способ получения магнитной жидкости

Формула изобретения

1. Способ получения магнитной жидкости, включающий образование суспензии магнетита путем соосаждения из растворов металлов, покрытие поверхности частиц магнетита адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, подогрев суспензии магнитных частиц с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества, разделение на фракции с извлечением магнитной жидкости, отличающийся тем, что соосаждение из растворов металлов проводят путем парциального окисления солей железа (II) солями меди (II), взятых в соотношении 1:0,6, в качестве стабилизирующего вещества используют смесь олеиновой кислоты и олеата натрия при их соотношении 4:1, и вводят жидкость-носитель после подогрева суспензии магнитных частиц с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что парциальное окисление солей железа (II) солями меди (II) проводят при интенсивном перемешивании при pH 8,0-8,5 и температуре 20-25°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что стабилизирующее вещество берут при соотношении твердая фаза - стабилизирующее вещество, как 1,5:2,0.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделение фаз осуществляют на магнитном сепараторе с дальнейшим отделением воды выпариванием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения магнитной жидкости, применяемой в магнитогидростатических сепараторах для разделения фаз при очистке нефтесодержащих вод и утилизации нефтешламов.

Известен способ (патент Великобритании №1439031), включающий осаждение магнетита с использованием солей железа (II) и железа (III) 25%-ным раствором аммиака и гидроксида калия, где в качестве стабилизатора использовалась олеиновая кислота, а в качестве дисперсионной среды - керосин. Использование дорогостоящего сырья (соли трехвалентного железа не производятся в России) делает экономически не выгодным получение магнетита с целью дальнейшего использования в процессах очистки нефтесодержащих вод и утилизации нефтешламов.

Известен также способ получения магнитной жидкости (патент №1658752), состоящий из осаждения магнетита из водного раствора солей двух- и трехвалентного железа раствором аммиака, отделения осадка магнетита от маточного раствора и пептизации его в растворе олеиновой кислоты в керосине, где в качестве солей железа используют отходы бромного производства (раствор хлорида железа (III)) и металлообрабатывающих производств. Однако отходы производств содержат сопутствующие ионы металлов Mg ²⁺, Cr³⁺, Ni²⁺ , Cu²⁺ и т.п, которые в определенной концентрации (которая не всегда контролируется) являются токсичными, осложняя производственные условия, и, кроме того, способствуют ухудшению магнитных характеристик.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения магнитной жидкости (патент №2193251), включающий образование суспензии магнетита путем соосаждения из растворов ионов двух- и трехвалентного железа, покрытие поверхности частиц магнетита адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, подогрев, отделение от суспензии фракции, содержащей стабилизированные магнитные частицы. В качестве источника трехвалентного железа используют солянокислый раствор осадка-отхода очистки сточных вод гальванических цехов, который также содержит сопутствующие ионы металлов, способствующие в дальнейшем ухудшению магнитных характеристик жидкости. Недостатком является также трудоемкость данного процесса получения магнитной жидкости.

Задачей изобретения является усовершенствование способа получения магнитных жидкостей с высокими магнитными характеристиками, снижение себестоимости производства.

Это достигается тем, что в способе получения магнитной жидкости, включающем образование суспензии магнетита путем соосаждения из растворов металлов, покрытие поверхности частиц магнетита адсорбированным слоем стабилизирующего вещества, подогрев суспензии магнитных частиц с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества, разделение на фракции, причем соосаждение из растворов металлов проводят путем парциального окисления солей железа (II) солями меди (II), взятых в соотношении 1:0,6, в качестве стабилизирующего вещества используют смесь олеиновой кислоты и олеата натрия при их соотношении 4:1, а жидкость-носитель вводят после подогрева суспензии магнитных частиц с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества. Кроме того, парциальное окисление солей железа (II) солями меди (II) проводят при интенсивном перемешивании при рН 8,0-8,5 и температуре 20-25°С. Стабилизирующее вещество берут при соотношении твердая фаза и стабилизатор, как 1,5:2,0, а разделение фаз осуществляют на магнитном сепараторе с дальнейшим отделением воды выпариванием.

