Способ получения магнитной жидкости

Способ получения магнитной жидкости

Реферат

Изобретение относится к области получения магнитных жидкостей.

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 наночастиц магнетита.

2. Стабилизация наночастиц магнетита 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 [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; Черкасова О.Г., Петров В.И., Руденко Б.А. Рентгеноконтрастная ферромагнитная жидкость. - Формация. - 1986. - т.35, №3, - С.31-34; Физические свойства магнитных жидкостей. - Сб. статей. - Свердловск, УНЦ АН СССР, 1983. - 128 с.].

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) [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]. 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 магнетита из водной среды и его переход в среду жидкости-носителя.

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, УНЦ АН СССР, 1983. - С.115-120] способ получения магнитной жидкости, в котором синтез феррофазы осуществляется, как в вышеуказанном способе, 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.

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

Наиболее близкий к заявленному способ описан в патенте 1439031 (Великобритания, МПК: H01F 1/36, B05D 7/00, С02В 9/09) и выбран нами за прототип.

Он состоит из следующих стадий.

1. Образование суспензий магнитных частиц коллоидного размера в воде.

2. Покрытие поверхности частиц адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, которое имеет растворимую в воде форму.

3. Нагрев суспензии покрытых стабилизирующим веществом частиц до температуры, достаточной для разложения стабилизирующего вещества и превращения его в форму, нерастворимую в воде.

4. Отделение от суспензии фракции, содержащей покрытые стабилизирующим веществом магнитные частицы. Отделенная фракция диспергируется в любой неводной жидкости, обладающей растворимостью для стабилизирующего вещества в его форме. Полученная магнитная жидкость представляет стабильную коллоидную суспензию магнитных частиц.

В описанном способе для получения высокодисперсных частиц магнетита был использован как источник соли Fe²⁺ травильный раствор сталеплавильного завода, имеющий следующий химический состав, %: Fе_общ - 99,98; Fe²⁺ - 98,07; Мn²⁺ - 0,41; Cr³⁺ - 0,008; Ni²⁺ - 0,015; Cu²⁺ - 0,013; свободная HCl - 30,2. При этом источником соли Fe³⁺ служил тот же травильный раствор, в котором FeCl₃ был получен окислением Fe²⁺ перекисью водорода. Излишек перекиси водорода был удален из раствора кипячением.

Целью настоящего изобретения является получение более дешевых магнитных жидкостей для расширения сферы их применения путем использования в качестве магнетита переосажденного отхода Оленегорского горно-обогатительного комбината (природный магнетит).

Указанная цель достигается тем, что проведение процесса получения магнитной жидкости по предлагаемому способу исключает операцию окисления травильного раствора с целью получения Fe³⁺ перекисью водорода с последующим кипячением раствора для удаления излишка перекиси водорода. Предлагаемый способ предлагает вместо окисления травильного раствора использовать в качестве источников Fe³⁺ и Fe²⁺ имеющийся в больших количествах отход природного магнетита.

Простое (без подогрева) растворение данного отхода в соляной кислоте и переосаждение гидроксидом аммония 28%-ного обеспечит получение наночастиц магнетита.

Экономическая целесообразность предлагаемого способа состоит в следующем.

1. Предлагается использование в качестве сырья отхода производства.

2. Не потребуется затраты на реактивное сырье.

Процесс получения магнитной жидкости состоит из следующих операций.

1. Растворение отхода природного магнетита.

2. Получение суспензии наночастиц магнетита добавлением гидроксида аммония 28%-ного.

3. Покрытие осажденных наночастиц магнетита в водной среде стабилизирующим веществом, образующим в избытке гидроксида аммония аммонийную соль, растворимую в воде.

4. Подогрев суспензии стабилизированных наночастиц магнетита 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.

5. Образование магнитной жидкости при смешении коагулянта с неводными жидкими носителями, которые обладают некоторой растворимостью по отношению к стабилизирующему веществу.

Пример 1.

Отход природного магнетита, состав которого приведен в таблице 1, растворяют в концентрированной соляной кислоте, после фильтрования раствора медленно добавляют 50 см³ 28%-ного гидроксида аммония с одновременным перемешиванием для осаждения частиц магнетита. По результатам рентгеноструктурного анализа установлен размер частиц получаемого магнетита, который составил не более 7 нм. Смесь подогревают до 95°С и добавляют 50 см³ керосина и 5 см³ олеиновой кислоты на 100 см³ суспензии (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 H₂O и температура органической фазы не возрастет до 130°С.

Жидкость охлаждают до комнатной температуры и сливают в мензурку. Добавляют керосин до объема жидкости 55 см³, чем компенсируют потерю керосина во время подогрева. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице 2 - МЖ₁.

Пример 2.

Проводится, как пример 1, но исходными компонентами для получения магнитной феррофазы является травильный раствор и соль FeCl₃·6Н₂О. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице 2 - МЖ₂.

Пример 3.

Проводится, как пример 2, но объемная доля магнетита увеличена в 2 раза. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице 2 - МЖ₃.

Для сравнения в таблице 2 представлены показатели магнитной жидкости из патента Великобритании №1439031 (пример 4) - МЖ₄. Магнитная феррофаза получена осаждением избытка из смеси солей FeCl₃·6Н₂О и FeCl₂·4Н₂О избытком гидроксида аммония.

Пример 5.

Магнитная жидкость получена по примеру 1 патента Великобритании №1439031. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице 2 - МЖ₅.

Таблица 1
Химический состав отхода Оленегорского горно-обогатительного комбината
Компонент	Содержание	Компонент	Содержание
Feобщее	65,6%	Al2O3 макс	0,40%
FeO	26,7%	Sмакс	0,15%
Fe2O3	63,4%	P2O5 макс	0,025%
МnОмакс	0,11%	SiO2 макс	7,75%
CaOмакс	0,60%	Na2Oмакс	0,063%
MgOмакс	0,8%	K2Oмакс	0,063%

Таблица 2
Показатели магнитных жидкостей
Показатели	Магнитная жидкость
МЖ1	МЖ2	МЖ3	МЖ4	МЖ5
Объемная доля магнетита, %	5,30	4,29	10,0	-	4,06
Плотность, кг/м3	960	972	1200	950	963
Вязкость, Па·с·103	3,416	3,334	7,8	-	3,065
Намагниченность насыщения, кА/м	12,73	12,15	25,0	10,09	11,17

Способ получения магнитной жидкости, включающий образование суспензии наночастиц магнетита, покрытие поверхности наночастиц магнетита адсорбированным слоем олеиновой кислоты в качестве стабилизирующего вещества, подогрев суспензии наночастиц магнетита с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества, отделение от суспензии фракции, содержащей стабилизированные магнитные частицы в керосине в качестве жидкости-носителя, отличающийся тем, что в качестве источника двух- и трехвалентного железа для получения суспензии наночастиц магнетита используют природный магнетит следующего химического состава: Fe_oбщee=65,6%, FeO=26,7%, F₂O₃=63,4, МnO_макс=0,11%, СаO_макс=0,60%, MgO_макс=0,8%, Аl₂О_3макс=0,40%, S_макс=0,15%, Р₂O_5макс=0,025%, SiO_2макс=7,75%, Na₂O_макс=0,063%, К₂О_макс=0,063%, предварительно растворенный в соляной кислоте и переосажденный 28%-ным гидроксидом аммония.