Магнітна сепарація наночастинок в ліпідних оболонках за фракціями (стр. 1 )

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО

ВОЛКАНІН Євген Євгенович

УДК 621.928.8

МАГНІТНА СЕПАРАЦІЯ НАНОЧАСТИНОК

В ЛІПІДНИХ ОБОЛОНКАХ ЗА ФРАКЦІЯМИ

Спеціальність 05.09.01 – Електричні машини й апарати

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кременчук – 2015

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електричних машин та апаратів Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:	кандидат технічних наук, доцент НЕКРАСОВ Андрій Вікторович, Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри електричних машин та апаратів
Офіційні опоненти:	доктор технічних наук, професор МІЛИХ Володимир Іванович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри електричних машин;
	кандидат технічних наук БОНДАРЕВСЬКИЙ Станіслав Львович, ДВНЗ «Криворізький національний університет» Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри електромеханіки

Захист відбудеться «17» вересня 2015 р. о 12 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 45.052.01 Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України за адресою: ауд. 1211, корпус № 1, в, м. Кременчук,
Полтавська обл., 39600.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України (в, м. Кременчук, Полтавська обл., 39600).

Автореферат розісланий «4» серпня 2015 р.

В. о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради

д. т. н., проф. О. П. Чорний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останнє десятиліття нанотехнологія є однією з галузей знань, що найбільш динамічно розвиваються. Ця галузь оперує об'єктами, розмір яких знаходиться в діапазоні 1...100 нм, і характеризується міждисциплінарними теоретичними та практичними науковими розробками.

Застосування нанопрепаратів на основі магнітних наночастинок відкриває нові можливості в медицині при діагностиці та лікуванні низки онкологічних захворювань. Нанопрепарат, що застосовується біомедицині, є колоїдною системою, в якій наночастинки розподілені в біологічно сумісній рідині. Для попередження агрегації і приєднання фармацевтичних агентів наночастинки покривають шаром поверхнево-активної речовини (ПАР). Труднощі створення такого нанопрепарату полягають в отриманні монодисперсної фракції, а також видаленні з колоїду надлишку ПАР (немагнітна фракція). Аналіз існуючих методів розділення фракцій вказує на необхідність пошуку принципово нових науково-технічних рішень, які відрізняються від відомих продуктивністю і простотою. На сьогоднішній день розподіл за розмірами наночастинок здійснюється методом центрифугування. Внаслідок малої різниці мас наночастинок різних фракцій сепарація може тривати до декількох діб. Крім того, для здійснення зазначеного процесу, необхідна наявність високовартісного устаткування – ультрацентрифуг. Більш продуктивним процесом є магнітна сепарація, тому що наночастинки різних розмірів значно різняться за значенням магнітного моменту.

Питанням дослідження магнітної сепарації слабомагнітних мікро і нанорозмірних матеріалів багато уваги приділялося у працях вітчизняних і зарубіжних вчених, таких як Годосов В. В., Губаревич В. М., Загірняк М. В., Кондратенко І. П.,
Мясников Н. Ф., Подольцев А. Д., Смолкін Р. Д., , Andres U., Birss R. R., Bor Fuh C., Cafer T., Drummond B. J., Fujita T., Gerber R., Hatton T. A., Kaitlin A. R., Luborsky F. E., Moeser G. D., Nakatsuka K., Owings C., Shima T., Shimoiizaka J., Svoboda J., Watson J. H.P., William H. G., Zborowski M.

Проте недостатньо дослідженими залишаються питання магнітної сепарації нанорозмірних матеріалів за фракціями. Існуючі системи високоградієнтної магнітної сепарації неможливо застосувати для поділу на фракції наночастинок з наступних причин: матриця механічно затримує немагнітну фракцію; затримується широкий спектр розмірів частинок; деякі типи матриць можуть створювати продукти тертя і забруднювати магнітний матеріал. Системи розсічення тонких потоків здатні розділяти матеріал тільки на дві фракції: магнітну і немагнітну. Системи ферогідростатичної сепарації працюють з нанорозмірними частинками у ліпідних оболонках (магнітна рідина), але застосовують їх як робоче середовище. Для безпосереднього поділу фракцій наночастинок ферогідростатичні сепаратори не призначені. Тому актуальною науковою задачею є магнітна сепарація наночастинок за фракціями, шляхами вирішення якої, як запропоновано в роботі, є розробка системи високоградієнтної магнітної сепарації, а також розробка сепаратора з магнітною системою Фарадея.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, проведених автором протягом 2008–2015 років.

