Способ получения магнитной жидкости

Изобретение относится к области получения жидких намагничивающихся сред на различных основах с частицами магнетита или ферритов и может быть использовано в уплотнительных устройствах, в дефектоскопии, в приборах контроля, при разделении немагнитных материалов по плотности. Способ получения магнитной жидкости включает осаждение частиц магнетита путем смешения водного раствора двухвалентного железа с щелочным раствором перекиси водорода, стабилизацию и пептизацию полученных частиц магнетита в дисперсионной среде. Осаждение частиц магнетита проводят в процессе распыления раствора двухвалентного железа в щелочном растворе перекиси водорода, причем для приготовления щелочного раствора перекиси водорода используют 5-10% раствор аммиака, в котором содержание перекиси водорода составляет 0,3-0,4 моля Н₂O₂/моль FeSO₄. Кроме того, стабилизацию частиц магнетита и пептизацию его в дисперсионной среде проводят при комнатной температуре, причем сначала проводят стабилизацию частиц магнетита, затем диспергирование стабилизированных частиц в углеводородном растворителе, после чего осуществляют нагрев реакционной смеси, оставшейся после декантации маточного раствора. Изобретение обеспечивает получение жидкости, устойчивой в градиентном магнитном поле и пригодной для процессов разделения немагнитных материалов по плотности. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области получения жидких намагничивающихся сред на различных основах с частицами магнетита или ферритов и может быть использовано в уплотнительных устройствах, в дефектоскопии, в приборах контроля, при разделении немагнитных материалов по плотности и т.д.

Известен способ получения феррожидкости (а.с. СССР №568598, МКИ С01G 49/08, опубл. 15.08.1977 г.), включающий осаждение высокодисперсных частиц магнетита из раствора солей двух- и трехвалентного железа раствором аммиака с последующей промывкой осадка и пептизацией его при нагревании в растворе олеиновой кислоты в жидкости-носителе.

Общими признаками известного и предлагаемого способов являются смешение водного раствора, содержащего ионы железа со щелочью, в качестве которой используется раствор аммиака, последующая стабилизация и пептизация полученных после осаждения частиц магнетита в дисперсионной среде.

Недостатками известного способа являются:

- наличие в полученной магнитной жидкости значительного количества крупных частиц, что подтверждается центрифугированием синтезированных образцов магнитной жидкости;

- сложность методики получения, связанная с многократной промывкой осадка магнетита;

- использование хлорного железа в качестве трехвалентного, растворы которого обладают высокой коррозионностью, а сам реактив требуемого качества приобретается, как правило, за рубежом;

- высокие энергетические затраты на нагрев суспензии магнетита до 90°С перед введением раствора стабилизатора в дисперсионной среде.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения магнитной жидкости (а.с. СССР №649657, МКИ C01G 49/08, опубл. 28.02.1979 г.), включающий использование для осаждения частиц магнетита водный раствор солей двух- и трехвалентного железа и раствор аммиака, стабилизацию и диспергирование полученных частиц магнетита в дисперсионной среде.

Общими признаками известного и предлагаемого способов являются смешение водного раствора, содержащего ионы железа с щелочным раствором, последующая стабилизация и диспергирование полученных частиц магнетита в дисперсионной среде.

Недостатками известного способа являются:

- широкое распределение частиц магнетита по размерам, что приводит к наличию крупных частиц, требующих своего удаления из жидкости перед использованием образцов в процессах разделения немагнитных материалов по плотности;

- использование в процессе получения магнитной жидкости высококоррозионных растворов хлорного железа;

- высокие энергетические затраты на нагрев реакционной смеси после введения стабилизатора и дисперсионной среды.

Техническая задача заключается в создании способа, обеспечивающего получение магнитной жидкости (МЖ), устойчивой в градиентном магнитном поле и пригодной для использования в процессах разделения немагнитных материалов по плотности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения магнитной жидкости, включающем осаждение частиц магнетита путем смешения водного раствора, содержащего ионы железа, с щелочным раствором, стабилизацию и пептизацию полученных частиц магнетита в дисперсионной среде, для получения частиц магнетита используют раствор двухвалентного железа, который окисляют перекисью водорода в количестве 0,3-0,4 моль Н₂O₂/моль FeSO₄ с одновременным смешением окисленного раствора с 5-10% раствором аммиака, причем осаждение частиц магнетита проводят в процессе распыления раствора соли двухвалентного железа в щелочном растворе перекиси водорода.

