CN112452536A - 一种基于横向对极式磁悬浮结构的磁分离装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于横向对极式磁悬浮结构的磁分离装置及方法，属于磁分离领域。包括非导磁基座(1)、透明非导磁容器(2)、滑动组件(4)、磁体组件(5)和固定组件；所述磁体组件(5)垂直固定于所述非导磁基座(1)上，可沿所述滑动组件(4)滑动并通过所述固定组件进行锁定；所述磁体组件(5)包括相对放置的两个磁体，所述透明非导磁容器(2)置于所述两个磁体的正中间；所述非导磁基座(1)中间开有一孔槽，容纳所述透明非导磁容器(2)沿其轴向上下移动。本发明具有开放式的操作区间，易于对待处理对象和容器进行操作；而且进行分离处理的结果不受待处理对象形貌的影响。

Description

一种基于横向对极式磁悬浮结构的磁分离装置及方法
技术领域
本发明属于磁分离领域，更具体地，涉及一种基于横向对极式磁悬浮结构的磁分离装置及方法。
背景技术
随着科学技术的发展与人类经济活动规模的扩大，包括电子垃圾等在内的多类废旧物料也在逐渐堆积，由于填埋与焚烧的方式会给环境带来极大的负担且造成极大的浪费，将其进行回收再利用已成为现阶段及未来的理想处理方式。典型的可回收物料包括金属、玻璃以及塑料等，然而废旧物料的混杂度高且形态各异，为了保证回收利用的有效性和可加工性，分离处理成为了废旧物料资源化的首要步骤，分离效率和分离质量对后续的回收处理与资源再生有着重要影响。
基于磁阿基米德效应的分离方法是利用待处理对象与背景介质之间的磁化强度差异而产生梯度磁场力，与待处理对象本身的重力和浮力进行平衡，使得不同密度的待处理对象在顺磁性的背景介质中稳定悬浮于不同的高度而得到分离，突破了传统密度分选仅能处理二元混合物的限制，因其经济性、无标记且操控灵活等优势成为目前的新型分离方法之一，相关研究已表明其可应用于电子废弃物、金属以及塑料等材料的分离处理之中。在已有研究中，永磁体因具有结构简单、不发热、易产生高磁场梯度以及价格低廉等优点，是磁悬浮分离***常用的一种磁场源。目前文献报道主要有以下两种磁体结构用于磁分离，一是基于“标准磁悬浮***”的塑料分离方式(Zhao P,et al.Separation of mixed wasteplastics via magnetic levitation.Waste Management,2018,76:46-54)，在进行样品加载或实施分离时均需将容器从磁体区域移出，容器内的样品不便于直接取出，因此增加了分离操作的复杂度，实际可操作性较差。二是基于侧向单磁体的“磁投射”的塑料分离方式(Xuechun Zhang,et al.Magnetic projection:A novel separation method and itsfirst application on separating mixed plastics.Waste Management,2019,87:805-813)，利用放置于容器侧边的单永磁体所产生的排斥力使塑料投射在容器底部的不同位置从而实施多元分离，但塑料在投射过程中所受的阻力与其形貌有关，因此该方式的分离效果会受到待处理对象形貌的影响。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于横向对极式磁悬浮结构的磁分离装置及方法，旨在解决现有磁悬浮分离装置中工序繁琐，以及分离结果受到待处理对象形貌影响的问题。
为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种基于横向对极式磁悬浮结构的磁分离装置，包括非导磁基座、透明非导磁容器、滑动组件、磁体组件和固定组件；
所述磁体组件垂直固定于所述非导磁基座上，可沿所述滑动组件滑动并通过所述固定组件进行锁定；
