Високоградієнтний магнітний сепаратор наночастинок за фракціями

Реферат: Високоградієнтний магнітний сепаратор наночастинок за фракціями складається з магнітної системи, в робочому проміжку якої розташований сепараційний канал з матрицею, стрижні якої розташовані паралельно напряму потоку рідини. В робочому проміжку багатополюсної магнітної системи розташовані сепараційні канали з матрицями, намагніченість полюсів магнітної системи не більша намагніченості, яка потрібна для намагнічування феромагнітних частин стрижнів матриць до насиченого стану, але достатня для намагнічування наночастинок, які рухаються в сепараційних каналах в потоці рідини, до насиченого стану, матриці виконані у вигляді комбінованих паралельних стрижнів, тобто складаються із феромагнітних та немагнітних частин. UA 88449 U (54) ВИСОКОГРАДІЄНТНИЙ МАГНІТНИЙ СЕПАРАТОР НАНОЧАСТИНОК ЗА ФРАКЦІЯМИ UA 88449 U UA 88449 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до галузі електричних апаратів, а саме - до магнітних сепараторів. Призначення корисної моделі - розділення фракцій магнітних наночастинок та видалення надлишків поверхнево-активної речовини. Може бути використана при виготовленні нанопрепарату на основі магнітних наночастинок для застосування у біомедицині. Однією з проблем, що заважає широкому застосуванню магнітних наночастинок, є їх велика розбіжність за розмірами. Магнітні наночастинки різного розміру значно розрізняються значенням магнітного моменту. Цей факт дозволяє здійснити розділення наночастинок за фракціями методами магнітної сепарації. Відомий високоградієнтний магнітний сепаратор [Moeser G.D., Kaitlin A. Roach, William Η. Green, Alan T. Hatton. High-Gradient Magnetic Separation of Coated Magnetic Nanoparticles // American Institute of Chemical Engineers. -2004. - № 50. - С 2835-2848.] призначений для екстракції магнітних наночастинок, зв'язаних з цільовими розчиненими речовинами (органічні забруднювачі води, протеїни, клітинна популяція). Сепаратор складається із двополюсної магнітної системи, в робочому проміжку якої встановлений сепараційний канал з матрицею. Матриця являє собою корозійно стійку сталеву вовну. Індукція в робочому проміжку 0,5Т, щільність упаковки матриці 0,68г/мл, довжина каналу 7см, ефективність видалення наночастинок - 99,8%. Недоліки даного сепаратора: матриця із сталевої вовни захоплює всі фракції магнітних наночастинок. Суттєві ознаки, що збігаються із корисною моделлю, яка заявляється: в робочому проміжку магнітної системи встановлений сепараційний канал з матрицею, матриця виготовлена із феромагнітного матеріалу, для видалення магнітних наночастинок необхідний цикл промивання матриці. Також відомий високоградієнтний магнітний сепаратор [BadescuV., Murariu V., Rotariu О., Rezlescu N. A study of the conditions of maximum filtration efficiency for a HGMF-axial magnetic filter cell with bounded flow field // Magnetic and Electrical Separation. - 1996. - № 8. - С 23-40.] призначений для вилучення магнітних, парамагнітних та слабомагнітних частинок із потоку рідини. Сепаратор складається з двополюсної магнітної системи в робочому проміжку якої встановлений сепараційний канал у вигляді труби із немагнітного матеріалу. Поряд з сепараційним каналом розташована матриця, яка являє собою феромагнітний стрижень. Вісь стрижня і вісь сепараційної труби паралельні. Недоліки даного сепаратора: із потоку рідини вилучаються всі фракції магнітних частинок; сепараційний канал виконаний у вигляді труби, поперечний переріз якої не відповідає області вилучання, внаслідок чого певна кількість магнітних частинок може бути втрачена. У результаті порівняльного аналізу рішення, що заявляється, і прототипу встановлено, що технічне рішення має спільні ознаки: - магнітна система; - в робочому проміжку магнітної системи встановлений сепараційний канал з матрицею; - вісь стрижня матриці паралельна напряму потоку рідини. Дане технічне рішення вибране як прототип корисної моделі, що заявляється. В основу корисної моделі поставлено задачу створити магнітний сепаратор для розділення фракцій наночастинок. