die nicht durch das Gitter zum Sammeln gehen sollen, können die Spalte mit irgendeinem Material geschlossen werden, welches die Grundnatur des typischen Magnetfeldes, das von einem Gitter erzeugt wird, im wesentlichen nicht ändert, in welchem die Gitterelemente offene Räume enthalten. Es hat sich gezeigt, daß beispielsweise geschlossene Gitter, welche alternierende Permanentmagneten als Generatoren der magnetomotorischen Kraft aufweisen, und Weicheisentransmitter für diese Kraft im wesentlichen in der gleichen Weise wie das offene Gitter von Fig. 1a wirken. Auch nicht magnetische Substanzen, wie Kunststoffe und Aluminium können dazu verwendet werden, in die Räume des Gitters von Fig. 1a gefüllt zu werden, ohne dessen Eigenscahft zu ändern. Diese geschlossenen Gitter oder "Tisch"-Gitter können zweckmäßigerweise nicht nur als Quelle für das magnetische Feld dienen, das zum Trennen verwendet wird, sondern auch als eine Oberfläche zum Sammeln der Dichtenfraktion der Teilchen des zu trennenden Gemisches.

Das erfindungsgemäß verwendete spezielle magnetische flüssige Medium stellt keinen kritischen Faktor dar. Es sind bereits eine Vielzahl derartiger Zusammensetzungen sowie entsprechende Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt. Dazu gehören ein magnetische Teilchen enthaltendes Treibmittel (US-PS 3 215 572), kolloidale magnetische Fluide (NASA-Report TN D-4676, 1968, O.C. Faber), Magnetfluide, bei denen ein Lösungsmittel durch ein anderes ersetzt ist (US-PS 3 531 413) sowie ein Vorschlag zur Herstellung durch Peptisierung. Die Eigenschaften magnetischer Fluide sind auch noch in weiteren Veröffentlichungen beschrieben (NASA-Report CR-14o7, 1969, R. Kaiser, Journal of Applied Physics, 41, 1o64 (197o), R. Kaiser und G. Miskolczy)

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Die erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Fluide können in einem Bereich der Magnetisierungsintensität von 1 bis

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1ooo Gauss (1o bis o,1 Tesla) liegen. Bevorzugt werden jedoch Werte von "loo bis 5oo Gauss (o,o1 bis o,o5 Tesla). Der Gradient des .Magnetfeldes kann in der Nähe einer scharfen Ecke eines Magneten oder bei einem dünnen magnetisierten Draht eine Größe

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von vielleicht 2ooooo Oersted/cm (1,59 χ 1o A/m ) erreichen.

Bevorzugt ist jedoch ein Bereich von -1oo bis 2oo Oersted/cm (8 bis 15 χ 1o⁵ A/m²).

Das Teilchengemisch, welches in wenigstens zwei Komponenten auf der Basis der Dichte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren getrennt wird, muß natürlich Teilchen mit zwei Dichten enthalten. Vorzugsweise unterscheiden sich die Dichtewerte um wenigstens 1,o g/cm . Bevorzugt werden Dichten, die sich um wenigstens 3,o g/cm unterscheiden.

Die chemische Natur der Teilchen ist kein kritischer Faktor, vorausgesetzt, daß sie mit dem verwendeten magnetischen Fluid 'oder miteinander unter den Trennungsbedingungen chemisch nicht reagieren. Es steht eine Vielzahl magnetischer fluider Medien zur Verfügung, welche im hohen Maße inert sind, so 'daß eine geeignete Auswahl eines Magnetfluids für die Teilchenmischung die Entstehung eines solchen Problems vermeiden läßt.

Um ein Rohmaterial nach dem erfindungsgemäßen Verfahren äußerst wirksam zu behandeln, ist es in manchen Fällen erwünscht, die Ausgangsmasse auf eine oder mehrere Weisen vorzubehandeln. Wenn das Rohmaterial beispielsweise mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten naß gemacht ist, die dazu neigen, die Eigenschaften des magnetischen Fluids zu stören, ist das Entfernen solcher Flüssigkeiten ratsam. Abhängig von dem Ausgangszustand kann es erwünscht oder notwendig sein, daß Beschickungsmaterial in körnige Form zu zerkleinern, wobei die Körner klein genug sind, um die Phasen unterschiedlicher Dichte freizusetzen. Häufig ist eine Granulierung auf Teilchen von etwa 25 mm oder

