TW201711753A

TW201711753A - 用於順磁性及反磁性物質之過濾器

Info

Publication number: TW201711753A
Application number: TW105130129A
Authority: TW
Inventors: 李茂田; 福民李; 沈子堯; 李壽民; 林瑞隆; 吳俊龍; 洪維志
Original assignee: 銓新化工科技股份有限公司
Priority date: 2015-09-26
Filing date: 2016-09-19
Publication date: 2017-04-01
Also published as: US9352331B1; CN107921441A; CN107921441B; JP6906499B2; EP3352904A1; TWI635908B; KR102137566B1; KR20180070559A; WO2017053103A1; JP2018534121A

Abstract

一高產能的磁性過濾器，用以分離出液流的反磁性及/或順磁性物質。於外部磁場下，透過反磁性固態物質與誘發性順磁材料(IPM)的協同作用，反磁性固態物質會被磁化。作為分離區的磁性過濾器係由誘發性順磁材料及磁體所建立，其中磁體藉由非磁性套筒或隔板而屏蔽IPM。磁體間隙內的IPM 提供大的表面積，可接觸並吸引反磁性及順磁性物質，調整磁性源如磁棒或電磁體及反磁性固態混合物與IPM間的相對位置及距離，誘發出反磁性固體的磁性，使其足以令反磁性固體亦受到磁場的吸引。因此，能夠移除液體或氣體中的反磁性及順磁性物質。

Description

用於順磁性及反磁性物質之過濾器

本發明係有關於一種穩健（robust）且高產能的磁性過濾器，用以移除來自氣流及液流之順磁性及/或反磁性物質。

在外部的磁場下，順磁性物質會被磁化。順磁性物質包括，舉例而言，錳（manganese）、鉻（chromium）、鈰（cerium）、鐵（iron）、鈷（cobalt）、鉀（potassium）、釩（vanadium）以及其氧化物或硫化物。在沒有外部磁場的影響下，以任意方向排列之順磁性分子點的磁偶極，淨磁性為零。當施加一個適當的外部磁場，使得磁偶極沿磁場方向排列的多於偏離磁場方向排列的數量，順磁性物質被磁化。

傳統的磁性過濾器透過恆磁源或電磁源產生的外部磁場之影響，移除來自氣體或液體流之順磁性物質或粒子。舉例而言，揭露於美國專利號8,506,820 （顏姓發明人等）、8,636,907（林姓發明人等），以及8,900,449與9,080,112（顏姓發明人等）的磁性過濾器，可以移除來自於煉油和化工設備之液體流的順磁性粒子。建工廠常用的材料碳鋼（carbon steel），受存在於製程流體中酸性污染物之腐蝕，產生的鐵離子與硫、氧及水反應後形成順磁性粒子包括硫化亞鐵（FeS）、氧化亞鐵（FeO）、氫氧化亞鐵（Fe(OH) 2）、鐵氰化鉀（Fe(CN) 6）等。此些順磁性汙染物易於黏附於磁體(magnetics)。

反磁性物質包含成對的磁偶極，易於抵銷彼此的磁性。舉例而言，反磁性物質包括，碳 (金剛石)、碳(石墨)、二氧化矽（silica）、氧化鋁（alumina）、鉍（bismuth）、磷（phosphorous）、汞（mercury）、鋅（zinc）、鉛（lead）、錫（tin）、銅（copper）、銀（silver）、金（gold）、水、乙醇（ethyl alcohol）等。於外部磁場存在時，反磁性物質的磁偶極沿平行但反向於磁場的方向排列，呈現無磁性，因此習知的磁性過濾器無法移除反磁性物質。

標準的過濾方式係以篩網及類似的方式過濾並分離來自氣體或液體流之反磁性粒子，但此種技術對於小粒子的效率不佳。如PM 2.5等奈米碳粒子無法有效地減少，其為發電廠、煉鋼廠以及移動污染源（mobile sources）包括汽車以及摩托車所排放的粒狀物。相似地，以催化劑粉末（catalyst fines）、鋼鏽（steel rust）、殘碳（carbon residue）或聚合漿體（polymerized slurry）的形式存在於煉油廠及化工廠之奈米粒子亦無法被有效地過濾。此外，也有各種不同尺寸的固體粒子包括硫化亞鐵（FeS）、氧化亞鐵（FeO）、沙、殘碳等存在於天然氣加工工序（natural gas processes）中。順磁性及反磁性物質係天然及工業兩者的污染（pollutants）及髒污（contaminants）的主要的成份。

發展用以移除順磁性及反磁性粒子兩者的系統，或者，至少可移除來自氣體及液體流中各種尺寸的反磁性粒子的系統，係有高度需求的。

在某程度上，本發明係基於透過反磁性固態物質與誘發性順磁材料(Inducing or inducement paramagnetic material, IPM)間的協同作用（coordinated interaction），一般反磁性固態物質會受外部磁場磁化之論證。固態誘發性順磁材料(IPM)不要直接接觸外部磁場的磁體較佳。另一方面，反磁性固態物質直接接觸誘發性順磁材料(IPM)或與誘發性順磁材料(IPM)均勻混合較佳。調整如磁棒或電磁體等磁源的位置，維持其與反磁性體及誘發性順磁材料(IPM) 固態混合物之間的距離，誘發出反磁性固體足夠強的磁場，令反磁性固體亦被磁場吸引。以這種方式，夾帶或懸浮固態混合物之液體或氣體流的反磁性及順磁性物質兩者均可以被移除。本發明之磁性過濾器於存在外部磁場下，並非所有的順磁性物質都可誘發反磁性固態物質的磁性。因此，誘發性順磁材料或簡稱IPM，係指固體順磁性物質，其造成反磁性固體材料具有足夠的磁性能夠被磁力吸引，而被本發明之磁性過濾器移除或捕捉。

