專利名稱：可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及磁分選裝置領域，特別涉及一種能夠實現磁性顆粒的粒徑連續式分選并能夠連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置。
背景技術：
磁性顆粒具有很多獨特的性能，因而被廣泛地應用于化工、冶金、生物技術和生物醫學等領域，如可用作磁流體，磁記錄材料，催化劑或催化劑載體，微波吸收材料，以及細胞分離、免疫檢測、蛋白質純化、核酸分離、靶向藥物、固定化酶等領域。近二十年來，單分散磁性顆粒在磁場控制光子晶體組裝方面也發揮了重要作用。根據使用目的的不同，對不同粒徑的磁性顆粒進行分選，在上述應用領域中越來越重要，已成為磁顆粒技術中的關鍵一項。目前，已有的磁顆粒分選裝置包括顆粒濕法磁分選裝置和干法磁分選裝置。濕法磁分選裝置如永磁筒式磁選機、磁力脫水槽等；干法磁分選裝置如永磁雙筒磁選機、磁滾筒等。無論是干法磁分選還是濕法磁分選技術，都只能將磁性顆粒和非磁性顆粒分離開來，不能實現不同粒徑的磁性顆粒的粒徑連續式可控磁分選。現有技術的磁分選裝置的作業方式均為間歇式作業，無法實現連續作業。

發明內容
本發明的目的是提供一種可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置。本發明提供的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置包括轉軸、固定裝置、一個或兩個互不重疊安裝的扇形電磁鐵、控制系統、一個扇形分選池和一個扇形收集池；所述扇形電磁鐵通過所述固定裝置固定在所述轉軸上，且所述扇形電磁鐵能夠繞所述轉軸轉動；所述扇形分選池和所述扇形收集池位于所述扇形電磁鐵的下方；所述控制系統用于控制所述扇形電磁鐵的轉動以及所述扇形電磁鐵中的電流的通斷以使所述扇形收集池收集到所述扇形電磁鐵從所述扇形分選池中分選出的磁性顆粒。優選地，所述裝置進一步包括一個供液池和一個廢液池。進一步地，所述扇形電磁鐵的圓心角θ的大小范圍為0° < θ彡180°。優選地，所述扇形電磁鐵的圓心角θ為180°。優選地，所述扇形分選池和所述扇形收集池的圓心角分別為180°。優選地，所述裝置進一步包括高度調節裝置，用于調節所述扇形電磁鐵的高度。優選地，通過手動方式或控制系統控制所述高度調節裝置來調節所述扇形電磁鐵的高度。優選地，所述控制系統進一步用于控制所述扇形電磁鐵中的電流強度，以分選出不同粒徑范圍的磁性顆粒。優選地，所述控制系統進一步用于控制所述扇形電磁鐵轉動的速度大小、以及所述扇形電磁鐵在所述扇形分選池和所述扇形收集池上方的停留時間。
優選地，所述扇形電磁鐵、所述扇形分選池和所述扇形收集池的徑向寬度相等。優選地，通過調節所述扇形電磁鐵下表面與分散液液面之間的距離和/或選用不同的分散介質分選出不同粒徑范圍的磁性顆粒。分散液裝在所述分選池中，分散液為磁性顆粒和分散介質的混合物。針對不同種類的磁性顆粒需要選取不同的分散介質，分散介質的選取原則為磁性顆粒不溶于所選分散介質，卻可以在分散介質中均勻分散，且兼顧分散效果和成本。例如，需要分選的磁性顆粒為!^e3O4或聚苯乙烯(PM)Z^e3O4復合材料顆粒時，選取蒸餾水作分散介質；需要分選的磁性顆粒為Al2O3Z^e3O4復合材料顆粒時，選取無水乙醇作分散介質；需要分選的磁性顆粒為 Zr02/Fe304復合材料顆粒時，選取體積濃度為50%的醇水混合液作分散介質。本發明提供的裝置的工作原理是氣液界面跳汰磁分離，具體為電磁鐵通電后，在電磁鐵產生的磁場作用下，分散液中的磁性顆粒沿磁場方向向上運動并通過分散液液面， 被吸附在電磁鐵的下表面。由于不同粒徑的磁性顆粒通過氣液界面時受到的阻力不同，所以當分散液液面與電磁鐵之間的磁場強度固定不變時，被吸附到電磁鐵下表面的磁性顆粒的大小將介于特定的粒徑范圍之內。當介于一定粒徑范圍的磁性顆粒被吸附到電磁鐵上時，控制電磁鐵轉動到收集池上方，然后電磁鐵斷電，電磁鐵產生的磁場作用消失，磁性顆粒脫離電磁鐵落入收集池內，從而分選出特定粒徑范圍的磁性顆粒。當電磁鐵下表面與分散液液面之間的距離一定時，通過調節電磁鐵中的電流強度改變電磁鐵產生的磁場強度和 /或選用不同的分散介質，即可分選出不同粒徑范圍的磁性顆粒。應用本發明提供的裝置能夠分選出的磁性顆粒的粒徑計算公式為