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weniger für diesen Zweck erforderlich. Es kann auch vorteilhaft sein, Klassierungsmaßnahmen auszuführen, wobei gewöhnlich Gitter oder Siebe verwendet werden. Bei dem Trennungsprozeß ist es weiterhin vorteilhaft, die klassierten Fraktionen getrennt zu behandeln, da, wenn Proben nicht zusammenpassender Größen in der ferromagnetischen Trennvorrichtung gleichzeitig behandelt v/erden, ein gleichmäßiges Aussetzen eines jeden Teilchens oder Korns dem Schwebeprozeß verhindert werden kann. Größere Teilchen können anhaftende kleinere Teilchen unterschiedlicher Dichte mitführen. Deshalb ist es in der Praxis bevorzugt, Materialien innerhalb eines maximalen Durchmesserverhältnisses von 5:1, vorzugsweise 3 : 1 und,wenn möglich, 2 : 1 gleichzeitig zu behandeln.

Als Vorbehandlung ist weiterhin erwünscht, alle stark magnetischen Teilchen mit einem Permanentmagneten zu entfernen, ehe die Probe dem ferromagnetischen Schweben unterworfen wird, da die magnetischen Teilchen an dem Elektromagneten oder Permanentmagneten des magnetischen Gitters kleben und gegebenenfalls eine teilweise Blockierung oder Verstopfung der Vorrichtung herbeiführen. Dies kann im technischen Rahmen durch herkömmliche magnetische Separatoren zum Entfernen von Fremdeisen erreicht werden. Schwach diamagnetische oder schwach paramagnetische Materialien, wie organische Kunststoffe, Metalle, Metalloxyde und dergleichen, v/erden als nicht magnetisch für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung angesehen.

Die Erfindung wird anhand des nachstehenden Beispiels näher erläutert.

Beispiel

Es wird eine Permanentmagnetanordnung gemäß Fig. 2 gebaut, wobei ein Rahmen verwendet wird, der 3o cm lang und 16 cm breit ist. Es werden vierundzwanzig keramische Magneten

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Typ 1 mit 2,5 cm Quadratseitenlänge jeweils zwölf an jedem Ende verwendet, die durch dreizehn sich über der Länge der Vorrichtung erstreckende Weicheisenstangen getrennt sind. Diese Anordnung wird in einem abgedeckten Stützbehälter mit den Abmessungen 4o cm χ 23 cm eingepaßt, der mit etwa 3,5 1 eines Magnetfluids gefüllt ist. Durch eine Beschickungseinrichtung 24 wird ein Gemisch von 375 g zerkleinerter Tantal-Epoxy-Körner, die kleiner als o,5 mm sind und aus der Herstellung elektronischer Bauteile stammen, mit einem Mengenstrom von 6 g/min auf etwa eine Schicht von 1 cm eines magnetischen Fluids mit 2oo Gauss aufgebracht, welche die Anordnung abdeckt, die in ein Fluid mit einer Höhe von etwa 5 cm eingetaucht ist. Das durch Schweben angehobene Epoxyd des Materials, welches nicht durch den kritischen Punkt der scheinbaren Dichte des Fluids hindurchgehen konnte, wird in dem Behälter 25 gesammelt. Die schwereren metallischen Teilchen fallen innerhalb von Sekunden durch die Vielzahl der Spalte. Am Ende des Prozesses bzw. am Ende des Versuches sind 8o g (27 %) der leichten Kunststoffraktion, 286 g (76 %) der Metallkörner gesammelt und 9 g (2 %) des Materials sind entweder verloren oder hängen an den Permanentmagneten, da dieses Material selbst magnetisch war. Bisher hat man eine solche Trennung durch Extrahieren mittels Säure ausgeführt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Trennen von Teilchen auf der Basis ihrer unterschiedlichen Dichten, dadurch gekennzeichnet , daß ein magnetisches Fluid vorgesehen wird, welches eine kolloidale Suspension eines superparamagnetischen Materials in einem flüssigen Medium aufweist, daß in dem magnetischen Fluid ein Gradient erzeugt wird, der eine vertikale Komponente in Richtung entgegengesetzt zur Schwerkraft hat, daß die vertikale Komponente kritische Punkte hat, unter denen die Linien

