СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОГРАДИЕНТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ НА ЕГО ОСНОВЕ
METHOD OF GENERATING HIGH-GRADIENT MAGNETIC FIELD AND DEVICE FOR SEPARATING SUBSTANCES BASED ON SAID METHOD

Область техники
Изобретение относится к способам и устройствам магнитной сепарации и предназначено для разделения: а) парамагнитных веществ от диамагнитных, б) парамагнитных веществ в зависимости от их парамагнитной восприимчивости, в) диамагнитных веществ в зависимости от их диамагнитной восприимчивости. Возможные области применения изобретения: производство чистых и сверхчистых веществ и материалов в электронике, металлургии и химии, сепарация биологических объектов (красные кровяные тельца, «магнитные бактерии» и т.п.) в биологии и медицине, очистка воды от тяжелых металлов и органических примесей и др.
Предшествующий уровень техники
Основным фактором магнитной сепарации является магнитная сила, которая действует на частицу вещества и которая пропорциональна магнитной восприимчивости вещества, величине магнитной индукции В и величине градиента ∇B приложенного магнитного поля. Поэтому для повышения чувствительности и избирательности магнитной сепарации стремятся использовать максимально возможные значения магнитной индукции и градиента магнитного поля или их объединенного фактора - произведения B∇B.
5
2
Известен магнитный сепаратор, предназначенный для разделения ферромагнитных материалов по значениям их магнитной восприимчивости, который позволяет достичь в зазоре размером несколько миллиметров значения произведения B∇B порядка 4,5·10 мТл/м [1]. Однако такой магнитный сепаратор не может быть использован для сепарации парамагнитных и диамагнитных веществ и материалов из-за недостаточно высоких значений параметров магнитного поля.
11
2
Известна магнитная система, состоящая из двух постоянных магнитов с противоположной намагниченностью в виде открытой доменной структуры Киттеля [2]. В такой системе вблизи кромок граней сопряжения магнитов возникает сильное магнитное поле рассеяния, обусловленное недиагональными матричными элементами тензора фактора размагничивания (см. фиг.1), а величина произведения B∇B достигает 10 мТл/м. На поверхности магнитов в зоне верхних кромок граней сопряжения (в зоне линии OY на фиг.1) возникает сильное магнитное поле рассеяния с компонентами Hy(x,z), Hz(x,z) и Hx(x,z). Компонента Hy(x,z) равна нулю вследствие геометрии системы, вертикальная компонента Hz(x,z) составляет меньше половины индукции материала магнитов, а горизонтальная компонента Hx(x,z), которая представляет в рассматриваемом случае наибольший интерес, описывается выражением
2
2
2
2
2
2
2
2
Hx(x,z)=Ms[ln(a+z+2ax+x)-2ln(x+z)+ln(a+z-2ax+x)],
где Ms - намагниченность насыщения магнитов, а - размер магнита вдоль оси OХ (см. фиг.1).
6
9
11
2
Из этого выражения следует, что на плоскости z=0 в точке О горизонтальная компонента поля рассеяния стремится в бесконечность. В результате, в небольшой области -0,1а≤х≤0,1а вдоль линии стыка магнитов горизонтальная компонента магнитного поля рассеяния образует резкий скачок, который отмечен пунктиром на фиг.1, интенсивность которого может в несколько раз превышать индукцию материала магнитов. Важной практической особенностью указанной магнитной системы является также и то, что поле рассеяния Hx(x,z) обладает большим градиентом, который в окрестности точки О может достигать значений 10-10 мТл/м. Величина произведения B∇B в такой системе достигает 10 мТл/м. Недостатками этой магнитной системы являются невозможность управления формой и градиентом образующихся магнитных полей и практическая невозможность использования такой системы для сепарации веществ и материалов.
10
2
Известен высокоградиентный магнитный сепаратор, который позволяет в зазоре величиной нескольких микрон достичь значения произведения B∇B порядка 1,3·10 мТл/м [3]. Недостатком этого сепаратора является необходимость введения в анализируемые вещества ферромагнитных тел (проволок, шариков и т.п.) размером 25-60 мкм, что существенно ограничивает возможный диапазон свойств и характеристик сепарируемых сред.
