Способ получения магнитной жидкости

Способ получения магнитной жидкости

Реферат

Изобретение относится к области получения магнитных жидкостей, а также к области синтеза основного компонента магнитной жидкости феррофазы (высокодисперсного магнетита) из отходов травильного и гальванического производства. Магнитная жидкость - устойчивая коллоидная система высокодисперсных частиц магнитного материала (ферро- или ферримагнитных веществ), стабилизированного поверхностно-активными веществами в жидкости-носителе, которая способна взаимодействовать с магнитным полем и во многих отношениях ведет себя как однородная жидкость.

Магнитные жидкости благодаря необычному сочетанию свойств магнетиков, жидкостей и коллоидных растворов являются перспективным материалом и могли бы найти применение в различных областях техники: при создании магнитно-жидкостных уплотнений в химической промышленности, в качестве магнитных смазок, в процессах магнитного обогащения немагнитных материалов, в биологии и медицине. Но их широкое применение ограничивается высокой стоимостью.

Получение магнитных жидкостей состоит из двух основных операций.

1. Получение высокодисперсных частиц магнетика.

2. Стабилизация частиц магнетика в жидкости-носителе с использованием диспергирующего вещества, предотвращающего агрегирование частиц магнетика в жидкости-носителе и обеспечивающего устойчивость магнитной жидкости.

Известен способ получения магнитной жидкости. Первоначально в качестве феррофазы при получении магнитной жидкости использовали материалы, обладающие более высокими магнитными свойствами, - высокодисперсное металлическое железо, кобальт, мягкие магнитные сплавы типа пермендюр [Матусевич Н.П., Рахуба В.К. Получение магнитных жидкостей методом пептизации. - В кн.: Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. - Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Саласпилс, ин-т АН Латвийской ССР, 1980, - с.21-28]. Однако при использовании чистых металлов возникает ряд технологических трудностей, связанных как с получением высокодисперсных частиц и их защитой от окисления, так и с их стабилизацией с последующим диспергированием в жидкости-носителе. Поэтому наряду с металлами в качестве феррофазы все чаще используется магнетит (оксид-закись железа), который хотя и уступает металлам по магнитным характеристикам, но благодаря простоте получения высокодисперсных частиц, хорошей адсорбционной способности и химической устойчивости позволяет получать магнитные жидкости, которые превосходят по магнитным параметрам магнитные жидкости на металлах.

Известен также способ получения магнитной жидкости, заключающийся в осаждении частиц магнетита из водных растворов солей Fe²⁺ и Fe³⁺ избытком щелочи (NaOH и NH₄OH). Предпочтительными солями являются хлориды и сульфаты из-за их доступности и экономичности. Присутствие ионов других металлов - Mg²⁺, Cr³⁺, Ni²⁺, Cu²⁺ - не является вредным, если их содержание невелико.

Осадок магнетита промывают деконтацией от избытка щелочи и удаления солей до достижения рН=7. Полученный магнетит обладает дисперсностью, легко стабилизируется и диспергируется. Магнитная жидкость получается добавлением к водной суспензии магнетита жидкости-носителя, в которой растворен стабилизатор - ПАВ. В качестве жидкости-носителя используется керосин, в качестве стабилизатора - олеиновая кислота. При хемосорбции олеиновой кислоты на поверхности частиц магнетита образуется адсорбционный слой. При этом происходит обезвоживание частиц магнетита и разделение фаз, то есть выделение мгнетита из водной среды и его переход в среду жидкости-носителя [Матусевич Н.П., Рахуба В.К. Получение магнитных жидкостей методом пептизации. - В кн.: Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. - Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Саласпилс, ин-т АН Латвийской ССР, 1980, - с.21-28].