所述磁体组件包括相对放置的两个磁体，所述透明非导磁容器置于所述两个磁体的正中间；
所述非导磁基座中间开有一孔槽，容纳所述透明非导磁容器沿其轴向上下移动。
进一步地，磁体组件为一对横向对极式放置的永磁体或永磁体阵列或电磁体。
进一步地，当磁体组件为一对横向对极式放置的永磁体阵列时，采用五级永磁体构成的Halbach永磁体阵列。
进一步地，所述Halbach永磁体阵列中，每级永磁体在长度方向比宽度和高度大三倍以上。
进一步地，所述固定组件包括螺杆和固定钮件；
通过所述螺杆调节所述磁体组件的位置后，由所述固定钮件进行加固。
进一步地，所述透明非导磁容器用于容置磁性溶液；所述磁性溶液为磁流体或顺磁性溶液。
本发明的另一方面还提供了一种基于上述磁分离装置的磁分离方法，包括以下步骤：
根据待分离样品的密度，配制磁性溶液；
调整所述两个磁体的间距，滑动过程中保证所述两个磁体的位移相等，以保持容器始终位于所述两个磁体的中间处；
将所述待分离样品放入所述透明非导磁容器(2)内，实施分离操作。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明具有开放式的操作区间，样品便于直接取出，易于对待处理对象和容器进行操作。
(2)本发明采用磁悬浮结构，不同于侧向单磁体的“磁投射”分离方式，因此进行分离处理的结果不受待处理对象形貌的影响。
(3)本发明可通过改变磁体间距/容器高度而灵活地调节待处理对象所受磁浮力的大小，使装置具有极大的操纵空间。
(4)本发明采用五级永磁体构成的Halbach永磁体阵列为磁场源，对比现有的基于Halbach磁体阵列的磁悬浮***，所采用的的磁体级数更多并且装置的分离能力更强。
(5)本发明中采用的磁体设计在长度方向比宽度和高度大三倍以上，将传统磁悬浮***的二维方向聚拢变为一维方向聚拢，可起到分散目的，使高度方向不会过度聚集而影响分离效果。同时，磁体模型可等效为一个二维模型，降低了模型计算与仿真的复杂程度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于对极式磁悬浮结构的磁分离装置示意图；
图2是本发明实施例中采用的五级Halbach永磁体阵列的示意图及容器内磁场分布图；
图3是本发明实施例中五级Halbach阵列与三级Halbach阵列待处理对象密度与高度的关系图对比。
附图标记：1-非导磁基座，2-透明非导磁容器，3-螺杆，4-滑动组件，5-磁体组件，6-固定钮件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，本发明实施例的一个方面提供了一种基于横向对极式磁悬浮结构的磁分离装置，包括非导磁基座(1)、透明非导磁容器(2)、滑动组件(4)、磁体组件(5)和固定组件；
所述磁体组件(5)垂直固定于所述非导磁基座(1)上，可沿所述滑动组件(4)滑动并通过所述固定组件进行锁定；
所述磁体组件(5)包括相对放置的两个磁体，所述透明非导磁容器(2)置于所述两个磁体的正中间；
所述非导磁基座(1)中间开有一孔槽，容纳所述透明非导磁容器(2)沿其轴向上下移动。
进一步地，所述固定组件包括螺杆(3)和固定钮件(6)；通过所述螺杆(3)调节所述磁体组件(5)的位置后，由所述固定钮件(6)进行加固。
优选地，永磁体之间的间距可调，使得容器内的磁场分布及密度范围可灵活调节。
优选地，容器位置可在轴向方向上下移动，使得待处理对象所受的磁场力大小可灵活调节。
优选地，为增强永磁体之间区域的磁场，可采用由五级永磁体组成的Halbach磁体阵列代替每一侧的单个永磁体，且每级磁体的尺寸可根据实际需要而分别设计，从而优化磁体组件部分。
优选地，为避免待处理对象沿着容器中心轴发生过多聚集而造成不同待处理对象之间易形成重叠区，永磁体长度方向比宽度和高度尺寸大三倍以上，以显著降低长度方向上待处理对象所受到的朝向中轴线的磁场力大小，进而削弱整体聚集现象。