Известно устройство для непрерывной очистки коллоидных растворов от примесей, которые содержат патогенные компоненты, например вирусы и микробы [4]. Устройство снабжено, по меньшей мере, одним магнитом с центральным сердечником, полюса которого обращены друг к другу и разнесены так, что образуют канал с перпендикулярным их поверхности магнитным полем. В канале размещена корзина в форме лотка прямоугольного сечения из немагнитного материала, в которой установлен фильтр из материала с высокой магнитной проницаемостью в виде несвязанных волокон, проволок, сетчатой ткани или порошка, что позволяет создать высокоградиентное магнитное поле. Одна сторона корзины и фильтра сообщены с камерой для подачи раствора, а другая - с камерой для сбора очищенной жидкости. Недостатками устройства являются необходимость введения в анализируемые вещества ферромагнитных тел в виде фильтра и невозможность применения его для сепарации нежидких сред.
Известна магнитная система для магнитной сепарации биологической ткани путем осаждения поддающейся намагничиванию взвеси частиц из суспензии [5]. Эта магнитная система включает несущую пластину, на которой закреплена железная пластина, на железной пластине смонтирован ряд постоянных магнитов, полярность каждого магнита противоположна полярности соседнего магнита, сверху магнитов размещена пластина концентратора магнитного поля из железа, сверху пластины-концентратора магнитного поля размещена защитная пластина. В защитной пластине и пластине-концентраторе магнитного поля выполнены отверстия для размещения в магнитном поле трубок с сепарируемой суспензией. Пластина концентратора магнитного поля имеет гладкую наружную поверхность и конусообразное поперечное сечение, в котором толщина пластины уменьшается в сторону отверстий. Недостатком устройства является невозможность достижения параметров магнитного поля, которые позволяли бы использовать устройство для отделения парамагнитных веществ от диамагнитных и для разделения парамагнитных веществ по значениям их парамагнитной восприимчивости.
Раскрытие изобретения
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию в зоне сепарации сильных и высокоградиентных магнитных полей с регулируемой формой и градиентом для использования в качестве высокочувствительного магнитного сепаратора для отделения парамагнитных веществ и материалов от диамагнитных, для разделения парамагнитных веществ и материалов по значениям их парамагнитной восприимчивости, а также для разделения диамагнитных веществ и материалов по значениям их диамагнитной восприимчивости.
Это достигается предлагаемым способом формирования высокоградиентного магнитного поля, которое формируют в открытой доменной структуре Киттеля над свободными кромками сопрягаемых граней двух магнитов с противоположным направлением полярности магнитного поля и магнитной анизотропией, существенно превышающей магнитную индукцию материала магнитов, причем размеры зоны задают тонкими пластинами из магнитомягкого материала, которые размещены на свободных гранях магнитов так, что они формируют узкий зазор, расположенный непосредственно над кромками сопрягаемых граней магнитов.
Эта задача решается также тем, что устройство для магнитного разделения веществ выполнено на основе магнитной системы типа открытой доменной структуры в виде двух сопряженных по боковым граням постоянных магнитов преимущественно прямоугольной формы с противоположным направлением полярности магнитного поля и магнитной анизотропией, существенно превышающей магнитную индукцию материала магнитов, которые смонтированы на общей основе, включающей сопряженную с нижними гранями магнитов пластину из магнитомягкого материала, на верхних гранях магнитов размещены тонкие пластины из магнитомягкого материала, которые формируют узкий зазор, расположенный непосредственно над верхними кромками сопрягаемых граней магнитов, непосредственно над зазором размещена немагнитная подложка для сепарируемого материала.
В частном варианте осуществления изобретения тонкие пластины выполнены из магнитомягкого материала, например из ванадиевого пермендюра.
В другом частном варианте осуществления изобретения тонкие пластины выполнены толщиной от 0,01 до 1,0 мм.
В другом частном варианте выполнения изобретения тонкие пластины снабжены средством для их перемещения по поверхности верхних граней магнитов с целью регулирования в пределах от 0,01 до 1,0 мм ширины зазора, расположенного симметрично относительно плоскости сопряжения магнитов.
В другом частном варианте выполнения изобретения подложка выполнена в виде тонкой ленты, изготовленной из немагнитного материала, например полиэстра.
В другом частном варианте выполнения изобретения лента снабжена средством для ее перемещения в направлении, перпендикулярном продольной оси зазора.
В другом частном варианте осуществления изобретения подложка выполнена в виде пластины, изготовленной из немагнитного материала, подсоединенной к источнику механических колебаний.
В другом частном варианте выполнения изобретения магниты выполнены из таких материалов, как неодим-железо-бор, самарий-кобальт или железо-платина.
В другом частном варианте выполнения изобретения устройство сформировано на основе двух и более магнитных систем в виде последовательного сопряжения граней трех и более магнитов, с зонами сепарации в виде двух и более щелей над верхними кромками сопрягаемых граней.