因此，本發明的一特徵係有關於一種從載流中移除反磁性物質的方法，方法包括以下步驟：在一區域內，令一載流接觸一誘發性順磁材料，該載流包括一載流流體（carrier fluid）及一反磁性物質；以及在該區域內，施以一磁場，使得反磁性物質具有足夠的磁性而可受到一磁體的吸引，藉由降低反磁性物質含量，以產出淨化的載流流體。

本發明之另一特徵係有關於從一載流中分離出反磁性污染物的一種磁性過濾器包括：一殼體，具有(i) 一流體入口，(ii) 一流體出口，以及(iii)介於流體入口及流體出口之一內部區域；一誘發性順磁材料 (IPM)，分佈於此內部區域中，其中此誘發性順磁材料（IPM）用以物理接觸於此反磁性污染物；以及一磁體，設置於此內部區域中，以產生足以誘發IPM磁性之磁場。

此磁性過濾器作為一穩健的分離區（separation zone），係由存在的IPM 及磁體所建立的，其中磁體利用非磁性隔板屏蔽IPM。較佳的方式係使用細長的磁體組合件，可在分離區中產生一均勻的磁場。相對於過濾器內的液流方向，細長的磁體組合件以平行或橫向之方式排列。設於空隙體積（void volume）或介於磁體間的空間中的IPM，提供一個大的表面積，以接觸並吸引液體流中的反磁性及順磁性物質。本文使用恆磁體建立磁場以說明本發明，但應理解亦可使用電磁體。

圖1A繪示一垂直過濾器的配置示意圖，垂直過濾器包括一殼體4，殼體4具有一進口管6及一出口管10，進口管6可以透過控制閥8耦接至一被污染的製程流，透過控制閥12使得經處理的製程流可以由出口管10離開。殼體4定義一內部區域14。通過排污管49的流體係受控於控制閥48，排污管49係焊接至殼體4的底部，控制閥48於過濾操作時係常閉，但於淨化服務時係開啟以排放來自殼體4之沖洗液。於過濾過程中，排污管49開口的尺寸足以容置及累積大粒子。

蓋板20係由螺拴22固定於環形凸緣24，環形凸緣24係沿殼體4頂部開口之外周焊接。聚合墊片或其他適當的密封裝置可以插入至蓋板20及凸緣24之間，以確保於操作周期的緊密密封。一頂支撐板26係藉由螺拴30固定於環繞線絲網籠28的頂部週邊，以促進於淨化周期時過濾器殼體4的整個核心組合件的移除。頂支撐板 26及線絲網籠28頂部週邊兩者係設置於支承環42上，支承環42永久地連接至過濾器殼體4。核心組合件的重量使得頂支撐板26及線絲網籠28的頂部週邊緊密地抵靠支承環42以避免各座套筒32的開口端以及磁棒組合件34於過濾程序中接觸處理流體。

鐵芯組件(core assembly)包括複數個垂直設置可拆卸式恆磁棒組合件34，各恆磁棒組合件34被納入細長之反磁性的座套筒32，誘發性順磁材料填充物質36(或元素)填滿介於複數個座套筒32之間的空間，作為製程流中的固體反磁性物質的磁性誘發介質（magnetic inducing media）。線絲網籠28是誘發性順磁材料之填充物質36的支架，較佳地係由反磁性物質的粗線所製程，例如是不鏽鋼，具有略小於誘發性順磁材料填充物質36尺寸之篩網尺寸，以避免誘發性順磁材料填充物質36於製造流程中損失。

較佳地，誘發性順磁材料物質36係分層堆疊設置，將最大的設置於頂部而最小的設置於底部，此漸次配置的包裝矩陣（packing matrix），使得磁性過濾器能夠捕捉不同尺寸的反磁性及順磁性物質，且不會造成顯著的壓降及流量（throughput）的減少。

誘發性順磁材料填充物質（IPM）由正值且較高質量磁化率的材料形成為佳。適當的誘發性順磁材料填充物質（IPM）舉例而言，特別是包括鈰(Ce)、二氧化鈰(CeO₂ )、二氧化銫(CsO₂ )、鈷(Co)、氧化鈷(CoO)、鎳(Ni)、氧化銅(CuO)、氧化鎳(NiO)、硫化镍(NiS)、鐵(Fe)、氧化鐵(FeO)、三氧化二鐵(Fe₂ O₃ )、硫化亞鐵(FeS)、錳(Mn)、鎳/γ氧化鋁(Ni/γAl₂ O₃ )、三氧化二鉻(Cr₂ O₃ )、三氧化二鏑(Dy₂ O₃ )、三氧化二釓(Gd₂ O₃ )、鈦(Ti)、釩(V)、氧化钒(V₂ O₃ )、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銠(Rh)、氧化銠（Rh₂ O₃ )、超氧化鉀（KO₂ )，以及具有鈷(Co)、氧化鈷(CoO)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、氧化鐵(FeO)、三氧化二鐵(Fe₂ O₃ )、硫化亞鐵(FeS)、鎳/γ氧化鋁(Ni/γAl₂ O₃ )、三氧化二鉻(Cr₂ O₃ )、三氧化二鏑(Dy₂ O₃ )以及三氧化二釓(Gd₂ O₃ )的混合物為佳。誘發性順磁材料填充物質較佳的配置方式，包括但不限於傳統的任意充填（random packing）方式，例如是環狀（rings）、鞍座（saddles）、蕊片（chips）以及線材（wires）結構包裝，且大孔催化劑載體（macro-pore catalyst supports），例如是用於固定床反應器（fixed-bed reactor）的護床材料（guard-bed materials）。

