Способ получения магнитной жидкости

Изобретение относится к области получения магнитных жидкостей, а также к области синтеза основного компонента магнитной жидкости феррофазы (высокодисперсного магнетита) из отходов травильного и гальванического производства. Техническим результатом изобретения является снижение взрывоопасности производства. Согласно изобретению способ получения магнитной жидкости включает смешение солянокислого раствора осадка гальваношлама и отработанного травильного раствора при соотношении Fe³⁺/Fe²⁺=3:2; получение суспензии магнетита пептизацией смеси растворов добавлением гидроксида натрия 40%-ного, покрытие поверхности частиц магнетита в водной среде адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, подогрев суспензии магнитных частиц с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества, отделение их от водной фазы и смешение с неводной жидкостью-носителем. 1 табл.

 

Изобретение относится к области получения магнитных жидкостей, а также к области синтеза основного компонента магнитной жидкости феррофазы (высокодисперсного магнетита) из отходов травильного и гальванического производства. Магнитная жидкость - устойчивая коллоидная система высокодисперсных частиц магнитного материала (ферро- или ферримагнитных веществ), стабилизированного поверхностно-активными веществами в жидкости-носителе, которая способна взаимодействовать с магнитным полем и во многих отношениях ведет себя как однородная жидкость.

Магнитные жидкости, благодаря необычному сочетанию свойств магнетиков, жидкостей и коллоидных растворов, являются перспективным материалом и могли бы найти применение в различных областях техники: при создании магнитно-жидкостных уплотнений в химической промышленности, в качестве магнитных смазок, в процессах магнитного обогащения немагнитных материалов, в биологии и медицине. Но их широкое применение ограничивается высокой стоимостью.

Получение магнитных жидкостей состоит из двух основных операций.

1. Получение высокодисперсных частиц магнетика.

2. Стабилизация частиц магнетика в жидкости-носителе с использованием диспергирующего вещества, предотвращающего агрегирование частиц магнетика в жидкости-носителе и обеспечивающего устойчивость магнитной жидкости.

Известен способ получения магнитной жидкости. Первоначально в качестве феррофазы при получении магнитной жидкости использовали материалы, обладающие более высокими магнитными свойствами - высокодисперсное металлическое железо, кобальт, мягкие магнитные сплавы типа пермендюр [Матусевич Н.П., Рахуба В.К. Получение магнитных жидкостей методом пептизации. - В кн.: Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей - тезисы докладов Всесоюзного симпозиума. Саласпилс, ин-т АН Латвийской ССР, 1980. - С.21-28]. Однако при использовании чистых металлов возникает ряд технологических трудностей, связанных как с получением высокодисперсных частиц и их защитой от окисления, так и с их стабилизацией с последующим диспергированием в жидкости-носителе. Поэтому наряду с металлами в качестве феррофазы все чаще используется магнетит (окид-закись железа), который хотя и уступает металлам по магнитным характеристикам, но благодаря простоте получения высокодисперсных частиц, хорошей адсорбционной способности и химической устойчивости позволяет получать магнитные жидкости, которые превосходят по магнитным параметрам магнитные жидкости на металлах.

Известен также [Ахалая М.Г., Кокиашвили М.С., Берия В.П. Перспективы применения магнитных жидкостей в биологии и медицине. - В кн.: Физические свойства магнитных жидкостей: - Сб. статей. - Свердловск, УНУ АН СССР, 1983. - С.115-120] способ получения магнитной жидкости, в котором осаждение частиц магнетита из водных растворов солей Fe²⁺ и Fe³⁺ осуществляется избытком щелочи, затем производится удаление воды из осадка последовательной промывкой его ацетоном, толуолом. Для. получения магнитной жидкости в требуемой жидкости-носителе толуол сливают с осадка магнетита, влажный осадок переносят в фарфоровую ступку, добавляют к нему стабилизатор - олеиновую кислоту. Из полученной смеси толуол выпаривают нагреванием до 90-110°С при непрерывном растирании осадка. После испарения толуола смесь продолжают тщательно растирать при той же температуре. Полученную массу переносят с помощью требуемого количества дисперсионной среды в мельницу и гомогенизируют в стальной мельнице на ¹/₂ заполненной стальными шарами. Нужная степень пептизации достигается за 6-12 ч.

Известен также способ получения магнитной жидкости [Патент 1439031, Великобритания, МПК Н01F 1/36, В05D 7/00, С02В 9/09], в котором для получения высокодисперсных частиц магнетита был использован как источник соли Fe²⁺ травильный раствор сталеплавильного завода, имеющий следующий химический состав, %: Fe_общ 99,98; Fe²⁺ 98,07; Mn²⁺ 0,41; Cr³⁺ 0,008; Ni²⁺ 0,015; Сu²⁺ 0,013; свободная HCI 30,2. При этом источником соли Fe³⁺ служил тот же травильный раствор, в котором FеСl₃ был получен окислением Fe²⁺ перекисью водорода. Осаждение магнетита осуществлялось добавлением гидроксида аммония.

Известен способ получения магнитной жидкости, включающий образование суспензии магнетита путем соосаждения из растворов ионов двух- и трехвалентного железа добавлением гидроксида аммония 28%-ного, покрытие поверхности частиц магнетита адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, отделение от суспензии фракции, содержащей стабилизированные магнитные частицы в жидкости-носителе, а в качестве источника трехвалентного железа для получения магнитной феррофазы используется солянокислый раствор осадка-отхода очистки сточных вод гальванических цехов [Патент РФ №2182382, Бюл. №13, 2002; МПК Н01F 1/36].

