УДК 004.418

Моделирование поведения магнитных наночастиц в жидкой среде с целью разработки технологии очистки загрязненных нефтью сточных вод

Modeling of behavior magnetic nanoparticles in liquid for the purpose development technology cleaning oil-polluted wastewater

А. А. Лютоев,
Ю. Г. Смирнов

A. A. Lyutoev,
Yu. G. Smirnov

Ухтинский государственный

технический университет, г. Ухта

Ukhta State

Technical University, Ukhta

В статье представлены результаты моделирования магнитных свойств наночастиц. Также в работе приведена технологическая схема, определяющая принцип работы очистительного сооружения.

The article presents the results of the modeling magnetic properties of nanoparticles. Also shown in the work technological scheme defining the principle of the cleaning plants.

Ключевые слова: магнитные наночастицы, суперпарамагнетизм, магнетит, маггемит, однодоменность.

Keywords: magnetic nanoparticles, superparamagnetism, magnetite, maghemite, single-domain.

Введение

Очистка от нефтяных загрязнений может быть осуществлена с использованием магнитных наночастиц [2]. Нефть, загрязняющая воду, фактически представляет собой эмульсию типа нефть в воде. Согласно экспериментальным исследованиям эмульсионные оболочки отличаются повышенной адсорбирующей способностью ферромагнитных наночастиц. При этом эмульсионные капли нефти приобретают магнитный момент во внешнем магнитном поле. Для этой цели используем наночастицы оксидов железа: Fe3O4 (магнетит) и γ-Fe2O3 (маггемит).

Теоретическое обоснование выбора наночастиц оксидов железа

Чтобы представить пригодность использования частицы для данной технологии, необходимо рассчитать и исследовать их магнитное поведение. Магнитные свойства зависят от многих факторов: размера частицы, кристаллографической анизотропии, напряженности применяемого магнитного поля, температуры и т. д. Необходимо рассчитать оптимальный размер частицы, чтобы, с одной стороны, они не коагулировали на дно сосуда, и их можно было бы многократно использовать, с другой стороны, имели хороший магнитный ответ на внешнее неоднородное магнитное поле. Для этой цели наиболее подходящими оказались наночастицы оксидов железа, обладающих суперпарамагнитными свойствами. Суперпарамагнетизм проявляется как выход в насыщение кривой намагничивания при сравнительно небольшой величине магнитного поля (~1 кЭ) [1]. В этом случае так же можно наблюдать безгистерезисную кривую намагничивания, что позволяет мгновенно управлять магнитной наночастицей, используя неоднородное внешнее магнитное поле.

Чтобы определить размер частицы, при которых у нее проявляются суперпарамагнитные свойства, можно воспользоваться законом Нееля:

                    (1)

Формула (1) справедлива при σ ≥ 2, где τ0 связано со временем затухания ларморовой прецессии, зависит от σ и имеет величину порядка 10-9c., постоянная Больцмана. Моделирование показало, что для частиц Fe3О4 (рис. 1 и таблица 1) диаметром 26 нм при Т = 300 К время релаксации составляет с.


Рисунок 1. Зависимость времени релаксации от размера частицы.

Таблица 1. Время релаксации.

Размер наночастицы (нм)

23

24

25

26

27

Время релаксации (с)

0.0054

0.0508

0.5851

8.3149

147.116

При уменьшении размеров частиц до 24 нм с. Таким образом частицы диаметром 24 нм и меньше при комнатной температуре будут достигать теплового равновесия мгновенно, следовательно у них можно обнаружить суперпарамагнитные свойства.

На рис.2 кривые намагничивания, построенные по закону Ланжевена, показывали сильное влияние размера частиц магнетита. По графику видно, что возрастание намагниченности происходит до определенного предела. При дальнейшем увеличении напряженности увеличение намагниченности не наблюдается. Для частиц размером 10 нм и 15 нм выход намагниченности в насыщение происходит при значениях напряженности поля около 100 кА/м, чего не наблюдается для частиц диаметром 5 нм.


Рисунок 2. Зависимость намагниченности частицы от напряженности H.

Для частиц размером меньше 6 нм магнитный момент становится очень маленьким, а сама наночастица слабо реагирует на внешнее неоднородное магнитное поле, поэтому частицы с такими размерами мы не исследуем в дальнейшей работе. Оптимальный размер наночастиц магнетита, следовательно, можно определить в диапазоне 6 – 24 нм.

Таким образом, результаты исследований показали перспективность предлагаемой методики очистки воды. Может быть предложена следующая технологическая схема очистки.

Описание технологической схемы очистки.

