Исследовательская работа "Магнитная сепарация"

 Муниципальное образовательное учреждение

Ильичевская средняя общеобразовательная школа

Шушенского района Красноярского края

Секция: физика и познание мира.

Магнитная сепарация

Проектно-исследовательская работа

Выполнила: Капустина Вика,

учащаяся 11 класса

МБОУ Ильичевская СОШ

Руководитель: Акунченко А.А., учитель физики

                                                                                               МБОУ Ильичевской СОШ

2014 год  

СОДЕРЖАНИЕ

Введение______________________________________________________________3

1 Магнитные жидкости__________________________________________________4

2 Сепаратор____________________________________________________________6

3 Приготовление образцов_______________________________________________7

4 Постановка эксперимента______________________________________________8

5 Результаты и их обсуждения____________________________________________9

 Выводы______________________________________________________________10

Список литературы_____________________________________________________11

ВВЕДЕНИЕ

В научно-исследовательской лаборатории нанотехнологий при КГОАУ «Школа Космонавтики» я проводила исследование по теме «Магнитная сепарация», но я не успела оформить эту работу в Школе Космонавтики, и решила доделать её здесь.  С точки зрения приложений для магнитных жидкостей нашлось большое количество применений, среди них уплотнители вращающихся валов в условиях большого перепада давлений,  биомедицинские приложения, акселерометры и т.д.

В данной работе обсуждается вопрос возможности использования магнитных жидкостей для сепарации, то есть разделения немагнитных фракций по плотности вещества. Такие приложения уже реализованы на практике и используются для отделения нужной фракции от пустой породы.

Актуальность данного исследования обусловлена тем, что магнитные методы обогащения органически связаны с горно-металлургической и рядом других отраслей промышленности. Магнитные процессы обогащения призваны подготавливать руды, обладающими магнитными свойствами, к дальнейшей переработке. Ещё данные методы широко используются при доводки (получение требуемого качества) концентратов руд редких металлов, при очистке от магнитных включений горно-химического сырья, и возможность разработки собственного сепаратора является очень привлекательной.

Для того, чтобы начать разработку подобного устройства необходимо оценить перспективы использования магнитной жидкости, синтезированной конкретным способом. Для этого необходимо провести эксперименты, позволяющие оценить пригодность конкретных образцов магнитных жидкостей. Кроме того, возможно использование различных конфигураций установок для сепарации и этот вопрос так же является важным.

Таким образом, первым шагом к реализации подобной разработки является постановка эксперимента так, чтобы на выходе эксперимента были получены данные характеризующие качество сепарации для данного образца магнитной жидкости с в данных условиях.

Цель данной работы разработать схему эксперимента и реализовать измерения, которые смогут охарактеризовать степень пригодности образцов магнитных жидкостей и метода сепарации для разделения немагнитных материалов на фракции по плотности.

Задачи:

1. Разработать схему эксперимента

2. Провести синтез образцов магнитных жидкостей

3. Провести эксперимент по магнитной сепарации

4. Определить перспективы развития работы

Объектом исследования является магнитная жидкость.

Предмет исследования – использование магнитных жидкостей для сепарации.

1. МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ.

Магнитная жидкость – (феррожидкость) -  устойчивая коллоидная система высокодисперсных ферро- или ферримагнитных частиц в жидкости-носителе. МЖ – коллоидный раствор - раствор, в котором нерастворимые в воде вещества могут образовывать с водой внешне гомогенные системы (гомогенная система – система, состоящая из одной фазы), напоминающие обычные растворы [1]. В данном случае два состояния это твёрдый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать МЖ в качестве уплотнений, магнитных смазок, в процессах магнитного обогащения немагнитных материалов, в биологии и медицине.

Частицы в магнитной жидкости это в основном частицы нанометровых размеров, находящиеся во взвешенном состоянии благодаря броуновскому движению и не оседающие в нормальных условиях. Благодаря малым размерам частиц, тепловое движение распределяет их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди(II) или хлорида марганца(II)) придают раствору парамагнитные свойства. [2, стр. 111]

Магнитные жидкости представляют собой взвесь однодоменных частиц  магнетиков в жидкой среде. В качестве магнетика используется высокодисперсное железо, окислы Fe2O3, Fe3O4, ферриты никеля, кобальта. Взвесь твердых частиц в жидкости будет устойчива к седиментации (осаждению) в том случае если сила тяжести, действующая на них, будет скомпенсирована. Эта сила может быть скомпенсирована за счет, того что частицы непрерывно испытывают соударение с молекулами воды. В том случае, если частица имеет большую массу, соударение не оказывает большого влияния на движение частицы и за счет сил гравитации частица опускается на дно. Если же размеры частиц небольшие тогда хаотичные соударения со стороны молекул приводят к броуновскому движению саму частицу. Таким образом, коллоидный раствор будет стабильным, только в том случае, если размеры частиц  достаточно малы (около 10 нм).