■ der konstanten Kraft diskontinuierlich und über denen die Linien der konstanten Kraft kontinuierlich sind, daß in das magnetische Fluid mit dem darin erzeugten Gradienten ein Gemisch von wenigstens zwei nicht magnetischen Feststoffteilchen eingeführt wird, die Dichten haben, welche gegenüber der tatsächlichen Dichte des magnetischen Fluids verschieden sind und größer als diese Dichte sind, daß der Pegel des Einführens des Teilchengemisches nicht niedriger ist als die kritischen Punkte in dem Fluid, wodurch die Teilchen sich selbst in verschiedenen. Zonen des magnetischen Fluids entmischen, und daß wenigstens einige der auf diese Weise entmischten Teilchen wiedergewonnen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das magnetische Feld 'in dem magnetischen Fluid durch ein Gitter magnetischer Generatoren erzeugt wird, welches eine Vielzahl von langgestreckten Elementen aufweist, welche eine magnetomotorische Kraft abgeben, wobei wenigstens drei der unmittelbar aneinander angrenzenden Elemente im Abstand voneinander angeordnet sind und mit ihren linearen Achsen eine insgesamt parallele Konfiguration haben und im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, die Polarität des

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magnetischen Feldes des mittleren Elementes der drei Elemente zu dem der beiden anderen daran angrenzenden Elemente entgegengesetzt ist und die drei Elemente in ausreichender Nähe zueinander angeordnet sind, so daß sich das magnetische Feld des mittleren Elementes unter das magnetische Feld der beiden anderen Elemente gegenseitig beeinflussen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Teilchengemisch wenigstens zwei Teilchen enthält, deren Dichten sich um wenigstens

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1 g/cm unterscheiden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Dichte der Teilchen des Gemisches so bemessen wird, daß wenigstens eine Dichte kleiner und wenigstens eine Dichte größer ist als die scheinbare Dichte des magnetischen Fluids am kritischen Punkt des darin erzeugten Gradienten, wobei die Teilchen dadurch getrennt werden, daß die dichteren Teilchen nach unten durch das magnetische Fluid zu einer Stelle unter dem kritischen Punkt gelangen und die weniger dichten Teilchen in der Schwebe in dem magnetischen Fluid an einer Stelle über dem. kritischen Punkt bleiben.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Linien der kontinuierlichen Kraft der vertikalen Komponente des Gradienten endlich und kleiner ist als der gesamte Gradient, der in Aufwärtsrichtung senkrecht zur Gitteroberfläche erzeugt wird.

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6. Vorrichtung zum Trennen von Teilchen auf der Basis

ihrer Dichte, insbesondere nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , gekennzeichnet durch ein magnetisches Fluid (22), welches eine kolloidale Suspension superparamagnetischen Materials in einem flüssigen Medium aufweist, durch eine Einrichtung (1o, 2o, 3o) zum Erzeugen eines Gradienten in dem magnetischen Fluid, der eine vertikale Komponente in der Richtung entgegengesetzt zur Schwerkraft hat, wobei die vertikale Komponente kritische Punkte aufweist, unter denen die Linien der konstanten Kraft diskontinuierlich und über denen die Linien konstanter Kraft kontinuierlich sind, durch Einrichtungen (24) zum Einführen eines Gemisches (24) aus wenigstens zwei nicht magnetischen Feststoffteilchen in das magnetische Feld (22) , wobei die Teilchen Dichten haben, die sich von der tatsächlichen Dichte des magnetischen Fluids (22) unterscheiden und größer als dessen Dichte sind, und der Pegel des Einführens des Teilchengemisches (24) nicht niedriger als die kritischen Punkte in dem Fluid (22) liegt, und durch Einrichtungen zum Wiedergewinnen von wenigstens einigen der entmischten Teilchen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g ekk e η η zeichnet , daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes ein Gitter (1o, 12, 2o, 3o) aus magnetischen Generatoren ist, welche eine Vielzahl von langgestreckten Elementen aufweisen, welche eine magnetomotorische Kraft abgeben, wobei wenigstens drei dieser Elemente, die einander im Abstand benachbart sind, mit ihren linearen Achsen eine insgesamt parallele Konfiguration haben und im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, die Polarität des Magnetfeldes des mittleren Elementes der drei Elemente

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zu der der beiden anderen benachbarten Elemente entgegengesetzt ist und die drei Elemente ausreichend nahe beieinander angeordnet sind, so daß sich das magnetische Feld des mittleren Elementes und das magnetische Feld der beiden anderen Elemente beeinflussen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Gitter aus Elementen (1o) besteht, welche eine magnetomotorische Kraft abgeben, die von Permanentmagneten (12) erzeugt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η -

■ zeichnet, daß das Gitter aus Elementen besteht, die eine magnetomotorische Kraft abgeben, die von Elektromagneten erzeugt wird.

1o. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die die magnetomotorische Kraft abgebenden Elemente Leiter (3o) sind, welche Gleichstrom führen.

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