保持相鄰垂直設置磁棒組合件34之間的距離能足夠接近是很關鍵的，使得裝載於過濾器中的誘發性順磁材料（IPM）物質能誘發出足夠的磁性以吸引製程流的反磁性物質。相鄰座套筒32外表面間的距離介於0.1至5公分（cm），以0.1至2公分（cm）較佳。磁性過濾器2內部區域14的磁通量強度介於2,000 至20,000 高斯（GS）之間，以介於2,000至10,000高斯（GS）較佳，介於6,000至10,000高斯（GS）更佳。

座套筒32對磁場具有高的穿透性，座套筒32底部端密封且頂部端開放，頂部端周圍焊接於頂支撐板26的合身座孔上。於過濾過程中，此可避免所處理的流體進入各座套筒32開口端且直接接觸對應的磁棒組合件34。頂支撐板26承受複數個恆磁棒組合件34與其座套筒32、誘發性順磁材料填充物質36，以及線絲網籠28的重量。

圖1B繪示顯示頂支撐板26及用以容置座套筒32之合身座孔的上視圖，且誘發性順磁材料填充物質36係填充於（fills up）介於座套筒32間的空間。座套筒32其中之一，令一恆磁棒組合件插入其內並封以套管38，形成密封是磁塊40。套管38具磁場穿透性。

圖1C繪示一恆磁棒組合件34的垂直橫斷面視圖，恆磁棒組合件34包括一細長套管38並定義一腔體。套管38以反磁性金屬製作較佳，如不鏽鋼，腔體用以容置一個或多個被封裝的磁塊40。各磁棒組合件34具有拉環44，用以從座套筒32抽取。複數個短的磁塊40（或磁柱）以彼此交疊方式堆疊而上，並列的二相鄰磁塊的兩磁極之方向相反。此種錯列的設置（staggered arrangement）方式，其各長條磁塊40的軸垂直於組合件34縱向的中心軸。

圖1D繪示出一恆磁棒組合件110，其中二相鄰的磁塊對102、104具有相近的磁極同指第一方向，形成一磁塊單元或陣列，其堆疊於另一磁塊單元上，另一磁塊單元由磁塊106、108 組成，具有相近的磁極同指第二方向，第二方向相反於第一方向。組合件110具有此種磁極方向相反的連續磁塊單元。顯然地，各磁塊單元或陣列可以包括多於2個磁塊或磁柱。

在使用時，各恆磁棒組合件34或110係在座套筒32內受到支撐。觀察此些被包裹的恆磁體，以特斯拉計(Tesla meter)量測磁通密度，無論是否包括304不鏽鋼（SSL）套筒，實質等同，即反磁性的阻隔層(座套筒) 的存在並未造成磁通密度顯著的衰減。相對地，如圖1E所示，由複數個磁塊所組成的恆磁棒組合組件，其磁塊以串接排列的方式設置（arranged in tandem），使用304不鏽鋼（SSL）套筒時，磁通密度顯著下降。

另外，可發現反磁性及順磁性粒子無法被吸附在如圖1E所示之整個磁棒組合件的表面，此些粒子以條狀環繞於外表面。為了瞭解磁棒組合件中磁塊的排列設置，可將磁性檢視卡（Magnetic Viewer Cards）設置於如圖1C及1E兩圖所示之磁棒組合件的前方。磁性檢視卡係一種包含液體磁力的可撓性薄膜。圖3A及3B顯示透過磁體之磁場所感應的極性產生的影像。各組合件的磁極影像可以透過檢視卡觀察，其中亮區（light areas）表示N極和S極相遇接合的區域，且定量量測接合區的位置。

比較圖1C較佳之磁棒組合件與圖1E之磁棒組合件的表現，相同重量的三氧化二鐵（Fe₂ O₃ ）粉末係設置於獨立的紙上(長10 cm，寬5.5 cm的紙張)。各組合件對應的套筒係以非接觸的方式（non-contact fashion）緩慢地旋轉於距離粉末0.5cm至1.0 cm的上方，直到實質上所有的粉末係受到吸引而被撿起。如圖4A所示，較佳的磁棒組合件之整個套筒表面(圖1C及3A) 幾乎覆蓋有氧化鐵粉末。相對地，如圖4B所示，圖1E及3B的磁棒組合件，僅能將鐵粉吸引至套筒表面有限的區域，如磁極接合處。顯然的，使用較佳的磁棒組合件具有較大的有效面積，其磁棒的縱軸係垂直於磁棒組合件的中心軸或長軸。

如圖1A所示，製程流最初係透過線路6進入過濾器之殼體4，通過線絲網籠28並接觸於誘發性順磁材料填充物質，而受到恆磁棒組合件34所生適當磁場的影響。製程流6中的固體順磁性粒子被座套筒32以及誘發性順磁材料填充物質36吸引。製程流6中的反磁性固體受誘發性順磁材料填充物質誘發而具有磁性，亦被座套筒32及誘發性順磁材料填充物質36的吸引。經處理的製程流通過線絲網籠28並透過控制閥12及線路10離開過濾器殼體4。