Агрегативная устойчивость коллоидных систем с магнитными частицами обеспечивается адсорбционными слоями, препятствующими сближению частиц на такие расстояния, при которых энергия притяжения будет больше, чем разупорядочивающая энергия теплового движения. С этой целью, т.е. для устойчивости по отношению к укрупнению частиц вследствие их слипания, в коллоид вводится определенное количество стабилизатора - поверхностно-активного вещества (ПАВ). Как правило, в качестве ПАВ используют вещества, состоящие из полярных органических молекул, которые и создают на поверхности дисперсных частиц адсорбционные слои. Необходимым условием агрегативной стабильности МЖ является малость размера частиц, т.к. крупные частицы имеют больший магнитный момент, чем частицы меньших размеров, следовательно силы притяжения между крупными частицами за счет магнитного взаимодействия больше. Поэтому, в устойчивых коллоидах обычно размер частиц не превышает 10-15 нм.

Максимальная концентрация магнитного вещества в магнитной жидкости зависит от диаметра частиц и минимально возможного расстояния между ними. Кроме этого, на ее величину влияет и распределение частиц по размерам. Обычно максимальная объемная концентрация твердой фазы в МЖ не превышает 0,25. Наиболее распространенной магнитной жидкостью является МЖ типа магнетит в керосине с олеиновой кислотой в качестве стабилизатора. В последнее время такие жидкости получают методом конденсации при осаждении магнетита щелочью из водного раствора солей двух- и трехвалентного железа. В результате получают МЖ, вязкость которой при намагниченности насыщения 50-60 кА/м может быть сравнима с вязкостью воды.

Благодаря стабилизации МЖ становятся устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно несколько лет), и в конце концов частицы слипнутся, выделятся из жидкости и перестанут влиять на реакцию жидкости на магнитное поле.

Для стабилизации  магнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ:

• олеиновая кислота
• гидроксид тетраметиламмония
• полиакриловая кислота
• полиакрилат натрия
• лимонная кислота
• cоевый лецитин

ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры, которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной МЖ магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется на частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.[3]

Хотя ПАВ увеличивает время осаждения частиц в магнитной жидкости, они оказываются вредны для ее магнитных свойств (в особенности, для намагниченности насыщения). Добавление ПАВ (или других посторонних веществ) уменьшает плотность упаковки магнитных частиц в активированном состоянии жидкости, тем самым уменьшая ее вязкость в этом состоянии, давая более «мягкую» активированную жидкость.[4, стр.67] И хотя для некоторых применений вязкость магнитной жидкости в активированном состоянии (так сказать, ее «твердость») не очень важна, для большинства коммерческих и промышленных форм применения это самое главное свойство жидкости, поэтому необходим определённый компромисс между вязкостью в активированном состоянии и скоростью осаждения частиц. Исключение составляют ПАВ на основе полиэлектролитов, позволяющие получить высококонцентрированные жидкости с малой вязкостью.

2. МАГНИТНЫЙ СЕПАРАТОР

Сепаратор — аппарат, производящий разделение продукта на фракции с разными характеристиками.[5] Сепаратор работает по принципу немагнитного разделения обрабатываемого материала в жидкости на две фракции: «тяжёлую» и «лёгкую» на основе различия показателей по плотности разделяемых веществ.

Принцип работы магнитного сепаратора заключается в том, что при воздействии магнитным полем магнитные наночастицы МЖ вытеснят все немагнитные тела от магнита (рис. 1.).

Рис. 1. Вытеснение немагнитных тел магнитно жидкостью.

В моделях, представленных на рынке, подготовленная сепарируемая смесь подаётся питателем на рабочий стол, покрытый магнитной жидкостью. Скатываясь по наклонной поверхности стола, смесь попадает на магнитную жидкость; лёгкая фракция движется по поверхности магнитной жидкости и выводится из сепаратора через механизм вывода лёгкой составляющей; тяжёлая составляющая «тонет», и, продолжая двигаться по поверхности стола, выводится через щель ёмкость для сбора полезного продукта. Такая конструкция аппарата позволяет уменьшить расход магнитной жидкости до 1 л/т и увеличить производительность до 5 т/ч. Вследствие того, что движение сепарируемого материала в устройстве осуществляется за счёт гравитации, потребление электроэнергии ограничивается потреблением механизма для вывода лёгкой породы. Предлагаемый МЖС способен разделить материалы с разницей по плотности 2-3 г/см3, следовательно, устройство может быть универсальным инструментом, как при добыче благородных и редкоземельных металлов, так и при добыче алмазов, демантоидов и др. В устройстве отсутствуют подвижные части, кроме механизма подачи сепарируемого материала и механизма вывода пустой породы в отвал, следовательно, механический износ сведен к минимуму. Размер разделяемых фракций может быть от 20 мкм до 8мм. [6]

3. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ

Для приготовления МЖ на основе керосина был использован метод конденсации, в котором использовалось осаждение магнетита, происходящее в ходе химической реакции:

Первым этапом было приготовление МЖ на основе воды, которая была сделана по следующей методике:

1. В дистиллированной воде объемом 1 литр был получен раствор солей. Для получения раствора была использована соль feCl3 в количестве 90,78 г и FeSO4  в      количестве  46.64 г
2. Полученный раствор был однократно отфильтрован, через обеззоленный бумажный фильтр ТУ 6-09-1678-95.
3. Растворы солей и гидроксида аммония были смешаны, в результате чего прошла химическая реакция, в ходе которой магнетит выпал в осадок.
4. Была произведена неоднократная промывка раствора от солей, до того момента, когда pH достигла значения 7.5.
5. Когда pH раствора достигла значения 7.5, магнетит из раствора был отфильтрован через фильтровальную бумагу. В результате была собрана густая суспензия черного цвета.
6. Для стабилизации МЖ был использован олеат натрия, в объеме 15 г, после чего для достижения желаемой вязкости было добавлено 100мл дистиллированной воды. Раствор был помещен в химический фарфоровый стакан и был погружен в водяную баню на 30 мин, при этом обеспечивалось непрерывное помешивание и температура 80 Co.

Вторым этапом был перевод частиц магнетита из водной среды в керосин, для этого были совершены следующие операции:

7. В стабилизированный раствор магнетита был добавлен водный раствор соляной кислоты (HCl).
8. В результате химической реакции в молекуле олеата натрия произошло замещение атома натрия на атом водорода и олеат натрия превратился в олеиновую кислоту.
9. Это привело к агрегации частиц магнетита и выпадению их в осадок, несмотря на то, что олеиновая кислота легче воды, что свидетельствует о адсорбции олеиновой кислоты на поверхности магнетита. Эти агрегаты были собраны и высушены.
10. Высушенные агрегаты были растворены  в керосине.

4. ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для того, чтобы охарактеризовать способность образцов МЖ к вытеснению немагнитных тел было проведено два эксперимента, где в качестве вытесняемых объектов использовалась капля воды и латунная шайба.

4.1. ЭКСПЕРИМЕНТ 1

В нашем первом эксперименте была использована магнитная жидкость, полученная в лаборатории нанотехнологий, капелька воды и постоянный магнит.

Сначала мы поместили капельку воды в чашку Петри с магнитной жидкостью, так чтобы капелька оказалась на дне чашки Петри.(рис.1) Потом эту пробирку мы поставили на электромагнит и включили её, т.к. МЖ стремилась к магниту, получилось что капельку вытолкнули на поверхность.

Рис. 1. Постановка эксперимента.

 1- магнитная жидкость; 2- капелька воды; 3- постоянный магнит.

4.2. ЭКСПЕРИМЕНТ 2

В нашем втором эксперименте были использованы магнитная жидкость, полученная в лаборатории нанотехнологий, латунная шайба, вода, электромагнит и постоянный магнит.

Сначала мы поместили латунную шайбу в пробирку с магнитной жидкостью.(рис.2) Следующим шагом мы поднесли постоянный магнит к пробирке, магнитная жидкость направилась к магниту, частицы МЖ как бы вытолкнули шайбу на её поверхность.

Рис.2. Постановка эксперимента.

1- постоянный магнит, 2 – латунная шайба, 3 – магнитная жидкость.

Эксперимент 1 показал, что магнитного поля электромагнита достаточно, для того чтобы вытеснить воду на поверхность МЖ (на основе керосина), вода имеет плотность равную 1 г/см³, а плотность керосина равна 0,82 г/см³. При этом в обычных условиях вода находилась бы на дне сосуда. Следовательно, данная методика применима для сепарации веществ с плотностью вплоть до 1 г/см³.

Эксперимент 2 показал, что магнитного поля электромагнита не достаточно, для того чтобы вытеснить латунную шайбу на поверхность керосина, однако при использовании постоянного магнита (SmCo), шайба всплыла на поверхность МЖ (керосин), при этом латунь имеет плотность 8,3 г/см³, а плотность керосина равна 0,82 г/см³. Следовательно, данная методика применима для сепарации веществ с плотность вплоть до 8,3 г/см³.

ВЫВОДЫ

В данной работе была разработана схема эксперимента и реализованы измерения, которые смогли охарактеризовать степень пригодности образцов магнитных жидкостей и метода сепарации для разделения немагнитных материалов на фракции по плотности.

Разработана схема эксперимента

Проведен синтез образцов магнитных жидкостей

Проведен эксперимент по магнитной сепарации

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. С.Т.Жуков. Экспериментальный электронный учебник химии, 10-11 класс.
   Электронное издание. Адрес доступа:

http://www.chem.msu.su/rus/school/zhukov/19.html

2. Э.Т.Брук, В.Е. Фертман. «Еж» в стакане» — Мн.: Выш. школа, 1983. — 253 с, ил.

3. Сайт «Википедия». Адрес доступа:

http://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнитная_жидкость

4. Н.О.  Мчедлов- Петросян,  А.В.  Лебедь,  В.И.  Лебедь.  Коллоидные  поверхностно-активные вещества .  Изд.  ХНУ им.  В.  Н.  Каразина , 2008. 76 c.

5. сайт «Википедия». Адрес доступа:

       http://ru.wikipedia.org/wiki/Сепаратор

6. Магнитожидкостный сепаратор. Статья. Адрес доступа:

http://amcub.ru/index.php?option=com_content&view=category&id=2&layout=blog&Itemid=5