Под верхними кромками сопрягаемых граней магнитов понимаются зоны магнитов, непосредственно примыкающие к линии пересечения плоскости, по которой сопрягаются боковые грани магнитов, и плоскости, в которой расположены верхние грани магнитов (см. позиции 8 и 9 на фиг.6).
Совокупность заявленных существенных признаков изобретения позволяет существенно увеличить значение произведения магнитной индукции на градиент магнитного поля B∇B в зоне сепарации, а также позволяет регулировать произведение B∇B, что дает возможность практического использования сильных магнитных полей рассеивания для создания магнитного сепаратора высокой чувствительности.
Достигаемое изобретением изменение конфигурации магнитных полей по сравнению с известной открытой доменной структурой [1], поясняется схемами на фиг.2 и фиг.3, а также фиг.4 и фиг.5. Из приведенных схем видно, что в заявляемой магнитной системе в зоне, сформированной пластинами зазора, достигается не только концентрация магнитного поля, но и изменяется форма его силовых линий, а также величина и форма распределения магнитной индукции в окрестности кромки сопряженных граней магнитов. Таким образом изобретение позволяет существенно изменять параметры магнитного поля и подбирать наиболее подходящие условия для сепарации материалов в широком диапазоне их магнитных свойств, в том числе и для сепарации парамагнитных веществ и материалов по значениям их парамагнитной восприимчивости, а также для разделения диамагнитных веществ и материалов по значениям их диамагнитной восприимчивости.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема открытой доменной структуры Киттеля из двух магнитов.
На фиг.2 представлена схема магнитных силовых линий в открытой доменной структуре Киттеля.
На фиг.3 представлена схема магнитных силовых линий в заявляемой магнитной системе.
На фиг.4 представлен график изменения горизонтальной компоненты магнитной индукции в окрестности кромок сопряженных магнитов для открытой доменной структуры Киттеля.
На фиг.5 представлен график изменения горизонтальной компоненты магнитной индукции в окрестности кромок сопряженных магнитов для заявляемого изобретения.
На фиг.6 представлена схема заявляемого устройства.
На фиг.7 представлена зависимость величины индукции магнитного поля в зоне зазора от расстояния до поверхности пластин.
Вариант осуществления изобретения
3
Заявляемое устройство (см. фиг.6) состоит из двух магнитов 1 и 2 преимущественно прямоугольной формы с противоположным направлением намагниченности (показаны стрелками), изготовленных из материалов с магнитной анизотропией, много большей, чем индукция материала магнитов, например, таких как неодим-железо-бор, самарий-кобальт или железо-платина. В экспериментах использовались спеченные магниты системы неодим-железо-бор с остаточной индукцией около 1,3 Тл, коэрцитивной силой по намагниченности около 1300 кА/м, максимальным энергетическим произведением около 320 кДж/м. Размеры магнитов 25×50×50 мм.
Магниты 1 и 2 сопряжены между собой по плоскости 3 и размещены своими нижними гранями на основании 4, выполненном, например, в виде пластины из магнитомягкого материала, например железа толщиной 5-25 мм.
На верхних гранях магнитов 1 и 2 размещены тонкие пластины 5 и 6 толщиной от 0,01 до 1,0 мм из магнитомягкого материала с высокой магнитной индукцией насыщения. Толщина пластин 5 и 6 подбирается в зависимости от требуемых значений магнитной индукции и градиента поля, оптимального для сепарации конкретных веществ и материалов. Пластины 5 и 6 размещены на верхних гранях магнитов 1 и 2 с зазором и формируют узкий зазор 7 шириной от 0,01 до 1,0 мм, который расположен непосредственно над верхними кромками 8 и 9 магнитов 1 и 2, преимущественно симметрично относительно плоскости 3. Непосредственно над зазором 7 установлена немагнитная подложка 10 для размещения сепарируемого материала 11. Подложка 10 может быть выполнена, например, в виде горизонтальной пластины, подсоединенной к источнику механических колебаний (на фиг.6 не показан). Подложка может быть выполнена также в виде тонкой ленты, изготовленной из немагнитного материала, например из полиэстра, которая может быть снабжена средством для ее перемещения в направлении, перпендикулярном продольной оси зазора 7 (лента и средство для ее перемещения на фиг.6 не показаны). Подложка 10 может быть снабжена средством для ее перемещения на расстояние от 0 до 5 мм от поверхности пластин 5 и 6. Пластины 5 и 6 присоединены к средствам 12 и 13 для их смещения по верхним граням магнитов 1 и 2 с целью регулирования ширины зазора в пределах от 0,01 до 1,0 мм.
