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 находят 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.

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.

Первоначально в качестве феррофазы при получении магнитной жидкости использовали материалы, обладающие более высокими магнитными свойствами - высокодисперсное металлическое железо, кобальт, мягкие магнитные сплавы типа пермендюр [1. Физические свойства магнитных жидкостей: Сб. статей. - Свердловск, УНУ АН СССР, 1983. - 128 с. 2. Черкасова О.Г., Петров В.И., Руденко Б.А. Рентгеноконтрастная ферромагнитная жидкость - Формация. - 1986. - Т.35, №3. - С.31-34. 3. 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 (окись-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 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 являются вредными, 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 магнетита из водной среды и его переход в среду жидкости-носителя [Физические свойства магнитных жидкостей: Сб. статей. - Свердловск, УНУ АН СССР, 1983. - 128 с.].

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 [Физические свойства магнитных жидкостей: Сб. статей. - Сверловск, УНУ АН СССР, 1983. - 128 с.], 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 ступню, добавляют к нему стабилизатор - олеиновую кислоту. Из полученной смеси толуол выпаривают нагреванием в ступне 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 1/2 заполненной стальными шарами. Нужная степень пептизации достигается за 6-12 ч.

Также известен способ получения магнитной жидкости на основе воды [А.с. СССР №1074826 А, БИ №7 от 23.02.84, С01G 49/08, Н01F 1/28], в котором синтез феррофазы осуществляется как в [Физические свойства магнитных жидкостей: Сб. статей. - Свердловск, УНУ АН СССР, 1983. - 128 с.], затем маточный раствор удаляют декантацией. Оставшуюся суспензию постепенно нагревают при перемешивании и добавляют олеиновую кислоту. Нагретую до 90°С суспензию выдерживают при этой температуре в течение 10 мин, а затем охлаждают до 30°С. Частицы магнетита, стабилизированные олеиновой кислотой, экстрагируют петролейным эфиром при 30°С. Затем после удаления экстрагента к оставшейся массе добавляют раствор аммонийной соли декановой кислоты. Затем смесь гомогенизируют до получения однородной жидкости.

Описанные способы получения магнитной жидкости используют в качестве сырья дорогостоящий реактивный материал, отличаются трудоемкостью и длительностью процессов.

Наиболее близкий к заявленному способ, описанный в А.с. СССР №968047, БИ №39 от 23.10.82, С09К 3/00, С01G 49/02, выбранный нами за прототип.

Он состоит из следующих стадий.

1. Соосаждение солей двух- и трехвалентного железа (FeCI₂·4H₂O, FeCl₃·6Н₂O) избытком концентрированного раствора аммиака.

2. Добавление к водной суспензии магнетита поверхностно-активного вещества (олеата натрия) и стабилизатора (додециламина). Покрытие поверхности частиц адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, которое имеет растворимую в воде форму.

3. Нагрев суспензии и доведение до кипения при постоянном перемешивании.

4. Центрифугирование смеси после ее остывания для отделения крупнодисперсных частиц.

В описанном способе для получения высокодисперсных частиц магнетита был использован как источники соли Fe²⁺ и Fe³⁺ дорогостоящий реактивный материал, ограничивающий сферу использования МЖ.

Задачей настоящего изобретения является получение магнитных жидкостей на основе воды путем использования для получения высокодисперсной феррофазы отработанного травильного раствора машиностроительных заводов как источника Fe²⁺ и осадка-отхода после очистки сточных вод гальванического производства электрокоагуляцией как источника Fe³.

Задача решается следующим образом: вместо FeCI₂·4H₂O использовать отработанный травильный раствор, содержащий FeSO₄, a вместо FeCl₃·6Н₂O использовать имеющийся в больших количествах высокодисперсный осадок-отход очистки сточных вод гальванических цехов, состоящий в основном из Fe(ОН)₃. Простое (без подогрева) растворение имеющегося осадка в соляной кислоте обеспечит стабильное наличие второго компонента (FeCl₃) для получения высокодисперсного магнетита.

Экономическая целесообразность предлагаемого способа состоит в следующем.

1. Предполагается использование железосодержащих отходов вместо «чистых» реагентов.

