專利名稱：一種適合超細(xì)磁顆粒分離的無(wú)污染管束隔離式永磁分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及主要應(yīng)用于催化、吸附及生物分離等領(lǐng)域的磁性顆粒在流體中進(jìn)行分離的裝置，特別涉及一種適合超細(xì)磁顆粒分離的無(wú)污染管束隔離式永磁分離裝置。
背景技術(shù)：
磁性分離技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于礦物加工、鋼鐵廠和發(fā)電廠的污水處理，而且也為煤炭工業(yè)、非金屬工業(yè)、石油工業(yè)、原子能工業(yè)、化學(xué)工業(yè)以及生物技術(shù)中的顆粒系統(tǒng)的選擇性分離問(wèn)題，提供了有效的解決途徑。在磁分離技術(shù)中常用的超細(xì)磁性載體顆粒具有一般固體顆粒不具備的優(yōu)點(diǎn)超細(xì)顆粒具有較大的比表面積，進(jìn)行物理、化學(xué)等反應(yīng)時(shí)，能使反應(yīng)速度大大加快；此外，超細(xì)磁顆粒常具有超順磁性，具有該特征的顆粒在外加磁場(chǎng)條件下，呈現(xiàn)良好的磁性，當(dāng)去掉外加磁場(chǎng)時(shí)，顆粒的剩磁為零，根據(jù)這一特性可以方便地利用外界磁場(chǎng)對(duì)超順磁性顆粒進(jìn)行定位、分離、回收等操作。因此，目前，超細(xì)磁性顆粒已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于催化、吸附以及生物分離等領(lǐng)域。但在目前工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)超細(xì)磁顆粒進(jìn)行大規(guī)模分離還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。其中，磁分離裝置放大后裝置內(nèi)空間磁場(chǎng)強(qiáng)度及梯度不夠，導(dǎo)致空間內(nèi)流動(dòng)的超細(xì)磁性顆粒尤其是納米磁性顆粒所受磁力太弱而不能被快速有效捕集是一個(gè)最重要的問(wèn)題。由公式
可知，裝置空間內(nèi)某點(diǎn)所受磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離磁極的距離二次方成反比，距離磁極
r
越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度越弱。工業(yè)上常為了便于操作將電磁鐵用于磁分離裝置中，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度常在0. 5Τ左右，要獲得更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度需要進(jìn)一步增大電流、加粗銅導(dǎo)線用量，大大增加了能耗以及設(shè)備投資成本。而顆粒所受磁力& = M0XVpHVH ,與顆粒粒徑、裝置內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁場(chǎng)梯度成正比。文獻(xiàn)報(bào)道，在磁場(chǎng)梯度小于100T/m的低梯度磁場(chǎng)(通常未有鐵磁性物質(zhì)填充)中，粒徑為50nm左右鐵磁顆粒所受的磁力大小只與其所受熱擴(kuò)散和布朗運(yùn)動(dòng)作用力相當(dāng)，這一量級(jí)作用力無(wú)法使超細(xì)磁顆粒得到快速有效富集分離。為了解決磁分離裝置放大存在的這一問(wèn)題，研究者們常采用高梯度磁分離這種強(qiáng)磁力分離技術(shù)來(lái)對(duì)生化產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)?；蛛x。高梯度磁分離設(shè)備主要有兩類周期式高梯度磁分離設(shè)備和連續(xù)式高梯度磁分離設(shè)備。周期式高梯度磁分離設(shè)備主要由一個(gè)充填鋼毛介質(zhì)的罐體組成，該罐體由通電的螺線管纏繞。待分離料液通過(guò)罐體中的磁介質(zhì)，料液中的磁性組分由于受到磁場(chǎng)力的作用被捕集在磁介質(zhì)上，非磁性組分則通過(guò)罐體。操作一段時(shí)間，停止進(jìn)液，斷電使磁場(chǎng)卸除，進(jìn)行沖洗。沖洗完畢，繼續(xù)進(jìn)液，實(shí)現(xiàn)捕集，如此實(shí)現(xiàn)周期式操作。另一種連續(xù)式高梯度磁分離設(shè)備主要由可轉(zhuǎn)動(dòng)的分選環(huán)(由若干分選室組成)和固定不動(dòng)的通電螺線管組成。在分選環(huán)的上方依次有進(jìn)液管和沖洗水管。操作時(shí)，分選環(huán)
