Магнітна сепарація наночастинок в ліпідних оболонках за фракціями (стр. 5 )

Моделюванням підтверджено, що в системі, розрахованій за розробленою методикою, напруженість магнітного поля в робочому проміжку становить Н0=1∙106 А/м; намагніченість стрижнів Мrod=2∙106 А/м. Таким чином, напруженість поля в сепараційних каналах достатня для намагнічування наночастинок магнетиту до насиченого стану; градієнт напруженості магнітного поля достатній для захоплення заданої фракції.

При побудові траєкторій частинок розглянуто випадок, коли каналом рухаються одночасно дві частинки. Перша, більш велика (d11 = 61 нм), рухається в безпосередній близькості від зовнішньої стінки каналу, на відстані 1,0 мм від осі стрижня. Якщо зазначена частинка під дією магнітної сили змінить траєкторію і буде захоплена на поверхні феромагнітної частини стрижня, то і всі інші частинки даної фракції (61…100 нм), розташовані в різних точках каналу, також будуть захоплені магнітним полем стрижня.

Друга наночастинка, більш дрібна (d12 = 50 нм), рухається в безпосередній близькості від поверхні стрижня, на відстані 0,45 мм від його осі. Якщо дана частинка, внаслідок меншого значення магнітного моменту, не буде захоплена магнітним полем на поверхні стрижня, то й інші частинки зазначеної фракції, а також більш дрібні й ті, що знаходяться в різних точках каналу, також не будуть вилучені з потоку.

Траєкторії наночастинок наведені на рис. 8. Як видно, траєкторія наночастинки меншої фракції незначно відхилена магнітним полем матриці. Значення магнітного моменту недостатньо для захоплення зазначеної частинки на поверхні стрижня.

Наночастинка великої фракції, під дією магнітної сили, відхиляється від напрямку потоку і захоплюється на поверхні стрижня. Для інших фракцій наночастинок також проведено моделювання траєкторій, результат якого приведений в табл. 4.

Рисунок 8 – Траєкторії наночастинок в каналі високоградієнтного

магнітного сепаратора

Таблиця 4 – Порівняння даних, одержаних в результаті чисельного

експерименту і розрахунку за розробленою методикою

Діаметр наночастинок d1, нм	Радіус стрижня a, мм	Відстань від початку феромагнітної частини стрижня до точки захоплення частинки, мм	Похибка, %
розрахунок	моделювання
40	0,137	24,84	23,22	2,6
61	0,329	21,04	21,95	1,5

Невідповідність результатів моделювання і розрахунку за розробленою методикою становить менше 3 % і пояснюється впливом сили дифузії.

У цілому спостерігається відповідність результатів чисельного експерименту і розрахунків за розробленими методиками, а невеликий розкид результатів (менше 5 %) знаходиться в прийнятному діапазоні.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі одержаних теоретичних і прикладних результатів обґрунтована і вирішена актуальна наукова задача магнітної сепарації наночастинок в ліпідних оболонках за фракціями шляхом розробки сепаратора з магнітною системою Фарадея, призначеного для виділення з вихідного препарату наночастинок розміром 20...80 нм, та системи високоградієнтної магнітної сепарації, призначеної для виділення наночастинок розміром 40...60 нм. Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволяють сформулювати такі висновки:

1. Аналіз існуючих магнітних сепараційних систем, які працюють зі слабкомагнітними, парамагнітними мікро - і нанорозмірними матеріалами, показав відсутність обладнання та методів, що дозволяють розділяти фракції наночастинок. Існуюча технологія ультрацентрифугування низькопродуктивна і вимагає високовартісного устаткування.

2. Показано, що для поділу фракцій наночастинок найбільш прийнятною є технологія високоградієнтної магнітної сепарації, а також технологія сепарації з використанням магнітної системи Фарадея.

3. Встановлено, що магнітне розділення фракцій нанопрепарату найбільш ефективне, коли наночастинки намагнічені до насиченого стану. У цьому випадку значення магнітного моменту однодоменних і багатодоменних частинок пропорційно розміру їх магнітного ядра. Значення напруженості магнітного поля, яке достатнє для магнітного насичення наночастинок, становить 400 кА/м. Значення магнітного моменту практично не змінюється при зміні напруженості зовнішнього поля в діапазоні 400...1000 кА/м.

4. Доведено, що на наночастинку в потоці рідини при накладенні високоградієнтного магнітного поля найбільший вплив мають гідродинамічна сила і сила цього поля. Іншими силами можна знехтувати, тому що їх дія незначна і не вплине на результати сепарації.

5. Обґрунтовано вимоги до магнітної системі Фарадея, призначеної для сепарації наночастинок за фракціями, які полягають у наступному: в області розміщення сепараційного каналу значення напруженості магнітного поля має бути достатнім для намагнічування наночастинок до насиченого стану; градієнт напруженості повинен бути однорідним і спрямованим перпендикулярно напрямку потоку продукту, який сепарується.