d \18UΓπ Λρ' , 9 h + 0 1Lij
]j Pp[103M0X0H2 - g{Pp - 500)/ Α]式⑴中dp為能夠被分選的磁性顆粒的粒徑，m; Jlla為空氣與分散介質的界面混合粘度，；vla為磁性顆粒沿電磁鐵的磁場方向通過上述界面時的運動速度，m/s ； Pp 為磁性顆粒的密度，kg/m3 ； μ ^為空氣中的磁導率，l·^ = 4 π X 10 /(m · Α) ；X0為磁性顆粒的比磁化系數，m3/kg ；H為電磁鐵表面的磁場強度，A/m ；h為電磁鐵下表面與分散液液面之間的距離，m ；g為重力加速度，g = 9. 81m/s2。本發明具有如下有益效果應用本發明的裝置能夠實現不同粒徑范圍的磁性顆粒的粒徑連續式分選，并且能夠實現分選過程的智能化自動控制。應用所述裝置能夠分選出的磁性顆粒包括R3CVSiO2/ Fe3O4復合材料、Al2O3Z^e3O4復合材料、Zr02/Fe304復合材料、PSt/Fe304復合材料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/^e3O4復合材料和聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)/^e3O4復合材料等磁性顆粒中的一種或多種。所述裝置能夠連續作業，工作效率高，并且結構簡單，制作成本低。


圖1為本發明實施例1的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置的示意圖；圖2為本發明實施例2的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明的發明內容作進一步的描述。實施例1下面以分選!^e3O4磁性顆粒為例，對本發明提供的裝置作進一步的說明。如圖1所示，該裝置包括轉軸1、固定裝置2、扇形電磁鐵3、高度調節裝置4、控制系統5、扇形分選池6、扇形收集池7、供液池8和廢液池9。所述扇形電磁鐵3通過所述固定裝置2固定在所述轉軸1上，且所述扇形電磁鐵3能夠繞所述轉軸1轉動。所述扇形電磁鐵3所在的圓環與所述轉軸1同心。所述扇形電磁鐵3下表面能夠產生的最大磁場強度例如為3. 2X 105A/m。所述扇形分選池6和所述扇形收集池7位于所述扇形電磁鐵3的下方。所述扇形電磁鐵3、所述扇形分選池6和所述扇形收集池7的圓心角例如均為180°， 且三者的徑向寬度例如均相等。所述扇形分選池6和所述扇形收集池7均用無機玻璃制成。所述控制系統5分別與所述轉軸1、所述扇形電磁鐵3和所述高度調節裝置4電連接。 所述控制系統5用于控制所述扇形電磁鐵3的轉動、以及所述扇形電磁鐵3中的電流的通斷以使所述扇形收集池7收集到所述扇形電磁鐵3從所述扇形分選池6中分選出的磁性顆粒。所述高度調節裝置4用于調節所述扇形電磁鐵3的高度。既可以通過手動方式控制所述高度調節裝置4來調節所述扇形電磁鐵3的高度，也可以通過所述控制系統5控制所述高度調節裝置4來調節所述扇形電磁鐵3的高度。所述控制系統5進一步用于控制所述扇形電磁鐵3中的電流強度，以分選出不同粒徑范圍的磁性顆粒。所述控制系統5進一步用于控制所述扇形電磁鐵3轉動的速度大小、以及所述扇形電磁鐵3在所述扇形分選池6和所述扇形收集池7上方的停留時間。磁性顆粒的分散液裝于所述扇形分選池6中。通過調節所述扇形電磁鐵3下表面與分散液液面之間的距離和/或選用不同的分散介質分選出不同粒徑范圍的磁性顆粒。所述扇形分選池6分別與所述供液池8和所述廢液池9相連通。應用本實施例所述的裝置分選!^e3O4磁性顆粒的具體步驟如下(1)制備含有F^O4磁性顆粒的分散液，其中!^e3O4磁性顆粒的質量濃度例如為 0.5%, Fe3O4磁性顆粒的粒徑范圍例如為0. 1-2. 0 μ m，且!^e3O4磁性顆粒的形狀為球形，分散介質為蒸餾水；采用機械攪拌和超聲分散使!^e3O4磁性顆粒均勻分散在分散介質中；(2)將步驟(1)制備的含有!^e3O4磁性顆粒的分散液加入到所述扇形分選池6中， 分散液的液面高度例如約為0. 2cm,并將所述扇形電磁鐵3的下表面與分散液液面之間的距離h調整為例如5. Omm ；(3)在所述控制系統5的操作平臺上設定工作參數，設定所述扇形電磁鐵3在所述扇形分選池6上方的停留時間例如為5s，設定所述扇形電磁鐵3的轉動速度例如為0. 