Кроме того, стабилизацию частиц магнетита и пептизацию его в дисперсионной среде проводят при комнатной температуре, причем сначала проводят стабилизацию частиц магнетита, затем диспергирование стабилизированных частиц в углеводородном растворителе, после чего осуществляют нагрев реакционной смеси, оставшейся после декантации маточного раствора.

Заявляемая совокупность признаков позволяет получать жидкости, устойчивые в градиентном магнитном поле, т.е. пригодные для процессов разделения немагнитных материалов по плотности.

Предлагаемый способ может быть использован при синтезе МЖ, включающих различные способы осаждения частиц дисперсной фазы, в которых частицы дисперсной фазы стабилизируют различными стабилизаторами и пептизируют в различных дисперсионных средах, обеспечивая получения образцов МЖ, пригодных для процессов разделения немагнитных материалов по плотности.

Предлагаемый способ не требует для своего осуществления сложного или дорогостоящего импортного оборудования и реагентов (например, хлорного железа) для обеспечения высокого качества получаемой МЖ.

Распыление раствора сернокислого железа не только интенсифицирует процесс смешения, но и многократно увеличивает поверхность контакта одной из смешиваемых фаз. Поэтому образование кристаллогидратов при смешении растворов происходит в каждой капле раствора сернокислого железа, что приводит к получению мелких кристаллогидратов, которые более активны и выделение из них кристаллизационной воды начинается уже при комнатной температуре. Это позволяет проводить процесс стабилизации и диспергирования стабилизированных частиц в дисперсионной среде при пониженных температурах, отделять маточный раствор уже при комнатной температуре и снизить энергетические затраты при последующем нагреве реакционной смеси.

Как показали эксперименты, наилучшее смешение двух жидкостей наблюдается, когда они смешиваются в примерно равных объемах. Это привело к необходимости снизить концентрацию щелочи (раствора аммиака до 5-10%).

Что касается перекиси водорода, то механизм окисления двухвалентного железа перекисью не является до конца изученным. На этот процесс может влиять множество трудно учитываемых факторов, что не позволяет заранее предсказать результат - требуемое соотношение H₂O₂/FeSO₄. Экспериментально найдено, что выбранное соотношение 0,3-0,4 моля Н₂O₂/моль FeSO₄ приводит к максимальному выходу магнетита.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Готовят при комнатной температуре исходные растворы: раствор перекиси водорода в аммиачной воде и водный раствор соли двухвалентного железа, который заливают в специальное разбрызгивающее устройство. Затем при интенсивном перемешивании щелочного раствора перекиси водорода в него распыляют раствор FeSO₄. Перемешивание продолжают еще 5 минут, а затем дают возможность осесть образовавшимся частицам магнетита. При приготовлении щелочного раствора перекиси водорода используют 5-10% раствор NH₄ОН, который берут в полуторном избытке по сравнению со стехиометрически необходимым для осаждения сернокислого железа, а перекись водорода в мольном соотношении к FeSO₄, равному 0,3-0,4, оптимальное соотношение 0,33 моль Н₂O₂/моль FeSO₄.

После осаждения частиц магнетита маточный раствор удаляют декантацией, а к оставшейся суспензии при слабом перемешивании добавляют при комнатной температуре стабилизатор, обычно олеиновую кислоту, а затем дисперсионную среду, например керосин. Через некоторое время смесь расслаивается, и водную часть, содержащую, преимущественно, соли, сливают. Оставшуюся смесь постепенно нагревают до 75°С. К этому времени она окончательно расслаивается, что позволяет практически полностью отделить полученный образец МЖ от воды. После чего его дважды промывают дистиллированной водой. Полученный образец МЖ помещают, предварительно измерив плотность, в градиентное поле ФГС- или МГ-сепаратора и выдерживают в нем 0,3-2,0 час. Затем производят выделение шприцом части образца МЖ, находившейся в рабочей зоне сепаратора с минимальными значениями индукции магнитного поля, оставляя в сепараторе другую часть МЖ с осевшими в ней (если они есть) крупными частицами магнетита. Часть образца, освобожденную от крупных частиц, сливают и вновь замеряют ее плотность. Неизменность плотности образца до и после выдерживания его в градиентном магнитном поле свидетельствует о его высокой устойчивости.