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в робочому проміжку багатополюсної магнітної системи розташовані сепараційні канал з матрицями. Намагніченість полюсів магнітної системи не більша намагніченості, яка потрібна для намагнічування феромагнітних частин стрижнів матриць до насиченого стану, але достатня для намагнічування наночастинок, які рухаються в сепараційних каналах в потоці рідини, до насиченого стану. Матриці виконані у вигляді комбінованих паралельних стрижнів, тобто складаються із феромагнітних та немагнітних частин. Феромагнітні частини стрижнів, які вилучають задану фракцію наночастинок, мають чітко визначені геометричні параметри (радіус та довжина). Радіус стрижня матриці для вилучання заданої фракції наночастинок обчислюється за формулою:  0  rodmp   rod     2  1; 3d2 0  0  d2  d1  2, де  0 - магнітна проникність вакууму, Н/м; mр - власний магнітний момент наночастинки a 55 потрібної фракції, А•м ; Mrod - намагніченість стрижня (елемента матриці), А/м; 0 - швидкість руху потоку рідини в сепараційному каналі, м/с; η - динамічна в'язкість розчинника, Па•с; d2 діаметр наночастинки в ліпідній оболонці (гідродинамічний діаметр), м; Н0 - напруженість 2 1 UA 88449 U магнітного поля робочого проміжку, А/м;  - товщина шару поверхнево-активної речовини, м; d1 діаметр магнітного ядра наночастинки, м. Довжина феромагнітної частини стрижня: 5 10   2  3 0 d2a 2   rod 1  ra  2   rod  2 0    1  r 4 ;   rod n a  2 2  4 0mp  rod  0 2 0  rod  2 0r0    ra  r / a , де ra - відносне початкове положення частинки; r - початкова відстань між віссю стрижня та центром наночастинки, м. Поперечний переріз області вилучення одного феромагнітного стрижня отриманий із рівняння: 1 cos 2   1 0, 5 3 2k Fra 2k Fra де  - кут в полярній системі координат, град; kF - коефіцієнт зменшення магнітної сили:  rod   1  1   1. 3 2  2ra  ra  Форма поперечного перерізу сепараційного каналу відповідає області вилучання, яка утворена паралельними стрижнями. Між стрижнями матриці, для усунення неефективного об'єму, розміщений немагнітний конструкційний матеріал відповідної форми. Кожний сепараційний канал з матрицею призначений для вилучання заданої фракції наночастинок. Кількість пар полюсів магнітної системи і кількість розташованих між ними сепараційних каналів з матрицями дорівнює кількості фракцій, на які потрібно розділити вихідний продукт. Сепараційні канали розташовані в послідовності, при якій із вихідного розчину вилучаються спочатку крупна фракція наночастинок, а потім більш дрібна. Кількість стрижнів матриць вибирається таким чином, щоб продуктивність сепараційних каналів була однакова. Технічний результат: кожна з матриць вилучає з потоку вихідного розчину наночастинки заданого розміру. Таким чином відбувається сепарація за фракціями. Корисна модель пояснюється кресленнями, на яких зображено наступне: - на фіг. 1 - високоградієнтний магнітний сепаратор наночастинок, етап вилучення; на якій прийнято позначення: S - південний полюс магнітної системи, N - північний полюс магнітної системи, ПАР - поверхнева активна речовина; 1 - магнітна система, 2 - кран, 3 - сепараційний канал з матрицею для видалення фракції наночастинок з d1 > 70 нм; 4 - сепараційний канал з матрицею для видалення фракції наночастинок з d1 = 50-70 нм; 5 - сепараційний канал з матрицею для видалення фракції наночастинок з d1 -30-50 нм; 6 - сепараційний канал з матрицею для видалення фракції наночастинок з d1= 10-30 нм; - на фіг. 2 - високоградієнтний магнітний сепаратор наночастинок, етап промивання; - на фіг. 3 - поперечний переріз А -А сепараційного каналу з матрицею для видалення фракції наночастинок з d1 > 70 нм, на якій прийнято позначення: 7 - стінка сепараційного каналу; 8 - область вилучання; 9 - немагнітний конструкційний матеріал; 10 - феромагнітна частина комбінованого стрижня матриці; 11 - немагнітна частина комбінованого стрижня матриці; - на фіг. 4 - поперечний переріз Б - Б сепараційного каналу з матрицею для видалення фракції наночастинок з d1 = 50-70 нм; - на фіг. 5 - поперечний переріз В - В сепараційного каналу з матрицею для видалення фракції наночастинок з d1 = 30-50 нм; - на фіг. 6 - поперечний переріз Γ - Γ сепараційного каналу з матрицею для видалення фракції наночастинок з d1 - 10-30 нм; - на фіг. 7 - поперечний переріз Д - Д сепараційного каналу з матрицею для видалення фракції наночастинок з d1 > 70нм, на якій прийнято позначення: 7 - стінка сепараційного каналу; 10 - феромагнітна частина комбінованого стрижня матриці; 11 - немагнітна частина комбінованого стрижня матриці; - на фіг. 8 - поперечний переріз Ε - Ε сепараційного каналу з матрицею для видалення фракції наночастинок з d1 > 70нм, на якій прийнято позначення: 7 - стінка