2. Предлагается вариант дополнительного использования крупнотоннажных отходов производства.

Процесс получения магнитной жидкости состоит из следующих операций.

1. Смешение в требуемом соотношении (Fe³⁺/Fe²⁺=3:2) солянокислого раствора осадка-отхода и отработанного травильного раствора. 2. Получение суспензии магнитных частиц оксидов Fe²⁺ и Fe³⁺коллоидного размера пептизацией смеси растворов добавлением гидроксида аммония 28%-ного. 3. Покрытие осажденных частиц оксидов Fe²⁺ и Fe³⁺в водной среде стабилизирующим веществом - олеатом натрия. 4. Нагрев суспензии и доведение до кипения при постоянном перемешивании. 5. Центрифугирование смеси после ее остывания для отделения крупнодисперсных частиц.

Состав отработанного травильного раствора: рН водной фазы - 1,1; массовая доля растворенных в воде веществ - 5-10%; Массовая доля соединений железа в пересчете на Fe₂О₃ - 0,015±0,005%, на FeO - 98,07±1,02%; Никель (Ni²⁺) - 0,013±0,005%; Медь (Cu²⁺) - 0,013±0,005%; Хром (Cr, общ.) - 0,008±0,002%; Марганец (Mn²⁺) - 0,4±0,2%. Осадок - отход после очистки сточных вод гальванического производства, высушенный при 105°С в течение 1 ч имеет влажность 6,6%; содержание основного вещества (Fe₂О₃) - 67,9%; содержание нерастворимого в HCI остатка - 4,03±0,29%; рН водной вытяжки - 6,6; содержание водорастворимых солей - 3,55±1,2%; Никель (Ni²⁺) - 0,41±0,28%; Медь (Cu²⁺) - 0,10±0,06%; Хром (Cr, общ.) - 2,9±1,2%; Цинк (Zn²⁺) - 2,60±0,74%.

Пример 1. Осадок-отход после очистки сточных вод гальванического производства, высушенный при 105°С в течение 1 ч с влажностью 6,6%, растворяют в концентрированной соляной кислоте; после фильтрования раствора его смешивают с травильным раствором, содержащим ионы Fe³⁺и 0,06 моля Fe²⁺, затем медленно добавляют 50 см³ 28%-ного гидроксида аммония с одновременным перемешиванием для осаждения гидроксидов железа. К смеси при постоянном перемешивании и нагревании добавляют 7 г олеата натрия. Смесь при перемешивании доводят до кипения. Остывшую при перемешивании жидкость центрифугируют в течение 15 мин при факторе разделения 6000. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице - МЖ₁.

Пример 2. Проводится как пример 1, но объемная доля магнетита увеличена в 2 раза. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице - МЖ₂.

Пример 3. Проводится как пример 1, но объемная доля магнетита увеличена в 5 раза. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице - МЖ₃.

Для сравнения в таблице представлены показатели магнитной жидкости из А.с. СССР №968047, БИ №39 от 23.10.82, С09К 3/00, С01G 49/02 (пример 4) - МЖ4. Магнитная феррофаза получена осаждением избытка из смеси солей FeCl₃·6Н₂О и FeCI₂·4H₂O избытком гидроксида аммония.

Таблица 1
Показатели магнитных жидкостей
Магнитная жидкость	Соотношение воды к магнетиту	Намагниченность насыщения, кА/м
МЖ1	10:1	4,8
МЖ2	5:1	12,1
МЖ3	2:1	25,6
МЖ4	2:1	25-30

Способ получения магнитной жидкости на основе воды, включающий соосаждение солей двух- и трехвалентного железа избытком концентрированного раствора аммиака, покрытие поверхности частиц адсорбированным слоем стабилизирующего вещества - олеата натрия, нагрев суспензии и доведение до кипения при постоянном перемешивании, центрифугирование смеси после ее остывания для отделения крупнодисперсных частиц, отличающийся тем, что в качестве солей двух- и трехвалентного железа используют смесь отработанного травильного раствора машиностроительных заводов, содержащего FeSO₄, и солянокислого осадка - отхода после очистки сточных вод гальванического производства электрокоагуляцией, содержащего Fe(ОН)₃, в соотношении 2:3.