於淨化周期，控制閥8及12依序關閉。開啟蓋板20，且由過濾器殼體4取出整個核心組合件，包括恆磁棒組合件34、頂支撐板26連同（along with）座套筒32、包含誘發性順磁材料填充物質36的線絲網籠28。此後，由座套筒32取出恆磁棒組合件34以移除來自內部區域14的磁場，因而釋放座套筒32外表面及誘發性順磁材料填充物質表面所吸引的順磁性及反磁性物質固體。於磁棒組合件34再次插入至座套筒32之前，核心組合件係以水或其他適當的液體清洗。淨化的核心組合件接著重新設置於過濾器殼體4內，且關閉頂部開口並以蓋板20或合適的密合墊（fitted gasket）密封。於操作周期開始之前，控制閥46及48係開啟以簡短地引進（briefly introduce）高壓液體，例如是來自線路47的水、製程流或空氣以沖走過濾器殼體4中的固體殘留物，且透過控制閥48以及排污管49移除沖走的固體。最後，控制閥46及48係關閉且控制閥8及12係開啟以再次開始操作周期。

圖2A繪示一水平過濾器50，水平過濾器50包括一殼體52，殼體52具有一進口管54及一出口管 58，進口管54可以透過控制閥56耦接至被污染的製程流，經處理的製程流透過控制閥60由出口管58離開。殼體52定義一內部區域62。排污管64係焊接至殼體52底部，控制閥66可控制通過排污管64的流體，控制閥66於過濾操作時係常閉，且於淨化服務時係開啟以排放來自殼體52的沖洗液。

左蓋板68係以螺拴70固定至一環形凸緣72，環形凸緣72係焊接至殼體52左側開口的外周，且右蓋板74係以螺拴76固定至一環形凸緣78，環形凸緣78係焊接至殼體52右側開口的外周。聚合墊片可插入至蓋板及凸緣之間。

過濾器組合件包括複數個水平的恆磁棒組合件80，恆磁棒組合件80可以由過濾器殼體52移除。各磁棒組合件80 適合一細長的反磁性座套筒 82，反磁性座套筒 82係由一反磁性金屬例如是不鏽鋼304SSL所建造。各座套筒82的一端係密封，較佳的方式是將各座套筒82的開口端焊接至蓋板68的配合孔洞，而形成整體。為保護座套筒82及磁棒組合件80的位置並支撐座套筒82及磁棒組合件80的重量，各座套筒係配合分隔板88的孔洞，分隔板88係焊接至殼體52以分隔過濾器內部為兩個相等的腔室。為感應於製程流中對於固體反磁性物質的磁場，線絲網籠90填入誘發性順磁材料填充物質92，誘發性順磁材料填充物質92係插入至介於過濾器開口雙側的座套筒82之間的空間。線絲網籠90係作為誘發性順磁材料填充物質92的支撐座，反磁性物質的粗線以略小於誘發性順磁材料填充物質92之尺寸所製成的篩網較佳，能夠避免誘發性順磁材料填充物質92流失至製程流中。

較佳的誘發性順磁材料填充物質及配置係與圖1A所示之垂直設置的磁性過濾器2相同。相鄰的座套筒82外表面之間的距離必須係介於0.1至5 cm，且較佳地係介於0.1至2cm，座套筒82握持有水平設置的磁棒組合件80。過濾器內的磁通強度必須介於2,000至20,000 高斯（GS），較佳地係介於2,000至10,000高斯，且更佳地係介於6,000至10,000高斯。

如圖2B及2C所繪示，各恆磁棒組合件80的套管100係一反磁性的金屬，例如是不鏽鋼304 SSL，且定義容置一個或多個磁塊的腔室，以形成恆磁棒組合件80。各恆磁棒組合件80具有一拉環96設於頂部，用以於淨化周期由座套筒82取出。複數個短磁塊94 係以交互堆疊而上的方式（stacked one on top of another）設置，並令磁塊的兩磁極之任一與相鄰磁塊的並列磁極相反。

圖2B繪示用於一座套筒82之合身的孔洞的剖面側視圖，且誘發性順磁材料填充物質92係填補（fills up）介於座套筒之間的空間。

磁性過濾器50的配置係透過線路54導引製程流進入過濾器殼體52以於左腔室向下朝底部開口流動於分隔板88及過濾器殼體52之間。製程流接著於右腔室向上朝向出口流動，且經處理的製程流透過控制閥60及線路58離開過濾器殼體52。於過濾器的兩個腔室中，製程流經過座套筒82的外表面，且於恆磁棒組合件80產生之強烈磁場的影響下，線絲網籠90接觸於誘發性順磁材料填充物質92。於製程流54中的固體順磁性物質將會被吸引至座套筒82的外表面，以及誘發性順磁材料填充物質92的表面。製程流54中的反磁性固體具有由誘發性順磁材料填充物質所誘發的磁性，會被吸引至座套筒82的外表面以及誘發性順磁材料填充物質92的表面。

於淨化周期，由過濾器的座套筒82中提取恆磁棒組合件80而移除過濾器內部區域62的磁場，由座套筒82外表面以及誘發性順磁材料填充物質92表面，釋放被吸引的固體順磁性反磁性物質。控制閥56及60係關閉，控制閥 66及120係開啟以透過線路122引入高壓液流，例如是水、製程流或空氣以透過控制閥66及排污管64沖掉所釋放的固體。為了開始操作周期，係將磁棒組合件80放回至座套筒82，並依序關閉控制閥66及120且開啟控制閥60及56。