3轉(zhuǎn)動(dòng)，分選室依次經(jīng)過(guò)固定的通電螺線管，同時(shí)進(jìn)行進(jìn)液和沖洗操作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)式操作。這兩種高梯度磁分離裝置都存在以下缺點(diǎn)1.使用電磁鐵，雖然方便，但耗電量巨大，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需配備冷卻系統(tǒng)，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，不能產(chǎn)生高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)超細(xì)顆粒和弱磁性顆粒的分離產(chǎn)生困難；2.裝置中填充的聚磁物質(zhì)與流體直接接觸，使填充的聚磁物質(zhì)易發(fā)生腐蝕，同時(shí)流體易受到溶解物的污染。如專利CN 1275445A:從流體中分離出磁性顆粒的連續(xù)式高梯度磁分離方法及裝置；專利CN 1442234A 連續(xù)式高梯度磁分離器等可以通過(guò)高梯度磁場(chǎng)對(duì)超細(xì)顆粒進(jìn)行分離，但都不能很好的解決這一問(wèn)題。3.填充的聚磁物質(zhì)對(duì)磁性顆粒的吸附量有限，且磁顆粒洗脫不夠方便。因此，如何針對(duì)超細(xì)磁顆粒在流體中分離的應(yīng)用現(xiàn)狀，解決高梯度磁分離設(shè)備存在的上述問(wèn)題成為擴(kuò)大高梯度磁分離設(shè)備應(yīng)用范圍的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于克服上述高梯度磁分離裝置存在的能耗高、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，不能產(chǎn)生高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而很難分離低濃度或超低濃度的超細(xì)磁顆粒，并且聚磁物質(zhì)易腐蝕流體易被污染等缺陷，因而提供了一種適合流體中超細(xì)磁性顆粒分離的無(wú)污染管束隔離式永磁分離裝置。本發(fā)明提供的適合超細(xì)磁顆粒分離的無(wú)污染管束隔離式永磁分離裝置包括一環(huán)形永磁鐵和分離室，分離室內(nèi)部由規(guī)則排列的隔離管構(gòu)成含磁顆粒的流體的通道，隔離管外側(cè)裝有絲狀鋼毛或鋼砂等導(dǎo)磁介質(zhì)。分離室底部為進(jìn)料口和清洗水入口，頂部為出料口和清洗水出口。本發(fā)明所述分離室中含有多個(gè)隔離管，所述多個(gè)意指至少2個(gè)(包括2個(gè))，更優(yōu)選至少3個(gè)(包括3個(gè))。分離器以及其中的隔離管為導(dǎo)磁的非磁性材料制成，主要包括不銹鋼、無(wú)機(jī)玻璃、有機(jī)玻璃、塑料、橡膠和聚四氟乙烯。優(yōu)選地，隔離管的材料主要包括聚四氟乙烯、玻璃或不銹鋼等耐腐蝕性材料。本發(fā)明所述的分離裝置的分離室內(nèi)所安裝的隔離管陣列，兩管之間的距離為 5-50cm，例如 5-45cm、10-40cmo所述隔離管陣列包括方形陣列、三角形陣列、圓形陣列和五角星陣列。該裝置分離室外側(cè)使用一環(huán)形永磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)軸上，環(huán)形永磁鐵的內(nèi)側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為3000-4000奧斯特，外側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為零。本發(fā)明的目的之一還在于提供一種高梯度磁分離裝置，所述高梯度磁分離裝置由 η (n ^ 2)個(gè)該高梯度磁分離裝置串聯(lián)構(gòu)成η級(jí)的多級(jí)無(wú)污染管束隔離式永磁高梯度磁分離裝置組。所述η個(gè)優(yōu)選2-6個(gè)，進(jìn)一步優(yōu)選2-4個(gè)。本發(fā)明的目的之一還在于提供一種超細(xì)磁顆粒分離的無(wú)污染分離方法，所述方法利用本發(fā)明所述的裝置，其包括分離與沖洗兩步當(dāng)進(jìn)行磁顆粒的分離時(shí)，含有磁顆粒的流體料液從流體入口 6進(jìn)入磁分離裝置， 經(jīng)過(guò)管束分布器3進(jìn)入隔離管5。流體中的磁顆粒在管束周圍磁場(chǎng)的作用下，被吸附在管束內(nèi)部，不含磁顆粒的流體從管束分布器以及流體出口 2流出。