Известен также [Ахалая М.Г., Кокиашвили М.С., Берия В.П. Перспективы применения магнитных жидкостей в биологии и медицине. - В кн.: Физические свойства магнитных жидкостей: - Сб. статей. - Свердловск, УНУ АН СССР, 1983. - С.115-120] способ получения магнитной жидкости, в котором синтез феррофазы осуществляется как в [Матусевич Н.П., Рахуба В.К. Получение магнитных жидкостей методом пептизации. - В кн.: Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей. - Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Саласпилс, ин-т АН Латвийской ССР, 1980, - с.21-28], затем производится удаление воды из осадка последовательной промывкой его ацетоном, толуолом. Для получения магнитной жидкости в требуемой жидкости-носителе толуол сливают с осадка магнетита, влажный осадок переносят в фарфоровую ступку, добавляют к нему стабилизатор - олеиновую кислоту. Из полученной смеси толуол выпаривают нагреванием до 90-110°С при непрерывном растирании осадка. После испарения толуола смесь продолжают тщательно растирать при той же температуре. Полученную массу переносят с помощью требуемого количества дисперсионной среды в мельницу и гомогенизируют в стальной мельнице, на заполненной стальными шарами. Нужная степень пептизации достигается за 6-12 ч.

Известен способ получения магнитной жидкости, включающий образование суспензии магнетита путем соосаждения из растворов ионов двух- и трехвалентного железа, покрытие поверхности частиц магнетита адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, отделение от суспензии фракции, содержащей стабилизированные магнитные частицы в жидкости-носителе, а в качестве источника трехвалентного железа для получения магнитной феррофазы используется солянокислый раствор осадка-отхода очистки сточных вод гальванических цехов [Патент РФ №2182382, Бюл. №13, 2002; МПК: Н 01 F 1/36].

Описанные способы получения магнитной жидкости отличаются трудоемкостью и длительностью процессов с получением дорогостоящего продукта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения магнитной жидкости, выбранный нами за прототип [патент РФ №2193251, Бюл. №32, 2002, МПК: Н 01 F 1/28].

Он состоит из следующих стадий: смешение в требуемом соотношении (Fe³⁺/Fe²⁺ = 3:2) солянокислого раствора осадка - гальваношлама и отработанного травильного раствора; получение суспензии магнитных частиц оксидов Fe²⁺ и Fe³⁺ коллоидного размера пептизацией смеси растворов добавлением гидроксида аммония 28%-ного; покрытие осажденных частиц оксидов Fe²⁺ и Fe³⁺ в водной среде стабилизирующим веществом, образующим в избытке гидроксида аммония аммонийную соль, растворимую в воде; подогрев суспензии стабилизированных частиц для преобразования стабилизирующего вещества (разложение его аммонийной соли с образованием аммиачного газа) и превращение в нерастворимую в воде форму и отделение их от водной фазы; образование магнитной жидкости при смешении коагулянта с неводными жидкими носителями, которые обладают некоторой растворимостью по отношению к стабилизирующему веществу.

Полученная магнитная жидкость представляет стабильную коллоидную суспензию магнитных частиц, но с низкими показателями магнитных характеристик по сравнению с магнитной жидкостью из чистого сырья.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование способа получения магнитных жидкостей с достижением более высоких магнитных характеристик путем проведения активации магнитной фазы за счет ее взаимодействия с переменным магнитным полем промышленной частоты с получением более развитой поверхности взаимодействия оксидов двух- и трехвалентного железа.

Поставленная задача решается следующим образом: смешение в требуемом соотношении (Fe³⁺/Fe²⁺= 3:2) солянокислого раствора осадка - гальваношлама и отработанного травильного раствора; получение суспензии магнетита из оксидов Fe²⁺ и Fe³⁺ коллоидного размера пептизацией смеси растворов добавлением гидроксида аммония 28%-ного с соосаждением оксидов двух- и трехвалентного железа и их взаимодействием; воздействие переменным магнитным полем с частотой 50 Гц на суспензию, где частицы магнетита под воздействием магнитного поля измельчаются с образованием новой поверхности и становятся более активными, что облегчает и интенсифицирует взаимодействие FeO с Fe₂О₃ с увеличением выхода магнетита; покрытие осажденных частиц магнетита в водной среде стабилизирующим веществом, образующим в избытке гидроксида аммония аммонийную соль, растворимую в воде; подогрев суспензии стабилизированных частиц для преобразования стабилизирующего вещества (разложение его аммонийной соли с образованием аммиачного газа) и превращение в нерастворимую в воде форму и отделение их от водной фазы; образование магнитной жидкости при смешении коагулянта с неводной жидкостью-носителем, которые обладают некоторой растворимостью по отношению к стабилизирующему веществу.