本發明的磁性過濾器特別適合於移除空氣傳播（airborne）的汙染物之減輕方案，特別是大小介於0.1 nm至1.0 mm的粒子，例如是懸浮微粒（particulate matter）PM 2.5。反磁性及順磁性粒子兩者都可以自流體中移除。舉例而言，可以安裝過濾器於無塵室的運作（in clean room operations）或飛機中以清潔再循環空氣（recirculated air）、發電廠（electric power plant）或煉鋼廠（steel mill）中清潔廢氣（flue gas）或移動排放源（mobile emission sources），例如是汽車以減少空氣污染。磁性過濾器亦可用於煉油廠（refineries）以去除液體流中的反磁性粒子，用於化工廠及其他設施在連續操作時，製程流中的粒子可能累積並傷害設備。舉例而言，利用本發明之磁性過濾器，可有效地移除流體中自由流動或從催化劑床層（catalyst bed）脫離的無機催化劑（inorganic catalysts）。此外，此過濾器可以安裝於超純（ultra-pure）水的生產設備以自生產水流中移除超細微（ultra-fine）的反磁性及順磁性粒子。相似地，過濾器可以設置於天然氣處理廠（treatment plant）的上游以移除超細微反磁性粒子，例如是沙、碳殘留物及反磁性金屬氧化物，以及來自於天然氣田（gas field）的天然氣流中的超細微順磁性粒子，例如是硫化鐵、氧化鐵等，保護工廠設備並提升工廠效能。實驗例

以下實驗例的呈現係更進一步闡明本發明不同的特徵及實施例，而不應被理解為本發明之範圍的限制。為說明在恆磁體所產生之外部磁場的影響下，順磁性及反磁性物質之間的交互作用，係選擇順磁性及反磁性粉末於不同的實驗。依據物質的質量磁化率mass susceptibilities (MS)，將物質分類為順磁性及反磁性。

質量磁化率（MS）係指每公克的物質之磁化率，且磁化率係材料於每單位施加場（per unit applied field）的磁化程度。質量磁化率描述了物質受施加的磁場所誘發的磁性，所有的物質各自具有其質量磁化率(MS)的特徵值。順磁性物質具有較高且正向的質量磁化率（MS）數值，然而反磁性物質具有較低且負向的質量磁化率（MS）數值。表1列出所選的物質之質量磁化率（MS）數值。

表 1 物質的質量磁化率

實驗例 1 量測於磁場中具有高MS數值的所選固態物質所展現的磁力強度。使用具有6,000 GS的磁場強度之恆磁棒組合件。所選的固體粉末係：鈷(cobalt, Co)、鐵(iron, Fe)、鎳(nickel, Ni)、氧化鎳(NiO)、氧化鐵 (FeO及Fe₂ O₃ )、硫化鐵(iron sulfate, FeSO₄ )、氯化鐵(iron chloride, FeCl₃ )、擔載於鋁催化劑上的鎳(Ni supported on γ-alumina catalyst (Ni/γAl₂ O₃ ) )、氧化鏑(dysprosium oxide, Dy₂ O₃ )、三氧化二釓(gadolinium oxide, Gd₂ O₃ )，以及三氧化二鉻(chromium oxide, Cr₂ O₃ )。

於各實驗，係以精密天平秤重約0.5公克的粉末(可量測最小至10^-4 公克) 且設置於精確量測重量的玻璃容器中。恆磁棒組合件接著設置於靠近粉末處。於吸引粉末後，移除磁棒並量測具有殘留粉末(若有任何)的容器。計算由磁棒索吸引的粉末之重量百分比(%)。

如表2之所記載的資料，除了NiO (不受吸引)及Cr₂ O₃ (僅82 %)，MS值大約是600至7,000 x 10^-6 c.g.s.單位制的金屬及其氧化物容易受到恆磁棒組合件的吸引。正如預期的，Dy₂ O₃ 及Gd₂ O₃ 具有非常高的敏感性而完全地受到吸引。然而，即便硫酸亞鐵(iron sulfate, FeSO₄ )以及氯化鐵(iron chloride, FeCl₃ )具有非常高的MS值(超過+10,000 x 10^-6 )，仍意外地顯示無磁場且並未受到磁棒（MB）的吸引。此實驗說明了質量磁化率僅擔任用以選擇適當的誘發性順磁材料的指引方針。金屬或金屬氧化物是作為適當的感應順磁性物質的可能候選對象，而排除考慮金屬鹽例如是FeSO₄ 或FeCl₃ ，不論他們具有高的MS數值。

表 2

實驗例2 本實驗驗證了反磁性物質本身並不會被磁棒所吸引。所測試的反磁性物質為矽、碳化矽(silicon carbide, SiC)、γ氧化鋁(γ-alumina, γAl₂ O₃ )、非磁性丁二烯、二氧化鈦(titanium oxide, TiO₂ )、陶瓷（ceramic）、活性碳（activated carbon）、聚乙烯（polyethylene），以及元素硫（elemental sulfur）。磁性丁二烯亦受到測試。磁場強度6,000 GS的恆磁棒組合件設置於粉末樣品旁；除了磁性丁二烯(包含順磁性物質)，無任何粉末被吸引至磁棒表面上。磁場的出現並未感應反磁性物質內部的磁場。

實驗例3 簡單地塗布順磁性物質於恆磁棒組合件上，並未使得組合件對於反磁性物質具有吸引力。於此例中，塗覆氧化鐵(iron oxide, FeO)粉末的恆磁棒組合件係設於各種不同的反磁性粉末旁，包括矽（Si）、碳化矽（SiC）、二氧化矽（SiO₂ ）、氧化鋁（Al₂ O₃ ）、非磁性丁二烯、磁性丁二烯、二氧化鈦（TiO₂ ）、陶瓷（ceramics）、活性碳（activated carbon）、以及聚乙烯（polyethylene）。除了包含順磁性物質的磁性丁二烯之外，並無任何的反磁性粉末受到恆磁棒組合件的吸引。

實驗例4 混合反磁性物質與適當的IPM物質時，以順磁性物質作為一磁性誘發因子（magnetic inducing agent）。當混合物暴露於一個由恆磁棒或電磁所產生的磁場，混合物中的反磁性物質展現出磁場。於混合物中的順磁性及反磁性物質兩者係受到磁體的吸引。