Робота відповідає Закону України "Про пріоритетні напрями інноваційної діяльності в Україні", зокрема, п. 3 статті 4 "Освоєння нових технологій виробництва матеріалів, їх обробки і з'єднання, створення індустрії наноматеріалів та нанотехнологій", і спрямованості тематики науково-дослідних робіт кафедри "Електричні машини та апарати" Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського. Результати роботи згідно з Договором про науково-технічне співробітництво між Кременчуцьким національним університетом імені Михайла Остроградського та Інститутом електродинаміки НАН України від 19.11.2001 р. використані в ІЕД НАН України при виконанні теми "Розробка основ теорії і апаратних засобів для керування рухом і накопиченням магнітних наночастинок в біологічних структурах та сепарації магнітних нанокомпозитів" № ДР 0110U003777, що виконувалась за цільовою комплексною програмою фундаментальних досліджень НАН України "Фундаментальні проблеми наноструктурних систем, наноматеріалів, нанотехнологій", що підтверджується відповідним актом. Матеріали роботи використані при виконанні госпдоговірної НДР "Дослідження процесів магнітної сепарації наночастинок в потоці рідини під дією постійного високоградієнтного магнітного поля" № ДР 0115U001537, в якій автор був відповідальним виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Магнітна сепарація за фракціями наночастинок в ліпідних оболонках, що рухаються в потоці рідини, шляхом створення в робочому проміжку сепараційної системи необхідного високоградієнтного магнітного поля.

Для досягнення мети поставлені та розв’язані такі задачі:

– обґрунтування застосування сепаратора з використанням магнітної системи Фарадея, а також високоградієнтної магнітної сепарації для розділення фракцій наночастинок;

– визначення залежності магнітного моменту наночастинок від їх розміру та визначення сил, діючих на наночастинки, у потоці рідини при накладенні зовнішнього високоградієнтного магнітного поля;

– обґрунтування вимог до конфігурації та співвідношення розмірних, а також магнітних параметрів робочого проміжку магнітної системи Фарадея;

– розробка конструкції сепараційного каналу сепаратора з магнітною системою Фарадея, який розділяє потоки рідини, що містять наночастинки різних фракцій магнітних наночастинок;

– обґрунтування магнітних параметрів робочого проміжку магнітної системи високоградієнтного сепаратора наночастинок;

– розробка конструкції матриці і сепараційного каналу високоградієнтного сепаратора, які призначені для вилучення заданої фракції магнітних наночастинок;

– математичне моделювання траєкторій наночастинок у потоці рідини в робочому об'ємі сепараторів з метою підтвердження основних теоретичних результатів роботи.

Об'єкт дослідження – процеси магнітної сепарації наночастинок під дією постійного магнітного поля в потоці рідини.

Предмет дослідження – взаємозв'язок конструктивних і режимних параметрів магнітних сепараторів з ефективністю поділу фракцій наночастинок.

Методи досліджень. При вирішенні поставлених завдань використовувались фундаментальні положення теорії магнітної сепарації для визначення градієнта напруженості поля навколо стрижня матриці; методи гідродинаміки при обґрунтуванні вибору типу матриці високоградієнтного сепаратора і для визначення конструкції сепараційних каналів; методи апроксимації для отримання рівнянь траєкторії наночастинок; аналітичні, графічні та чисельні методи для розв'язання рівнянь; метод перебору при визначенні параметрів робочого проміжку магнітної системи Фарадея; метод скінчених елементів із використанням сучасних програмних додатків для моделювання магнітного поля в робочому проміжку магнітних систем сепараторів.

Наукова новизна одержаних результатів:

– отримав подальший розвиток метод магнітної сепарації, який, на відміну від існуючих, полягає в тому, що наночастинки намагнічуються до насиченого стану, що дозволяє здійснити їх розділення за фракціями;

– уперше розроблено метод визначення геометричних параметрів сепараційного каналу сепаратора з магнітною системою Фарадея, що дозволяє визначити конструкцію каналу, призначеного для розділення потоків рідини, які містять наночастинки різних фракцій;

– отримав подальший розвиток метод визначення геометричних параметрів феромагнітного стрижня матриці високоградієнтного магнітного сепаратора, розташованого в робочому проміжку магнітної системи, який при заданій швидкості потоку, на відміну від існуючих, враховує магнітний момент наночастинок у ліпідних оболонках, намагнічених до насиченого стану, та розмір їх магнітного ядра, що дозволяє вилучати наночастинки заданої фракції;