5m/ s，設定所述扇形電磁鐵3在所述扇形收集池7上方的停留時間例如為3s ；(4)如果擬分選粒徑滿足dp > 1 μ m的!^e3O4磁性顆粒，則利用已知參數數值η lavla =1. 88 X KT6Pa .m，P p = 5180kg/m3，μ 0 = 4 π X IO^7Wb/(m ·Α), x0 = 10_3m3/kg, g = 9. 81m/ s2, h = 0. 005m,由公式(1)計算可得，分選粒徑滿足dp > 1 μ m的狗304磁性顆粒所需的磁場強度為 H= 1.6X105A/m；(5)給所述扇形電磁鐵3通電，并通過所述控制系統5調節所述扇形電磁鐵3中的電流強度，使得所述扇形電磁鐵3下表面的磁場強度為H=<dp彡2 μ m的!^e3O4磁性顆粒能夠跳出氣液界面，被吸附在所述扇形電磁鐵3的下表面； 所述扇形電磁鐵3在所述扇形分選池6上方停留k后，以0. 5m/s的速度勻速轉動至所述扇形收集池7的上方；然后所述扇形電磁鐵3斷電，則其磁性消失，吸附在所述扇形電磁鐵 3下表面的!^e3O4磁性顆粒由于受重力的作用而掉落在所述扇形收集池7內；(6)所述扇形電磁鐵3在所述扇形收集池7上方停留3s后，又以0. 5m/s的速度勻速轉動至所述扇形分選池6上方，重復步驟(5)以繼續分選!^e3O4磁性顆粒；(7)從所述扇形收集池7中取出分選出的!^e3O4磁性顆粒，其粒徑為Ιμπι
<dp < 2 μ m。實施例2下面以分選&02/ ^304復合材料磁性顆粒為例，對本發明提供的裝置作進一步的說明。如圖2所示，該裝置包括轉軸1、固定裝置2、第一扇形電磁鐵321、第二扇形電磁鐵322、高度調節裝置4、控制系統5、扇形分選池6、扇形收集池7、供液池8和廢液池9。所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322通過所述固定裝置2固定在所述轉軸1 上，且所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322能夠繞所述轉軸1轉動。所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322互不重疊安裝。所述第一扇形電磁鐵321 和所述第二扇形電磁鐵322所形成的圓環與所述轉軸1同心。所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322下表面能夠產生的最大磁場強度例如均為3. 2X 105A/m。所述扇形分選池6和所述扇形收集池7位于所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322 的下方。所述第一扇形電磁鐵321、所述第二扇形電磁鐵322、所述扇形分選池6和所述扇形收集池7的圓心角例如均為180°，且四者的徑向寬度例如均相等。所述扇形分選池6和所述扇形收集池7均用無機玻璃制成。所述控制系統5分別與所述轉軸1、所述第一扇形電磁鐵321、所述第二扇形電磁鐵322和所述高度調節裝置4電連接。所述控制系統5用于控制所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322的轉動、以及所述第一扇形電磁鐵 321和所述第二扇形電磁鐵322中的電流的通斷。所述高度調節裝置4用于調節所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322的高度。既可以通過手動方式控制所述高度調節裝置4來調節所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322的高度，也可以通過所述控制系統5控制所述高度調節裝置4來調節所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322的高度。所述控制系統5進一步用于控制所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322中的電流強度，以分選出不同粒徑范圍的磁性顆粒。