實驗係執行於空氣(氣相)的環境條件下。對於各種測試，利用精密天平(最小可量測至10^-4 公克)秤量大約1.0公克的反磁性粉末及0.1公克的順磁性粉末，且混合物係設於一精密秤重的玻璃容器中。具有6,000高斯（GS）磁力的恆磁棒組合件係鄰設於混合物以吸引容器中的粉末。移除磁體且量測殘留混合粉末的容器。磁體所吸引的混合粉末之重量百分比(%)；資料係概述於表3及4。

表 3

如表3中所記載，以鎳/γ氧化鋁（Ni/γAl₂ O₃ ）作為誘發因子，顯示出磁棒僅有輕微吸引γAl₂ O₃ 、碳化矽（SiC）、重油裂化催化劑（resid fluid cracking catalyst, RFCC）氧化鋁/二氧化矽（Al2O3 /SiO2）：70/30、元素硫(S)，以及活性碳，但表現出對於矽明顯較大的吸引。

表 4

如表4所記載，由於磁棒吸引較多比例的順磁性及反磁性混合物，氧化鐵（FeO）相較鎳/γ氧化鋁（Ni /γAl₂ O₃ ）係較佳的誘發因子（inducing agent）。

實驗例5 本實驗與實驗例4相似，除了以細碳鋼絲 (carbon steel wires, CSW) 形式呈現的IPM取代鐵粉末。如表5所示，70%至接近100%的反磁性物質係受到磁體的吸引，除了元素硫的情況。

表 5

實驗例6 液相測試於周圍環境條件(ambient condition)下進行。對於各個特定測試，大約50公克（grams）的水與1.0公克的反磁性粉末混合於一精確量測的容器中。此後，順磁性粉末係加入至混合物中。具有6,000 GS磁力的恆磁棒組合件，係插入至液體混合物中，允許懸浮的固體粉末受到磁體的吸引。移除磁體並刮去固體粉末後，淨化的磁體再次被插入至溶劑中並允許吸引額外的粉末。於第二次移除磁體後，測量包含殘留粉末溶液的容器的重量。計算受到磁體吸引的混合粉末之重量百分比(%)。

表6係利用水作為溶劑用以測試的結果，使用中殘油液裂化催化劑（equilibrium resid fluid cracking catalyst） (SiO₂ /Al₂ O₃ ：7/3)粉末作為反磁性物質(DM)，且Fe₂ O₃ 作為IPM。大約0.1、0.3、0.5，及0.7公克的Fe₂ O₃ 係加至各種試樣，且結果顯示依據Fe₂ O₃ 加入的數量以及磁體的位置(與磁場強度有關)，60%至接近100 %的混合粉末係受到磁體吸引。所吸引的粉末量係正比於加入Fe₂ O₃ 至混合物的數量。

表 6

實驗例7 本實驗與實驗例6相似，除了溶劑為柴油（diesel）。於表7所記載的結果顯示，大約39%至92%的混合固體粉末係受到磁體的吸引，而受到磁體所吸引之柴油中的粉末係正比於加入至混合物中Fe₂ O₃ 的數量，僅有一個例外（with one exception）。

表 7

實驗例8 本實驗顯示，上述實驗例所使用的恆磁體之磁場強度為6000 GS，磁場強度係隨與磁體距離乘方的指數下降(以10⁴ 乘冪)。恆磁體的磁場強度係以0至5.00 cm的距離增量來量測。結果記載於表8，顯示磁場強度的顯著衰減（substantial decay）。可預期使用電磁棒也將出現相似的衰減。依照本發明，磁體所產生的磁場強度必須足夠強以活化感應順磁性物質，使得當反磁性及感應順磁性物質互相作用時，可將反磁性物質磁化。如先前所述，由於磁場強度因為距離劇烈地衰減，必須維持座套筒之間的距離保持較小的間隔。

表 8

實驗例9 依照本發明，為了作為一個有效的磁性過濾器以移除反磁性物質，過濾器必須使用磁體，磁體可以是恆磁體或電磁體，可以產生足夠的磁場以傳遞（impart）或感應反磁性物質中所須的磁場，因而受到一個磁場的吸引。反磁性物質中的感應磁場的強度必須足夠強，以確保可受到磁場的吸引。為展示磁場強度的重要性，於一相似於實驗例6的測試中，比較2,000 GS及 6,000 GS的恆磁棒在室溫下磁體移除水溶液中的RFCC粉末。

結果係概述於表9，使用2,000 GS的磁體，僅吸引大約40% 的RFCC混合粉末。溶液中順磁性粉末的數量並未影響受到吸引的程度。相對地，使用6,000 GS 磁體，在順磁性物質/反磁性物質比率為0.1及0.3的情況下，分別移除90%及92 %的混合粉末。因此，較佳地，係使用具有較高磁場強度的磁體透過順磁性物質所感應的磁場來吸引反磁性物質。而溶液中順磁性粉末數量的影響，相較之下，係相對不重要的。