6. Встановлено, що найбільша область однорідного градієнта в робочому проміжку магнітної системи Фарадея спостерігається при наступних геометричних параметрах полюсів: відношення висоти полюсів до відстані між ними h/w = 10; кут розкриття полюсів α = 52,5о. Зазначена область знаходиться в центральній частині робочого проміжку і займає 3/5 висоти полюсів.

7. Розроблено метод, що дозволяє визначити геометричні параметри сепараційного каналу сепаратора наночастинок із магнітною системою Фарадея.

8. Розроблено методику визначення основних параметрів сепаратора наночастинок з магнітною системою Фарадея. Чисельним моделюванням підтверджено, що отримані в результаті розрахунків параметри сепаратора прийнятні для технічної реалізації.

9. Одержано рівняння руху наночастинок у потоці рідини в магнітному полі намагніченого стрижня матриці високоградієнтного сепаратора. На їх основі розроблено метод визначення геометричних параметрів феромагнітного стрижня матриці, який, будучи розміщеним в робочому проміжку магнітної системи, при заданій швидкості потоку буде захоплювати на своїй поверхні наночастинки заданої фракції.

10. Розроблено метод визначення границі області вилучення заданої фракції наночастинок з потоку рідини намагніченим стрижнем матриці з осьовою конфігурацією, що дозволило розробити конструкцію сепараційного каналу ВГМС. Поперечний переріз каналу відповідає границі області вилучення заданої фракції. Отримані параметри каналу дозволяють визначити продуктивність системи.

11. Розроблено метод визначення границі області захоплення наночастинок заданої фракції на поверхні стрижня матриці ВГМС з осьової конфігурацією, який дозволяє визначити обсяг захоплених наночастинок.

12. На підставі розроблених методів визначення границь областей вилучення і захоплення заданої фракції наночастинок розроблена методика розрахунку параметрів системи високоградієнтної магнітної сепарації за фракціями.

13. Чисельні експерименти побудови траєкторій наночастинок в сепараційних каналах сепараторів підтвердили, що розроблені методи визначення параметрів сепараційних систем дозволяють створити магнітні сепаратори, які розділяють фракції наночастинок. Моделювання траєкторій наночастинок у каналах сепараторів з магнітною системою Фарадея та високоградієнтного сепаратора показало розбіжність результатів, одержаних шляхом моделювання і розрахованих за розробленими методиками, відповідно 2,5 і 1,5…2,6 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у журналах України, занесених до міжнародних наукометричних

баз даних

1. Волканин Е. Е. Разработка метода определения геометрических параметров элемента матрицы высокоградиентного сепаратора наночастиц / М. В. Загирняк, Е. Е. Волканин // Техническая электродинамика. – К. : Институт электродинамики
Национальной академии наук Украины, 2014. – № 6. – C. 24–29. (Sсopus, Compendex, Index Copernicus, Elibrary, Ebsco, Proquest, ВІНІТІ РАН)

2. Волканин Е. Е. Электротехническая система с составными стержнями для высокоградиентной магнитной сепарации / И. П. Кондратенко, А. В. Некрасов, Е. Е. Волканин // Електротехніка і електромеханіка. – 2012. – № 2. – С. 38–41.
(ВІНІТІ РАН)

3. Волканін Є. Є. Розробка методу розрахунку системи високоградієнтної
магнітної сепарації наночастинок / В. П. Ляшенко, Є. Є. Волканін // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. – 2013. – Вип. 2/2013 (22), част. 2. – С. 58–62. (Ulrich’s Periodicals Directory)

4. Волканін Є. Є. Магнітна система з постійним градієнтом для сепарації
наночастинок за фракціями / Є. Є. Волканін // Вісник НТУ "ХПІ". – 2013. – № 15 (988). – С. 122–130. (Ulrich’s Periodicals Directory)

5. Волканин Е. Е. Определение баланса сил, действующих на наочастицу в
электротехнической системе магнитной сепарации / Е. Е. Волканин, А. В. Некрасов, А. П. Оксанич, В. П. Ляшенко // Електротехніка і електромеханіка. – 2014. – № 2. – С. 28–31. (Ulrich’s Periodicals Directory, Index Copernicus, СiteFactor, Elibrary,
ВІНІТІ РАН)

Статті у провідних закордонних виданнях

6. Волканин Е. Е. Сепарация наночастиц по фракциям с использованием
магнитной системы Фарадея / М. В. Загирняк, Е. Е. Волканин // Известия вузов.
Электромеханика. – 2014. – № 4’2014. – С. 30–34.

Статті у провідних фахових виданнях України

7. Волканін Є. Є. Магнітні наночастинки: методи отримання, властивості, магнітна сепарація та використання в біомедицині / Є. Є. Волканін // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. – 2008. – Вип. 6/2008 (53), част. 2. – С. 49–53.