На рисунке 3 представлена технологическая схема очистки сточных вод от нефтезагрязняющих примесей. Загрязненная вода подается в песколовку 1, в которой отделяются крупные взвешенные вещества. В этот момент клапаны 4 находятся в закрытом состоянии. Далее вода поступает в смеситель 2. В это же время происходит загрузка и дальнейшее смешивание суперпарамагнитных частиц в воде. После достаточного смешивания открываются клапаны 4 и включаются электромагниты 3. При течении по каналу до разветвления на первичный и вторичный канал (см. выносной рисунок) магнитное поле включенного соленоида легко справляется с вязкой силой, препятствующей движению частицы. Это происходит потому, что в узком канале будет наблюдаться ламинарное течение жидкости. Нефтяные эмульсии вместе с суперпарамагнитными частицами по вторичному каналу поступают в площадку 6. В этой площадке в присутствии внешнего неоднородного магнитного поля частицы будут экстрагированы ко дну. После чего из первичного и вторичного канала вода поступает в резервуар 7. На дне этого резервуара расположен соленоид, который отделяет остаток «проскочивших» частиц с примесями в особую секцию, откуда происходит первичный захват жидкости при промывке. После того как резервуар 7 будет заполнен, а 2 опустошен, клапаны 5 открываются, 4 закрываются и соленоиды выключаются, происходит процесс промывки площадки 6 и 9. В это же время происходит заполнения резервуара 2. Частицы примеси из резервуара 6 обрабатываются, от них отделяются суперпарамагнитные частицы, которые далее поступают в смеситель 2. Цикл повторяется.


Рисунок 3. Технологическая схема очистки промысловых вод.

1 – песколовка; 2 – смеситель; 3 – солено ид; 4 – открытый клапан во время процесса очистки (закрывается при промывке); 5 – закрытый клапан во время процесса очистки (открывается при промывке); 6 – площадка для задержки магнитных наночастиц; 7 – резервуар с чистой водой; 8 – промывной насос; 9 – песочно-иловые площадки; 10 – обработка и загрузка суперпарамагнитных наночастиц

Результаты

У наночастиц оксидов железа есть ряд преимуществ перед наночастицами Fe, в частности, у них наблюдается проявление суперпарамагнитных свойств при комнатной температуре. Еще одно положительное свойство заключается в том, что частицы оксидов железа более стабильны к окислению в сравнении с частицами Fe, поэтому они долго не меняют магнитных характеристик. Именно эти частицы обнаруживаются в промысловых жидкостях, извлекаемых из буровых скважин, и именно их предполагается использовать для очистки промысловых вод от различных, в том числе, нефтяных загрязнений [2]. В результате обзора научной литературы и математического моделирования был выявлен ряд преимуществ использования магниитных наночастиц оксидов железа для решения поставленной задачи и выполнены необходимые расчеты:

Во-первых, указанные частицы обладают большой намагниченностью насыщения и большим магнитным моментом, по сравнению с обычными парамагнетиками, поэтому требуется относительно небольшое магнитное поле, ≈100 кА/м чтобы намагниченность частиц вышла в насыщение.

Во-вторых, были рассчитаны оптимальные размеры частиц, когда у них проявляются суперпарамагнитные свойства. Эти значения были определены в диапазоне от 6 до 24 нм. Методика получения частиц с такими размерами была также определена.

Коллоидный магнетит может быть получен путем гидролиза смеси хлоридов железа (II) и (III) в соотношении минимум 1 к 2, с помощью раствора гидроксида аммония. После чего готовятся стабильные золи в щелочной среде – при помощи гидроксида тетраметиламмония, и в кислой – после воздействия разбавленным раствором хлорной кислоты. Реакцию образования магнетита можно записать так:

FeCl2 + 2FeCl3 + 8NH3.H2O → Fe3O4 + 8NH4Cl + 4H2O

Изменяя концентрацию реакционной смеси от 0,0125 М до 1 М за короткое время гидролиза (2-10 мин.) после добавления основания, получаются сферические наночастицы размерами в диапазоне 4 – 43 нм [3].

В-третьих, суперпарамагнитные свойства частиц сохраняются в очень широком диапазоне температур, которые полностью соответствуют рабочим условиям.

Библиографический список

  1. Губин С. П., Кокшаров Ю. А., Хомутов Г. Б., Юрков Г. Ю. Магнитные наночастицы: методы получения, строения и свойств а // Успехи химии, 2005. №72 (6) – С.539–573.
  2. Баткин И. С., Смирнов Ю. Г. Моделирование воздействия суперпарамагнитных частиц на промысловые эмульсии // Физико-математическое моделирование систем: Матер. VII международного семинара. Воронеж, 26-27 ноября 2010г., Воронеж: ВГТУ, 2011, ч.2. – С.155–162.
  3. Massart R. Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media // IEEE Trans. Magn., 1981, Mag-17, 2. P. 1247–1248.

 

Статья поступила в редакцию: 29.04.2012

VN:F [1.9.17_1161]
Rating: 6.7/10 (3 votes cast)
VN:F [1.9.17_1161]
Rating: 0 (from 0 votes)
VN:F [1.9.17_1161]
Стиль изложения
Информативность
Сложность вопроса
Научная новизна
Коммерциализуемость
Rating: 0.0/5 (0 votes cast)
Моделирование поведения магнитных наночастиц в жидкой среде с целью разработки технологии очистки загрязненных нефтью сточных вод, 6.7 out of 10 based on 3 ratings