表 9 恆磁棒強度：2,000 GS及 6,000 GS

2‧‧‧過濾器

4、52‧‧‧殼體

6、54‧‧‧進口管

8、12、46、48、56、60、66、120‧‧‧控制閥

10、58‧‧‧出口管

14、62‧‧‧內部區域

20‧‧‧蓋板

22、30、70、76‧‧‧螺拴

24、72、78‧‧‧環形凸緣

26‧‧‧頂支撐板

28、90‧‧‧線絲網籠

32‧‧‧座套筒

34、80、110‧‧‧磁棒組合件

36‧‧‧誘發性順磁材料填充物質

38、100‧‧‧套管

40、94‧‧‧磁塊

42‧‧‧支承環

44、96‧‧‧拉環

50‧‧‧水平過濾器

64‧‧‧排污管

68‧‧‧左蓋板

74‧‧‧右蓋板

82‧‧‧座套筒

88‧‧‧分隔板

92‧‧‧誘發性順磁材料填充物質

102、104、106、108‧‧‧塊體

47、122‧‧‧線路

49‧‧‧排污管

圖1A及圖1B分別繪示本發明磁性過濾器之一實施例之正視剖面及上視圖，此磁性過濾器設置有誘發性順磁材料，及可拆卸且垂直方向的恆磁棒之組合件。圖1B繪示磁性過濾器去除蓋板的狀態以及有限數量的座套筒及填充材料；

圖1C係繪示一恆磁棒組合件的橫斷面視圖；

圖1D係繪示一替代方案的恆磁棒組合件之橫斷面視圖；

圖1E係繪示一恆磁棒組合件之橫斷面視圖；

圖2A及圖2B係分別繪示本發明一實施例之磁性過濾器的正視及側橫斷面視圖，磁性過濾器設置有一誘發性順磁材料，及可拆卸且水平方向的恆磁棒之組合件。圖2B繪示有限數量的座套筒及填充材料；