所述控制系統5進一步用于控制所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322轉動的速度大小、以及所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322在所述扇形分選池6和所述扇形收集池 7上方的停留時間。磁性顆粒的分散液裝于所述扇形分選池6中。通過調節所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322下表面與分散液液面之間的距離和/或選用不同的分散介質分選出不同粒徑范圍的磁性顆粒。所述扇形分選池6分別與所述供液池8和所述廢液池9相連通。應用本實施例所述的裝置分選&02/ ^304復合材料磁性顆粒的具體步驟如下(1)制備含有&02/ ^304復合材料磁性顆粒的分散液，其中&02/狗304磁性顆粒的質量濃度例如為1. 0%，Zr02/Fe304磁性顆粒的粒徑范圍例如為0. 1-2. 0 μ m，且Zr02/Fe304磁性顆粒的形狀為球形，分散介質為體積濃度為50%的醇水混合液；采用機械攪拌和超聲分散使&02/ ^304磁性顆粒均勻分散在分散介質中；(2)將步驟⑴制備的含有^O2Ae3O4復合材料磁性顆粒的分散液加入到所述扇形分選池6中，分散液的液面高度例如約為0. 3cm，并將所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322的下表面與分散液液面之間的距離h調整為例如4. Omm ；(3)在所述控制系統5的操作平臺上設定工作參數，例如設定所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322在所述扇形分選池6和所述扇形收集池7上方的停留時間相等，例如均為^，設定所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322的轉動速度例如為0. 5m/s ；(4)如果擬分選粒徑滿足dp > 0. 75 μ m的&02/狗304復合材料磁性顆粒，則利用已知參數數值 nlavla = 1. 12 X 10_6Pa .m, P p = 5418kg/m3 (Zr02/Fe304 磁性顆粒中，ZiO2 包覆層與 Fe3O4 核的質量比為 1 1)，μ 0 = 4 π X KT7Wb/(m · A), X0 = 8. 05X10"4m3/kg, g = 9. 81m/s2，h = 0. 004m,由公式(1)計算可得，分選粒徑滿足dp > 0. 75 μ m的&02/i^e304磁性顆粒所需的磁場強度為H = 2. 4X 105A/m ；(5)通過所述控制系統5調節所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵 322中的電流通斷和電流強度，使得停留在所述扇形分選池6上方的所述第一扇形電磁鐵 321或所述第二扇形電磁鐵322通電的同時停留在所述扇形收集池7上方的所述第二扇形電磁鐵322或所述第一扇形電磁鐵321斷電；在本實施例中，所述第一扇形電磁鐵321或所述第二扇形電磁鐵322停留在扇形分選池6上方被通電k，其下表面的磁場強度為H = 2. 4 X105A/m時，粒徑為0. 75 μ m < dp彡2 μ m的&02/狗304磁性顆粒能夠跳出氣液界面， 被吸附在所述第一扇形電磁鐵321或所述第二扇形電磁鐵322的下表面；此時所述第二扇形電磁鐵322或所述第一扇形電磁鐵321停留在所述扇形分選池6上方被斷電k ；隨后， 所述第一扇形電磁鐵321和所述第二扇形電磁鐵322以0. 5m/s的速度分別轉動至所述扇形收集池7和所述扇形分選池6的上方，停留在所述扇形收集池7上方的所述第一扇形電磁鐵321斷電釋放所吸附的^O2Ae3O4磁性顆粒，與之同時，停留在所述扇形分選池6上方的所述第二扇形電磁鐵322通電繼續對所述扇形分選池6中的^O2Ae3O4磁性顆粒進行分選，從而實現對磁性顆粒分選的連續作業；(6)重復步驟(5)以繼續分選&02/ ^304磁性顆粒；(7)從所述扇形收集池7中取出分選出的&02/狗304磁性顆粒，其粒徑為0. 75 μ m < dp < 2 μ m。應用本實施例所述的裝置能夠實現對磁性顆粒分選的連續作業，工作效率高。應當理解，以上借助優選實施例對本發明的技術方案進行的詳細說明是示意性的而非限制性的。本領域的普通技術人員在閱讀本發明說明書的基礎上可以對各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。