Описанные способы получения магнитной жидкости отличаются трудоемкостью и длительностью процессов, а также применением взрывоопасной щелочи.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения магнитной жидкости, выбранный нами за прототип [патент РФ №2193251, Бюл. №32, 2002, МПК Н01F 1/28].

Он состоит из следующих стадий: смешение в требуемом соотношении (Fe³⁺/Fe²⁺=3:2) солянокислого раствора осадка - гальваношлама и отработанного травильного раствора; получение суспензии магнитных частиц оксидов Fe²⁺ и Fe³⁺ коллоидного размера пептизацией смеси растворов добавлением гидроксида аммония 28%-ного; покрытие осажденных частиц оксидов Fe²⁺ и Fe³⁺ в водной среде стабилизирующим веществом, образующим в избытке гидроксида аммония аммонийную соль, растворимую в воде; подогрев суспензии стабилизированных частиц для преобразования стабилизирующего вещества (разложение его аммонийной соли с образованием аммиачного газа) и превращение в нерастворимую в воде форму и отделение их от водной фазы; образование магнитной жидкости при смешении коагулянта с неводной жидкостью-носителем, которая обладает некоторой растворимостью по отношению к стабилизирующему веществу.

Получение магнитной жидкости по описанному способу связано с взрывоопасной щелочью.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование способа получения магнитных жидкостей путем замены NH₄OH на NaOH для исключения выбросов паров аммиака в атмосферу и снижения взрывоопасности производства.

Поставленная задача решается следующим образом: смешение в требуемом соотношении (Fe³⁺/Fe²⁺=3:2) солянокислого раствора осадка - гальваношлама и отработанного травильного раствора; получение суспензии магнетита из оксидов Fe²⁺ и Fe³⁺ коллоидного размера пептизацией смеси растворов добавлением гидроксида натрия 40%-ного с соосаждением оксидов двух- и трехвалентного железа и их взаимодействием; покрытие осажденных частиц магнетита в водной среде стабилизирующим веществом, подогрев суспензии стабилизированных частиц и превращение в нерастворимую в воде форму и отделение их от водной фазы; образование магнитной жидкости при смешении коагулянта с неводной жидкостью-носителем, которая обладает некоторой растворимостью по отношению к стабилизирующему веществу.

Способ получения магнитной жидкости иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Осадок-отход после очистки сточных вод гальванического производства, высушенный при 105°С в течение 1 ч с влажностью 6,6%; содержание основного вещества (Fе₂О₃) 67,9%; содержание нерастворимого в HCI остатка 0,7%; рН водной вытяжки 6,6; содержание водорастворимых солей 3,55%, растворяют в концентрированной соляной кислоте; после фильтрования раствора его смешивают с отработанным травильным раствором, содержащим ионы Fe ³⁺и 0,06 моля Fe²⁺, затем медленно добавляют 50 см³ гидроксида натрия 40%-ного с одновременным перемешиванием для соосаждения оксидов двух- и трехвалентного железа. Смесь подогревают до 95°С и добавляют 50 см³ керосина и 5 см³ олеиновой кислоты (при интенсивном перемешивании). Затем продолжают подогрев, и происходит отчетливое разделение водной и органической фаз. Водную фазу удаляют с помощью пипетки. Этим уменьшают время подогрева. Подогрев продолжают до тех пор, пока не истощится вода и температура органической фазы на возрастет до 130°С.

Жидкость охлаждают до комнатной температуры и сливают в мензурку. Добавляют керосин до объема 55 см³, чем компенсируют потерю керосина во время подогрева. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице (МЖ₁).

Пример 2.

Проводится, как пример 2, но объемная доля магнетита увеличена в 2 раза. Свойства полученной магнитной жидкости представлены в таблице (МЖ₂).

Пример 3.

Магнитная жидкость, полученная по примеру 1 патента РФ №2193251, Бюл. №32, 2002, МПК Н01F 1/28 (МЖ₃).

Для сравнения в таблице представлены показатели магнитной жидкости из патента Великобритании №1439031 (пример 3) (МЖ₄). Магнитная феррофаза получена осаждением из смеси солей FeCl₂·6H₂O и FeCl₂·4H₂O избытком гидроксида аммония.

Показатели магнитных жидкостей
Показатели	МЖ1	МЖ3	МЖ3	МЖ3
Объемная доля магнетита, %	4,71	9,5	3,08	-
Плотность, кг/м3	986	1180	925	950
Вязкость, Па·с·103	3,380	7,1	2,909	-
Намагниченность насыщения, кА/м	9,50	21,75	4,35	10,09

Способ получения магнитной жидкости, включающий смешение солянокислого раствора осадка гальваношлама, и отработанного травильного раствора при соотношении Fe³⁺/Fe²⁺=3:2, получение суспензии магнетита пептизацией смеси растворов добавлением раствора щелочи, покрытие поверхности частиц магнетита в водной среде адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, подогрев суспензии магнитных частиц с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества, отделение их от водной фазы и смешение с неводной жидкостью-носителем, отличающийся тем, что в качестве раствора щелочи используют гидроксид натрия 40%-ный.