11
2
Устройство позволяет создавать сильные магнитные поля со значением произведения B∇B более 4·10 мТл/м на расстоянии до 10 мкм от поверхности формирующих зазор пластин 5 и 6. Так, в конкретном варианте реализации устройства с пластинами из ванадиевого пермендюра толщиной 0,20 мм и шириной зазора 0,05 мм создается магнитное поле, у которого тангенциальная компонента индукции превышает 4,0 Тл. Кроме того, ширина пика магнитного поля тангенциальной компоненты может регулироваться шириной зазора 7.
6
8
11
2
На фиг.7 представлена зависимость индукции магнитного поля от расстояния вдоль оси, перпендикулярной к плоскости пластин 5 и 6. Начало координат на фиг.7 соответствует точке в центре зазора 7 на уровне поверхности пластин 5 и 6. На расстоянии 0,10 мм от этой точки градиент составляет 4,1·10 мТл/м, а на расстоянии 0,01 мм - 1,2·10 мТл/м. Произведение B∇B при этом составляет 4,2·10 мТл/м.
Экспериментальную проверку возможности сепарировать парамагнитные вещества с помощью заявляемого устройства проводили на смеси веществ с различной парамагнитной восприимчивостью, результаты которой приведены в таблице.
Таблица
Результаты сепарации смеси веществ с различной парамагнитной восприимчивостью
Вещество
Восприимчивость, χ·10<sup>6</sup>
Расстояние, мм
Сульфат диспрозия
92760
1,900
Хлорид европия
26500
0,700
Хлорид меди
1080
0,100
Процесс сепарации проводился при размещении смеси приведенных выше веществ на тонкую полиэстровую ленту, которую размещали на фиксированном расстоянии от пластин 5 и 6 и перемещали параллельно их поверхности в направлении, перпендикулярном продольной оси зазора 7. При этом частицы сульфата диспрозия, обладающие наибольшей магнитной восприимчивостью, отделялись от смеси при расстоянии от ленты до пластин 5 и 6 около 1,90 мм, при этом другие частицы смеси продолжали двигаться вместе с лентой. Затем отсепарированные частицы сульфата диспрозия снимали с ленты, уменьшали расстояние от ленты до поверхности пластин 5 и 6 и продолжали процесс сепарации.
В таблице приведены значения расстояния от ленты до поверхности пластин 5 и 6, при которых сепарировались все компоненты смеси парамагнитных веществ.
Промышленная применимость
На основе представленной в изобретении магнитной системы из двух магнитов может быть создан более производительный магнитный сепаратор, в котором используется композиция из двух и более аналогичных магнитных систем, в которой каждая система формируется путем последовательного сопряжения граней трех и более магнитов с зонами сепарации в зоне двух и более зазоров, сформированных пластинами над верхними кромками сопрягаемых граней. Так, например, в системе из четырех магнитов и трех зон сепарации описанное выше трехстадийное разделение веществ могло бы быть проведено за один проход ленты с сепарируемым веществом.
11
2
Таким образом заявляемое устройство позволяет создавать сильные магнитные поля с очень высоким значением произведения B∇B - более 4·10 мТл/м на расстоянии до 10 мкм от поверхности формирующих зазор пластин и позволяет регулировать форму и градиент магнитного поля в зоне сепарирования веществ. Изобретение может быть использовано на практике для отделения парамагнитных веществ и материалов от диамагнитных, для разделения парамагнитных веществ и материалов по значениям их парамагнитной восприимчивости, для разделения диамагнитных веществ и материалов по значениям их диамагнитной восприимчивости, причем вещества могут быть как в виде порошков, так и в виде коллоидных растворов и взвесей.
Источники информации
1. Глебов В.А., Глебов А.В., Князев Ю.Д., Нефедов B.C., Лилеев А.С. Магнитная сепарация быстрозакаленных порошков системы неодим-железо-бор. // Известия ВУЗов. Материалы электронной техники, № 4, 2003, с.59-61.
2. Самофалов В.Н., Равлик А.Г., Белозоров Д.П., Авраменко Б.А. Сильные магнитные поля рассеяния в системах из высокоанизотропных магнетиков. Физика металлов и металловедение, 2004, том 97, № 3, с.15-23.
3. Gh. Iacob, Al.D. Ciochina, O. Bredetean. High Gradient Magnetic Separation Ordered Matrices. European Cells and Materials, Vol.3., Suppl.2, 2002 (pages 167-169), ISSN 1473-2262.
4. Европейский патент № 429700, опубл. 05.04.1995.
5. Европейский патент № 589636, опубл. 02.08.2000.