Способ получения магнитной жидкости и сопутствующий ему химический процесс представлен следующим образом:

1. Получение высокодисперсных частиц магнетита. В качестве исходного раствора использовали соли железа (II), а частичное окисление его до трехвалентного осуществляли солями меди (II), при этом в качестве осадителя использовали раствор аммиака.

2. Введение ПАВ - олеиновой кислоты и олеата натрия, подогрев смеси до 95°С

3. Добавление жидкости-носителя - керосина без подогрева и разделение фаз с отделением полученной воды выпариванием

Экспериментальным путем было доказано, что на качество получаемого магнетита существенное влияние оказывает соотношение солей железа и меди (II). При синтезе магнетита следует следить за тем, чтобы скорость реакции окисления Fe(OH) ₂ не превышала скорость образования магнетита, причем отношение скорости образования магнетита к скорости дегидратации FeOOH должно быть как можно больше. При этом скорость дегидратации не должна быть высокой, так как в противном случае в результате срастания мелких частиц будут образовываться крупные частицы магнетита, не пригодные для синтеза магнетита. Наилучшие результаты получены при соотношении Cu (II)/Fe (II), равном 1:0,6.

В ходе исследований условий проведения синтеза использовали как совместное, так и последовательное осаждение. При последовательном осаждении к раствору сульфата железа (II) добавляли раствор аммиака в количестве, достаточном для последующего осаждения гидроксида меди (II), после чего добавляли раствор сульфата меди (II). В другом случае раствор аммиака добавляли к раствору сульфата меди (II), а затем приливали раствор сульфата железа (II). При совместном осаждении смешивались растворы сульфатов железа (II) и меди (II) и к ним добавлялся аммиак. Осаждение проводили при интенсивном перемешивании. Установлено, что интенсивное перемешивание и быстрое добавление одного реагента к другому снимает вопрос о порядке смешивания растворов, во всех случаях образуются высокодисперсные частицы с размерами, пригодными для синтеза магнетита (10-35 нм), однако при совместном осаждении гидроксидов образуются более мелкие частицы (10-15 нм), чем при раздельном осаждении, кроме того, при этом не образуется крупных частиц, которые нужно отделять центрифугированием.

Было установлено, что фазовый состав продуктов окисления гидроксида железа (II) в значительной степени зависит от рН осаждения: при рН<-5,4 образуется - FeOOH, при рН от 5,4 до 11,5 - Fe₃ O₄, при рН от 11,5 до 12,4 - FeOOH. В связи с этим нами были исследованы процессы осаждения магнетита в интервале рН 5,4-11,5. Полученные результаты говорят о том, что после стабилизации наиболее устойчивые коллоидные системы образуются при рН=8,0-8,5; уменьшение рН до 7 или его увеличение до 10 приводит либо к расслоению коллоида, либо к получению низкоконцентрированных систем, не пригодных для получения магнитных жидкостей.

Исследование влияния температуры (фиг.1) показало, что повышение температуры синтеза выше 30°С приводит к дегидратации осадка, что оказывает существенное влияние на размеры частиц магнетита (диаметр частиц увеличивается с 15 до 40 нм), при снижении температуры синтеза до 15°С скорость дегидратации понижается, но это приводит к резкому снижению скорости окисления гидроксида Fe (II), поэтому оптимальной для проведения синтеза является температура 20-25°С.

Установлено также, что оптимальное отношение твердой фазы и стабилизирующего вещества составляет 1,5:2,0.