權利要求
1.可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，其特征在于，該裝置包括轉軸 (1)、固定裝置O)、一個或兩個互不重疊安裝的扇形電磁鐵(3)、控制系統(5)、一個扇形分選池(6)和一個扇形收集池(7)；所述扇形電磁鐵C3)通過所述固定裝置O)固定在所述轉軸(1)上，且所述扇形電磁鐵( 能夠繞所述轉軸(1)轉動；所述扇形分選池(6)和所述扇形收集池(7)位于所述扇形電磁鐵(3)的下方；所述控制系統(5)用于控制所述扇形電磁鐵C3)的轉動以及所述扇形電磁鐵C3)中的電流的通斷以使所述扇形收集池(7)收集到所述扇形電磁鐵C3)從所述扇形分選池(6)中分選出的磁性顆粒。
2.根據權利要求1所述的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括一個供液池(8)和一個廢液池(9)。
3.根據權利要求1所述的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，其特征在于，所述扇形電磁鐵(3)的圓心角θ的大小范圍為0° < θ彡180°。
4.根據權利要求3所述的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，其特征在于，所述扇形電磁鐵(3)的圓心角θ為180°。
5.根據權利要求1所述的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，其特征在于，所述扇形分選池(6)和所述扇形收集池(7)的圓心角分別為180°。
6.根據權利要求1所述的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括高度調節裝置G)，用于調節所述扇形電磁鐵(3)的高度。
7.根據權利要求6所述的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，其特征在于，通過手動方式或控制系統( 控制所述高度調節裝置(4)來調節所述扇形電磁鐵(3) 的高度。
8.根據權利要求1所述的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，其特征在于，所述控制系統(5)進一步用于控制所述扇形電磁鐵(3)中的電流強度，以分選出不同粒徑范圍的磁性顆粒。
9.根據權利要求1所述的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，其特征在于，所述控制系統(5)進一步用于控制所述扇形電磁鐵(3)轉動的速度大小、以及所述扇形電磁鐵C3)在所述扇形分選池(6)和所述扇形收集池(7)上方的停留時間。
10.根據權利要求1所述的可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，其特征在于，所述扇形電磁鐵(3)、所述扇形分選池(6)和所述扇形收集池(7)的徑向寬度相等。
全文摘要
本發明提供一種可連續作業的氣液界面跳汰磁分選可控環形裝置，該裝置包括轉軸(1)、固定裝置(2)、一個或兩個互不重疊安裝的扇形電磁鐵(3)、控制系統(5)、一個扇形分選池(6)和一個扇形收集池(7)；扇形電磁鐵(3)通過固定裝置(2)固定在轉軸(1)上，且扇形電磁鐵(3)能夠繞轉軸(1)轉動；扇形分選池(6)和扇形收集池(7)位于扇形電磁鐵(3)的下方；控制系統(5)用于控制扇形電磁鐵(3)的轉動以及扇形電磁鐵(3)中的電流的通斷以使扇形收集池(7)收集到扇形電磁鐵(3)從扇形分選池(6)中分選出的磁性顆粒。應用所述裝置能夠實現不同粒徑范圍的磁性顆粒的粒徑連續式分選，并且能夠實現分選過程的智能化自動控制。所述裝置能夠連續作業，工作效率高，并且結構簡單，制作成本低。
文檔編號B03C1/32GK102441490SQ201110355808
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者富鳴, 張輝, 徐泓, 顏魯婷 申請人:北京交通大學