Снижение плотности свидетельствует об удалении из него крупных частиц и повторное выдерживание в градиентном магнитном поле образца МЖ после выделения из нее крупных частиц должно подтвердить это.

Пример 1. В 8 л воды растворяют 1376 г FeSO₄×7Н₂О. Одновременно готовят щелочной раствор, добавляя к 6,5 л 10% раствора NH₄OH 1,2 л перекиси водорода (˜30%). Приготовленные растворы быстро смешивают, распыляя раствор FeSO₄ в интенсивно перемешиваемый щелочной (аммиачный) раствор перекиси водорода. Перемешивание продолжают еще 5 минут, а затем дают осесть образовавшимся частицам магнетита. Через час маточный раствор удаляют декантацией, а к оставшейся суспензии добавляют при комнатной температуре 100 мл олеиновой кислоты и после перемешивания в течение 10 минут добавляют 350 мл керосина. Стабилизированные частицы почти полностью переходят в керосин, что позволяет отделить водную фазу.

Еще через 10 минут начинают постепенный нагрев оставшейся смеси до 75°С. К этому моменту эмульсия окончательно расслаивается. Маточный раствор сливают, а полученную магнитную жидкость объемом 510 мл и плотностью 1,53 г/см³ промывают два раза дистиллированной водой, а затем образец помещают в МГ-сепаратор и выдерживают там в течение одного часа. После отделения части образца, находившегося в зоне с минимальными значениями индукции магнитного поля, получено 470 мл МЖ плотностью 1,53 г/см³, что свидетельствует об отсутствии крупных частиц в образце МЖ, т.е. об устойчивости МЖ в градиентном магнитном поле.

Пример 2. Из аналогичных количеств исходных веществ проведен синтез образца МЖ по способу-прототипу. В 10 л дистиллированной воды растворяют 910 г хлорного железа и в таком же количестве воды растворяют 460 г сернокислого железа. После смешения этих растворов полученную смесь быстро вливают при интенсивном перемешивании в 2,5 л аммиачной воды (25%). Смесь продолжают перемешивать еще 5 минут, после чего образовавшиеся частицы магнетита постепенно оседают на дно. Через 1,5 часа маточный раствор удаляют декантацией, а к суспензии магнетита добавляют 120 мл олеиновой кислоты и 350 мл керосина. Полученную реакционную массу перемешивают, нагревают до 80°С и выдерживают при этой температуре 35 мин. Расслоившуюся эмульсию разделяют, удаляя водную фазу, а полученную жидкость объемом 530 мл и плотностью 1,48 г/см³ промывают дважды дистиллированной водой, после чего помещают образец в МГ-сепаратор для поверки устойчивости полученного образца. Выделено 480 мл МЖ плотностью 1,42 г/см³, что свидетельствует о наличии небольшого количества крупных частиц в образце.

Таким образом, предлагаемый способ получения магнитной жидкости в отличие от прототипа позволяет получить МЖ, устойчивую в градиентном магнитном поле, а следовательно, пригодную для использования в процессах разделения немагнитных материалов по плотности. При этом снижаются энергетические затраты при нагреве реакционной смеси после осаждения частиц магнетита. В предлагаемом способе не используются растворы, вызывающие сильную коррозию оборудования.

1. Способ получения магнитной жидкости, включающий осаждение частиц магнетита путем смешения водного раствора, содержащего ионы железа, с щелочным раствором, стабилизацию и пептизацию полученных частиц магнетита в дисперсионной среде, отличающийся тем, что для получения частиц магнетита используют раствор двухвалентного железа, который окисляют перекисью водорода в количестве 0,3-0,4 моль Н₂О₂/моль FeSO₄ с одновременным смешением окисленного раствора с 5-10%-ным раствором аммиака, причем осаждение частиц магнетита проводят в процессе распыления раствора соли двухвалентного железа в щелочном растворе перекиси водорода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стабилизацию частиц магнетита и пептизацию его в дисперсионной среде проводят при комнатной температуре, причем сначала проводят стабилизацию частиц магнетита, затем диспергирование стабилизированных частиц в углеводородном растворителе, после чего осуществляют нагрев оставшейся после декантации маточного раствора реакционной смеси.