Также проведено исследование влияния условий стабилизации на свойства получаемой магнитной жидкости: стабилизацию ферромагнитных частиц проводили через определенные интервалы времени после образования осадка, а его пептизацию непосредственно после стабилизации и после отстоя стабилизированных частиц. Как показали полученные результаты, стадия созревания магнетита протекает настолько быстро, что осаждать выпавшие частицы магнетита нет необходимости, т.е пептизацию в растворителе можно проводить сразу же после стабилизации ферромагнитных частиц.

Изучена зависимость намагниченности насыщения магнитной жидкости от способа добавления жидкости-носителя и стабилизатора (фиг.2). Были приготовлены четыре образца магнитной жидкости. Первый образец готовился путем подогревания магнетита до 95°С, после чего добавлялись без подогрева керосин и олеиновая кислота. Образец №2 представлял магнитную жидкость, при приготовлении которой магнетит подогревали до 95°С на водяной бане, затем добавлялась олеиновая кислота без подогрева, а керосин с подогревом до 80°С. В образце №3 магнетит подогревался до 95°С, а олеиновая кислота и керосин предварительно смешивались и добавлялись без подогрева. Образец №4 представлял собой магнитную жидкость, в ходе приготовления которой в смесь олеиновой кислоты и магнетита после их подогрева до 95°С добавлялся керосин без подогрева. Наилучшей намагниченностью насыщения обладает образец №4. Таким образом, изменяя порядок взаимодействия компонентов магнитной жидкости, удается существенно улучшить магнитные показатели.

Полученную суспензию магнитных частиц с адсорбированным на них слоем стабилизирующего вещества пропускали через область неоднородного магнитного поля, которое дополнительно способствует омагничиванию суспензии и интенсифицирует процесс разделения фаз, и извлекали магнитную жидкость с дальнейшим выпариванием из нее воды.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. В реакционный сосуд подают смесь водных растворов сульфатов железа (II) и меди (II), взятых в соотношении 1:0,6, и осаждают 25%-ным раствором аммиака при рН осаждения 8,0. Реакцию осуществляют при непрерывном перемешивании в течение 20 мин при температуре 25°С. Полнота осаждения достигается введением полуторного избытка осадителя, что позволяет избежать стадии промывки магнетита. К полученному продукту добавляют стабилизирующее вещество - смесь олеиновой кислоты и олеата натрия, взятых в соотношении олеиновая кислота - олеат натрия 4:1. Соотношение твердая фаза - стабилизирующее вещество составляет 1,5:2,0 и нагревают до 95°С, после чего добавляют жидкость - носитель керосин без подогрева и разделяют фазы на магнитном сепараторе с отделением полученной воды выпариванием. После охлаждения магнитной жидкости измерялись ее магнитные характеристики, которые приведены в таблице.

Пример 2. Процесс протекает аналогично. Парциальное окисление солей железа (II) солями меди (II) проводят при при рН 8,2 и температуре 22°С. Характеристики полученной магнитной жидкости приведены в таблице.

Пример 3. Процесс протекает аналогично. Парциальное окисление солей железа (II) солями меди (II) проводят при интенсивном перемешивании при рН 8,5 и температуре 25°С. Характеристики полученной магнитной жидкости приведены в таблице.

Характеристики магнитных жидкостей
Параметры магнитной жидкости	Магнитная жидкость, полученная
	По прототипу	По примеру 1	По примеру 2	По примеру 3
Плотность р, кг/м 3	972	980	983	989
Объемная доля магнетита, q>s, %	4,29	3,60	3,72	3,84
Намагниченность насыщения, кА/м	12,15	13,7	15,15	16,5
Стабильность, сутки	423	598	593	597

Полученные данные говорят о том, что полученная по предложенному нами способу магнитная жидкость обладает высокой стабильностью (эффектов расслоения не наблюдалось) и хорошей намагниченностью насыщения, при этом себестоимость в 1,5 раза дешевле, чем у аналогов. Способ позволяет удешевить процесс за счет использования в качестве одного из исходных растворов сульфата меди (II) вместо дорогостоящего импортного сырья и отходов вредных производств и сделать процесс менее трудоемким.