сепараційного каналу; 8 - область вилучання; 9 - немагнітний конструкційний матеріал; а - радіус стрижня матриці;  rod - довжина феромагнітної частини стрижня; Н0 - напруженість магнітного поля робочого проміжку. Високоградієнтний сепаратор наночастинок складається із багатополюсної магнітної системи 1 (фіг. 1). В робочих проміжках магнітної системи розміщені сепараційні канали з kF  15 20 25 30 35 40 45 50 2 UA 88449 U 5 10 15 матрицями 3-6 (фіг. 1). Між сепараційними каналами розміщені крани 2 (фіг. 1). Матриці являють собою паралельні комбіновані стрижні і складаються із феромагнітної 10 (фіг. 3, 7) та немагнітної 11 (фіг. 3, 7) частин. Робота високоградієнтного магнітного сепаратора здійснюється наступним чином. Вихідний розчин (наночастинки різних фракцій та порожні ліпідні оболонки розчинені в рідині розчиннику) перистальтичним насосом прокачується через певну кількість сепараційних каналів з різними матрицями (Фіг. 1). Крани при цьому відкриті таким чином, щоб розчин із одного сепараційного каналу потрапляв в інший. Матриці розміщені в постійному магнітному полі, що генерується магнітною системою. Намагніченість полюсів магнітної системи не більша намагніченості, яка потрібна для намагнічування феромагнітних частин стрижнів матриць до насиченого стану, але достатня для намагнічування наночастинок, які рухаються в сепараційних каналах в потоці рідини, до насиченого стану. Магнітний момент наночастинок, намагнічених до насиченого стану, прямо пропорційний їх розміру. Кожний сепараційний канал з матрицею має різні конструктивні параметри (радіус та довжина стрижнів, їх кількість) і призначений для вилучання із вихідного розчину певної фракції. Стрижні матриць розміщуються перпендикулярно напряму магнітного поля (Фіг. 8). Радіус стрижня матриці для вилучання заданої фракції наночастинок обчислюється за формулою:  0  rodmp   rod     2  1; 3d2  0  0  d2  d1  2, де  0 - магнітна проникність вакууму, Н/м; mр - власний магнітний момент наночастинки a 20 потрібної фракції, А•м ; Мrod - намагніченість стрижня (елемента матриці), А/м; 0 - швидкість руху потоку рідини в сепараційному каналі, м/с; η - динамічна в'язкість розчинника, Па•с; d2 діаметр наночастинки в ліпідній оболонці (гідродинамічний діаметр), м; Н0 - напруженість магнітного поля робочого проміжку, А/м;  - товщина шару поверхнево-активної речовини, м; d1 діаметр магнітного ядра наночастинки, м. Довжина феромагнітної частини стрижня: 2 25 30   2  3 0 d2a 2   rod 1  ra  2   rod  2 0    1  r 4 ;   rod n a  2 2  4 0mp  rod  0 2 0  rod  2 0r0    ra  r / a , де ra - відносне початкове положення частинки; r - початкова відстань між віссю стрижня та центром наночастинки, м. Поперечний переріз області вилучення одного феромагнітного стрижня отриманий із рівняння: 1 cos 2   1 0, 5 3 2k Fra 2k Fra де θ - кут в полярній системі координат, град; kF - коефіцієнт зменшення магнітної сили:  rod   1  1   1. 3 2  2ra  ra   Параметр rа визначає найбільш віддалену точку, з якої буде вилучена магнітна наночастинка заданого розміру. Продуктивність сепараційної системи залежить від прийнятого значення rа (збільшення rа призводить до збільшення площі поперечного перетину каналу та збільшення довжини стрижнів). Для того щоб кутові складові сили магнітного поля поряд розташованих феромагнітних стрижнів не компенсували одна одну, стрижні виконані комбінованими, тобто складаються із феромагнітних і немагнітних частин (Фіг. 7). Форма поперечного перерізу сепараційного каналу відповідає області вилучання, яка утворена паралельними стрижнями. Між стрижнями матриці, для усунення неефективного об'єму, розміщений немагнітний конструкційний матеріал 9 відповідної форми (Фіг. 3, 8). Кожний сепараційний канал з матрицею призначений для вилучання заданої фракції наночастинок. Кількість матриць (а, відповідно, і сепараційних каналів, і пар полюсів магнітної системи) залежить від того, на які фракції потрібно розділити вихідний препарат. Сепараційні канали розташовані в послідовності, при якій із вихідного розчину вилучаються спочатку крупна фракція наночастинок, а потім більш дрібна. Кількість комбінованих стрижнів кожної матриці kF  35 40 45 3 UA 88449 U 5 підбирається так, щоб продуктивність сепараційних каналів була однакова. Після видалення найменших магнітних фракцій в розчині залишаться порожні ліпідні оболонки (надлишок поверхнево-активних речовин) та дрібні наночастинки (