Способ получения магнитной жидкости иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Осадок-отход после очистки сточных вод гальванического производства, высушенный при 105°С в течение 1 ч с влажностью 6,6%, содержанием основного вещества (Fe₂О₃) - 67,9%, содержанием нерастворимого в HCl остатка - 0,7%, рН водной вытяжки - 6,6, содержанием водорастворимых солей - 3,55% растворяют в концентрированной соляной кислоте; после фильтрования раствора его смешивают с отработанным травильным раствором, содержащим ионы Fe³⁺ и 0,06 моля Fe²⁺, затем медленно добавляют 50 см³ 28%-ного гидроксида аммония с одновременным перемешиванием для соосаждения оксидов двух- и трехвалентного железа. Смесь подогревают до 95°С и добавляют 50 см³ керосина и 5 см³ олеиновой кислоты (при интенсивном перемешивании). Затем продолжают подогрев и происходит отчетливое разделение водной и органической фаз. Водную фазу удаляют с помощью пипетки. Этим уменьшают время подогрева, а также ликвидируют большую часть хлорида аммония. Подогрев продолжают до тех пор, пока не истощится вода и температура органической фазы на возрастет до 130°С.

Жидкость охлаждают до комнатной температуры и сливают в мензурку. Добавляют керосин до объема 55 см³, чем компенсируют потерю керосина во время подогрева. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице (МЖ₁).

Пример 2.

Проводится, как пример 1, но после соосаждения оксидов двух- и трехвалентного железа осуществляют воздействие магнетита переменным магнитным полем с частотой 50 Гц в течение 15 мин для обеспечения более высокого выхода магнетита. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице (МЖ₂).

Пример 3.

Проводится, как пример 2, но воздействие магнетита переменным магнитным полем с частотой 50 Гц осуществляют в течение 30 мин. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице (МЖ₃).

Пример 4.

Проводится, как пример 2, но воздействие магнетита переменным магнитным полем с частотой 50 Гц осуществляют в течение 45 мин. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице (МЖ₄).

Пример 5.

Проводится, как пример 2, но воздействие магнетита переменным магнитным полем с частотой 50 Гц осуществляют в течение 60 мин. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице (МЖ₅).

	МЖ1	МЖ2	МЖ3	МЖ4	МЖ5
Время активации магнетита τ, мин.	0	15	30	45	60
Намагниченность насыщения, I, кА/м	12,10	13,47	16,80	19,78	19,80

Как видно из таблицы, значение намагниченности насыщения резко увеличивается с увеличением времени активации и достигает максимального значения за 60 мин.

Способ получения магнитной жидкости, включающий смешение солянокислого раствора осадка гальваношлама и отработанного травильного раствора при соотношении Fe³⁺/Fe²⁺=3:2, получение суспензии магнетита пептизацией смеси растворов добавлением гидроксида аммония 28%-ного с соосаждением оксидов двух- и трехвалентного железа и их взаимодействием, покрытие поверхности частиц магнетита в водной среде адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, подогрев суспензии магнитных частиц с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества, отделение их от водной фазы и смешение с неводной жидкостью-носителем, отличающийся тем, что после соосаждения оксидов двух- и трехвалентного железа осуществляют воздействие переменным магнитным полем с частотой 50 Гц на суспензию.