圖2C係一恆磁棒組合件的橫斷面視圖；

圖3A及3B係恆磁棒組合件內的磁極位置之攝影圖像；以及

圖4A及4B係順磁性粉末受到恆磁棒組合件對應的套管的外表面吸引之攝影圖像。

2‧‧‧過濾器

4‧‧‧殼體

6‧‧‧進口管

8、12、46、48‧‧‧控制閥

10‧‧‧出口管

14‧‧‧內部區域

20‧‧‧蓋板

22、30‧‧‧螺拴

24‧‧‧環形凸緣

26‧‧‧頂支撐板

28‧‧‧線絲網籠

32‧‧‧座套筒

34‧‧‧磁棒組合件

36‧‧‧誘發性順磁材料填充物質

42‧‧‧支承環

47‧‧‧線路

49‧‧‧排污管

Claims

一種自載流(carrier stream)移除反磁性物質的方法，包括以下步驟： (a) 在一區域內，令一載流接觸一誘發性順磁材料，該載流包括一載流流體及一反磁性物質；以及 (b) 於該區域內，建立一磁場誘發出該反磁性物質足夠的磁性，得以被一磁體吸引，降低該反磁性物質的含量，以得到一淨化的載流流體。
如請求項1所述之方法，其中該誘發性順磁材料係由一順磁性物質所製成的物質，且於步驟(b)中，該反磁性物質亦受到該誘發性順磁材料的吸引。
如請求項1所述之方法，其中該誘發性順磁材料係選自鈰(Ce)、二氧化鈰(CeO₂ )、氧化銫(CsO₂ )、鈷(Co)、氧化鈷(CoO)、鎳(Ni)、氧化銅(CuO)、氧化鎳(NiO)、硫化鎳(NiS)、鐵(Fe)、氧化鐵(FeO)、氧化鐵(Fe₂ O₃ )、硫化鐵(FeS)、錳(Mn)、鎳/γ氧化鋁(Ni/γAl₂ O₃ )、三氧化二鉻(Cr₂ O₃ )、三氧化二鏑(Dy₂ O₃ )、三氧化二釓(Gd₂ O₃ )、鈦(Ti)、釩(V)、氧化钒(V₂ O₃ )、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銠(Rh)、氧化銠(Rh₂ O₃ )、超氧化鉀(KO₂ )，及其混合物所組成的群組構成之順磁性物質的一種物質。
如請求項1所述之方法，其中該誘發性順磁材料係選自鈷(Co)、氧化鈷(CoO)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、氧化鐵(FeO)、氧化鐵(Fe₂ O₃ )、硫化鐵(FeS)、鎳/γ氧化鋁(Ni/γAl₂ O₃ )、三氧化二鉻(Cr₂ O₃ )、三氧化二鏑(Dy₂ O₃ )、三氧化二釓(Gd₂ O₃ )及其混合物所組成的群組構成之順磁性物質的一種物質。
如請求項1所述之方法，其中該反磁性物質包括複數個粒子，該些粒子具有介於0.1 奈米（nm）至 1.0毫米（mm）的尺寸。
如請求項1所述之方法，其中該反磁性物質係選自矽（silicon）、碳化矽 (silicon carbide, SiC)、γ氧化鋁(γ-alumina, γAl₂ O₃ )、二氧化矽(silica, SiO₂ )、二氧化矽/氧化鋁(silica/alumina, SiO₂ / Al₂ O₃ )、非磁性丁二烯、磁性丁二烯、二氧化鈦(titanium oxide, TiO₂ )、陶瓷(ceramic)、活性碳(activated carbon, C)、聚乙烯(polyethylene)，以及元素硫(elemental sulfur)及其混合物所組成的群組。
如請求項1所述之方法，其中該載流包括一順磁性物質，且於步驟(b)中，該順磁性物質係受到該磁體及誘發性順磁材料的吸引。
如請求項7所述之方法，其中該傳遞流係天然氣，且該反磁性物質包括沙、碳渣（carbon residual）及反磁性的金屬氧化物，且該順磁性物質包括硫化鐵及氧化鐵。
如請求項1所述之方法，更包括步驟(c)，移除該區域的該磁場使得該反磁性物質自磁體被釋放。
如請求項1所述之方法，其中該傳遞流係空氣，且該反磁性物質包括污染物。
如請求項1所述之方法，其中該傳遞流包括來自一發電廠或煉鋼廠的排放廢氣，且該反磁性物質包括空氣傳播的粒子，包括碳、金屬氧化物及/或金屬硫化物。
如請求項1所述之方法，其中該傳遞流包括汽車廢氣，且該反磁性物質包括空氣傳播的粒子。
如請求項1所述之方法，其中該載流包括於一煉油廠或一化工廠的一液體流。
如請求項1所述之方法，其中該傳遞流係水，且該反磁性物質包括污染物。
如請求項1所述之方法，其中該區域具有2,000 GS至20,000 GS的磁通強度。
如請求項1所述之方法，其中步驟(b)係利用磁體產生該磁場，且該順磁性感應物質並未與該磁體物理接觸。
如請求項1所述之方法，其中步驟(b)係利用複數個細長的非磁性套筒，彼此間隔地設置，且各該非磁性套筒設計成可將一個或多個磁體設置於其內部。
如請求項17所述之方法，其中各該非磁性套筒具有一外表面，且相鄰的非磁性套筒之間的相鄰外表面間的距離係介於0.1至 5 cm。
如請求項17所述之方法，其中各該非磁性套筒具有一中心軸且可容置複數個磁體，其中各該磁體具有一北極、一南極及一縱軸，該縱軸係垂直於該中心軸。
如請求項17所述之方法，其中該些磁體以交錯排列方式配置，相鄰並列的磁極相反。
如請求項17所述之方法，其中各該非磁性套筒具有一中心軸及容置有複數個磁體陣列，其中各該磁體陣列包括兩個或兩個以上的磁體，其中各該磁體具有一北極、一南極及一縱軸，該縱軸係垂直於該中心軸，以及各該陣列中的各該磁體係以相同磁極並列設置。
一種磁性過濾器，用以自一載流中分離反磁性污染物，該磁性過濾器包括：一殼體，具有(i)一流體入口、(ii)一流體出口，及(iii) 介於該入口及該出口之一內部區域；複數誘發性順磁填充材料分佈於該內部區域中，其中該些誘發性順磁填充材料係裝配以物理接觸於該反磁性污染物；以及一磁體設置於該內部區域之內，以產生一磁場，足以令該誘發性順磁填充材料具有磁性。
如請求項22所述之磁性過濾器，其中該些誘發性順磁填充材料係選自鈰(Ce)、二氧化鈰(CeO₂ )、氧化銫(CsO₂ )、鈷(Co)、氧化鈷(CoO)、鎳(Ni)、氧化銅(CuO)、氧化鎳(NiO)、硫化鎳(NiS)、鐵(Fe)、氧化鐵(FeO)、氧化鐵(Fe₂ O₃ )、硫化鐵(FeS)、錳(Mn)、鎳/γ氧化鋁(Ni/γAl₂ O₃ )、三氧化二鉻(Cr₂ O₃ )、三氧化二鏑(Dy₂ O₃ )、三氧化二釓(Gd₂ O₃ )、鈦(Ti)、釩(V)、氧化钒(V₂ O₃ )、鈀(Pd)、鉑(Pt)、銠(Rh)、氧化銠(Rh₂ O₃ )、超氧化鉀(KO₂ )，及其混合物所組成的群組構成之順磁性物質。
如請求項22所述之磁性過濾器，其中該些誘發性順磁填充材料係選自鈷(Co)、氧化鈷(CoO)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、氧化鐵(FeO)、氧化鐵(Fe₂ O₃ )、硫化鐵(FeS)、鎳/γ氧化鋁(Ni/γAl₂ O₃ )、三氧化二鉻(Cr₂ O₃ )、三氧化二鏑(Dy₂ O₃ )、三氧化二釓(Gd₂ O₃ )及其混合物所組成的群組構成之順磁性物質。
如請求項22所述之磁性過濾器，其中該區域具有2,000 GS至20,000 GS之磁通強度。
如請求項22所述之磁性過濾器，其中該誘發性順磁填充材料並未與該磁體物理接觸。
如請求項22所述之磁性過濾器，包括複數個細長的非磁性套筒，該些非磁性套筒係彼此間隔設置，且各該非磁性套筒內部設計成可容置一個或多個磁體。
如請求項27所述之磁性過濾器，其中各該非磁性套筒具有一外表面，且相鄰的各該非磁性套筒之間相鄰的外表面的距離係介於0.1至5 cm。
如請求項27所述之磁性過濾器，其中各該非磁性套筒具有一中心軸及容置複數個磁體，其中各該磁體具有一北極、一南極與一縱軸，且該縱軸係垂直於該中心軸。
如請求項29所述之磁性過濾器，其中該些磁體以交錯排列方式設置，相鄰磁體並列的磁極極性相反。
如請求項27所述之磁性過濾器，其中各該非磁性套筒具有一中心軸且容置複數個磁體陣列，其中各該陣列包括兩個或兩個以上的磁體，其中各磁體具有一北極、一南極及一縱軸，該縱軸係垂直於該中心軸，且各該陣列中的各該磁體並列磁極極性相同。
如請求項27所述之磁性過濾器，其中設於各該細長的非磁性套筒中之該一個或多個磁體係被包裹在一非磁性管狀外殼，該非磁性管狀外殼的一端係密封，且該管狀外殼可滑動地收納於該細長的非磁性套筒內。
如請求項27所述之磁性過濾器，其中該載流以一平行於該些細長的非磁性套筒的軸向通過該內部區域。
如請求項27所述之磁性過濾器，其中該載流以一垂直於該些細長的非磁性套筒的軸向通過該內部區域。