當(dāng)進(jìn)行磁顆粒的沖洗時(shí)，永磁鐵1被移除，整個(gè)磁分離裝置中磁場(chǎng)消失，沖洗液從流體入口 6進(jìn)入磁分離裝置，經(jīng)過(guò)管束分布器3進(jìn)入隔離管5。吸附在管束內(nèi)壁上的磁顆粒在沖洗液的作用下被洗脫下來(lái)，從管束分布器和流體出口 2流出，實(shí)現(xiàn)磁顆粒的回收。本發(fā)明提供的高梯度磁分離裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用永磁鐵，成本低，磁場(chǎng)強(qiáng)度高，可達(dá)到3000-4000奧斯特，通過(guò)填充的鋼毛鋼砂等導(dǎo)磁物質(zhì)可將磁場(chǎng)加于管束周圍。本發(fā)明通過(guò)在隔離室中插入隔離管束，可將流體與填充的導(dǎo)磁物質(zhì)隔離開來(lái)，避免鋼毛鋼砂等被流體腐蝕以及流體被污染，并且使用管束使得磁顆粒洗脫更為方便。本發(fā)明通過(guò)增加隔離管束的數(shù)量，可以增大流體處理量，根據(jù)流體的流速、流體中磁性顆粒含量的多少、磁性顆粒的粒度等因素來(lái)確定本高梯度磁分離裝置中隔離管的根數(shù)以及陣列方式，可以達(dá)到更好的分離程度和更高的分離效率。為了保證分離的連續(xù)性，可以在出料管路上安裝兩到三個(gè)裝置，形成兩極或多級(jí)無(wú)污染管束隔離式永磁高梯度磁分離裝置。


圖1為本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的俯視圖。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明中，附圖標(biāo)記表示如下1永磁鐵，2流體出口，3管束分布器，4鋼砂或鋼毛，5隔離管，6流體入口。為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實(shí)施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實(shí)施例僅僅用于幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的具體限制。實(shí)施例一如圖1所示，本發(fā)明所述的適合超細(xì)磁顆粒分離的無(wú)污染管束隔離式永磁分離裝置，包括一環(huán)形永磁鐵1和分離室，所述環(huán)形永磁鐵為分離室內(nèi)提供磁場(chǎng)，所述環(huán)形永磁鐵的面積優(yōu)選覆蓋整個(gè)分離室。進(jìn)一步優(yōu)選環(huán)形永磁鐵的豎直長(zhǎng)度與分離室相同或接近相同。分離室外側(cè)的環(huán)形永磁鐵1固定在旋轉(zhuǎn)軸上，磁場(chǎng)強(qiáng)度為3000-4000奧斯特。分離室底部有進(jìn)料口和清洗水入口 6，頂部有出料口和清洗水出口 2，分離室中含有多個(gè)隔離管5， 每個(gè)隔離管5外側(cè)充滿鋼砂或剛毛磁介質(zhì)4。在隔離管5的上下兩端，均布置有管束分布器 3。所述分離裝置在進(jìn)行超細(xì)磁顆粒的分離時(shí)，永磁鐵1套在分離室外側(cè)，并為分離室提供強(qiáng)度為3000-4000奧斯特的磁場(chǎng)。含有粒度為20nm的超細(xì)磁顆粒的流體從進(jìn)料管6 進(jìn)入分離室，流速約為500mL/min，經(jīng)過(guò)管束分布器3進(jìn)入隔離管5。流體中的磁顆粒在管束周圍磁場(chǎng)的作用下，被吸附在管束內(nèi)部，不含磁顆粒的流體從管束分布器以及流體出口 2 流出。從流體出口 2處流出不含磁顆粒的流體清澈液體。在清洗操作步驟中，永磁鐵1由分離室外側(cè)被拔出，清洗水經(jīng)清洗水管6進(jìn)入分離室，進(jìn)行磁性顆粒的清洗，粒度為20nm的磁顆粒被清洗液洗脫下來(lái)，從流體出口 2流出黑色含磁顆粒的液體。如此循環(huán)操作，可以實(shí)現(xiàn)流體中超細(xì)磁顆粒的分離回收。
申請(qǐng)人:聲明，本發(fā)明通過(guò)上述實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程， 但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)， 對(duì)本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種適合超細(xì)磁顆粒分離的無(wú)污染管束隔離式永磁分離裝置，其特征在于，所述裝置包括一環(huán)形永磁鐵和分離室，分離室內(nèi)部由規(guī)則排列的隔離管構(gòu)成含磁顆粒的流體的通道，隔離管外側(cè)填充有絲狀鋼毛或鋼砂導(dǎo)磁介質(zhì)，分離室底部為進(jìn)料口和清洗水入口，頂部為出料口和清洗水出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離裝置，其特征在于，所述分離室中含有多個(gè)隔離管，所述多個(gè)優(yōu)選至少2個(gè)，更優(yōu)選至少3個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分離裝置，其特征在于，所述的分離裝置及其中的隔離管為導(dǎo)磁的非磁性材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分離裝置，其特征在于，所述非磁性材料選自不銹鋼、無(wú)機(jī)玻璃、有機(jī)玻璃、塑料、橡膠和聚四氟乙烯以及其混合物；優(yōu)選地，隔離管的材料為聚四氟乙烯、玻璃或不銹鋼耐腐蝕性材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的分離裝置，其特征在于，所述的分離室中隔離管陣列中兩管之間的距離為5-50cm，例如5-45cm或10_40cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的分離裝置，其特征在于，所述的分離室中隔離管陣列選自方形陣列、三角形陣列、圓形陣列和五角星陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的分離裝置，其特征在于，所述的分離室外側(cè)有一環(huán)形永磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)軸上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的分離裝置，其特征在于，所述環(huán)形永磁鐵的內(nèi)側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為3000-4000奧斯特，外側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為零。
9.一種多級(jí)無(wú)污染管束隔離式永磁高梯度磁分離裝置組，其特征在于，所述分離裝置組由至少2個(gè)權(quán)利要求1-8之一所述的分離裝置串聯(lián)構(gòu)成，所述至少2個(gè)優(yōu)選為2-6個(gè)，更優(yōu)選為2-4個(gè)。
10.一種超細(xì)磁顆粒分離的無(wú)污染分離方法，所述方法利用權(quán)利要求1-8之一所述的裝置或權(quán)利要求9所述的裝置組，其包括分離與沖洗工序當(dāng)進(jìn)行磁顆粒的分離時(shí)，含有磁顆粒的流體料液從流體入口進(jìn)入磁分離裝置，經(jīng)過(guò)管束分布器進(jìn)入隔離管，流體中的磁顆粒在管束周圍磁場(chǎng)的作用下，被吸附在管束內(nèi)部，不含磁顆粒的流體從管束分布器以及流體出口 2流出；當(dāng)進(jìn)行磁顆粒的沖洗時(shí)，永磁鐵被移除，整個(gè)磁分離裝置中磁場(chǎng)消失，沖洗液從流體入口進(jìn)入磁分離裝置，經(jīng)過(guò)管束分布器進(jìn)入隔離管，吸附在管束內(nèi)壁上的磁顆粒在沖洗液的作用下被洗脫下來(lái)，從管束分布器和流體出口流出，實(shí)現(xiàn)磁顆粒的回收。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適合超細(xì)磁顆粒分離的無(wú)污染管束隔離式永磁分離裝置。該裝置包括永磁體磁場(chǎng)和分離室，分離室內(nèi)裝有多個(gè)隔離管，每個(gè)隔離管外側(cè)裝有絲狀鋼毛或鋼砂等導(dǎo)磁介質(zhì)。分離室外側(cè)固定有一環(huán)形永磁鐵于旋轉(zhuǎn)軸上。其采用C型永磁鐵產(chǎn)生高的磁場(chǎng)強(qiáng)度和梯度，通過(guò)填充的導(dǎo)磁物質(zhì)將磁場(chǎng)加于管束周圍，通過(guò)隔離管將流體與導(dǎo)磁物質(zhì)隔離開來(lái)，避免流體對(duì)鋼毛等的腐蝕和污染。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，適用于流體中磁性載體或催化劑的分離，特別適合于流體中弱磁性的超細(xì)顆粒的分離。
文檔編號(hào)B03C1/032GK102327810SQ20111029410
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者劉會(huì)洲, 李偉, 李鵬飛, 楊良嶸, 邢慧芳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所