本发明实施例的另一方面还提供了一种基于上述磁分离装置的磁分离方法，包括以下步骤：
根据待分离样品的密度，配制磁性溶液；
调整所述两个磁体的间距，滑动过程中保证所述两个磁体的位移相等，以保持容器始终位于所述两个磁体的中间处；
将所述待分离样品放入所述透明非导磁容器(2)内，实施分离操作。
优选地，磁性溶液的密度的大小应与待处理对象的密度有合适差异范围，为能顺利进行多种密度不同的塑料制品的分离，磁性溶液的密度应在待处理对象密度的平均值附近。
优选地，磁性溶液为磁流体或包括MnCl2、DyCl3以及GdCl3等在内的顺磁性溶液。
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
本发明实施例提供了一种基于横向对极式磁悬浮结构的磁分离方法及装置。其中，磁体组件由一对横向对极式放置的永磁体或永磁体阵列组成，在永磁体中间的区域垂直放置透明非导磁容器用以实施磁分离，并以6种不同的塑料为例阐述了分离方法的有效性。为实现本发明，该技术方案的具体实施步骤包括：
将两个相同的块状永磁体或永磁体阵列底端对齐并对极放置，永磁体之间有一定的间距；
根据待处理对象的密度配制适宜浓度的顺磁性介质，在非导磁容器中灌入磁性溶液，并将容器的位置固定于永磁体中间区域的中轴线上，在该容器内实施待处理对象的分离与捕获；
将待处理对象放入容器中，其在磁阿基米德效应的作用下，重力Fg(经过浮力修正)与磁浮力Fmag平衡而达到稳定悬浮，平衡方程如下：
Figure BDA0002714133380000061
其中，χs和χm分别代表待处理对象和磁性溶液的磁化率，V代表待处理对象的体积，μ0是真空中的磁导率(4π×10-7N/A2)，B代表磁通密度，
Figure BDA0002714133380000062
为哈密顿算子，ρm表示磁性溶液的密度大小；
由于不同高度处的磁场强度不同，密度不同的待处理对象最终稳定于不同的高度处从而得到分离。
如图1所示，本发明的装置示意图包括非导磁基座1、透明非导磁容器2、螺杆3、滑动组件4、磁体组件5、固定钮件6。磁体组件5垂直固定于非导磁基座1上，并与滑动组件4相连，使其可沿滑动组件4滑动，滑动过程中保证两个磁体组件的位移相等，以保持容器始终在两个磁体组件的中间处。螺杆3与固定钮件6构成固定组件。螺杆3在伸进磁体组件5内部的末端有大于孔径的圆形底座，外部有固定钮件6加固，使用螺杆3调节磁体组件的位置后，由铝制底座最外侧的固定钮件6进行加固与锁定。非导磁基座1中间有孔槽设计，使透明非导磁容器2可沿轴向上下移动。
本实施例中，使用两组由五级钕铁硼磁体构成的Halbach阵列为磁场源，每级永磁体宽60mm×高70mm×长300mm，剩磁大小为1.23T，且已组装完成并封装于非导磁外壳内，构成磁体组件。使用的磁性溶液为2.0M的MnCl2溶液，其密度为1.196g/cm3，磁化率大小3.630×10-4。待处理对象包括6种密度不等的常见热塑性塑料，分别为PP(聚丙烯，密度为0.89～0.91g/cm3)、PS(聚苯乙烯，密度为1.05g/cm3)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，密度为1.18g/cm3)、PC(聚碳酸酯，密度为1.232g/cm3)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯，密度为1.338g/cm3)和PTFE(聚四氟乙烯，密度为2.17g/cm3)。
(1)根据六种待分离塑料样品的密度，配制适宜密度的磁性溶液。
通过配制不同浓度的磁性溶液，可以达到控制磁性溶液密度这一目的，在本实施例中选用的是MnCl2溶液。磁性溶液的密度选择与所选用的样品密度分布相关，对于所选用的六种塑料(密度分别为0.89～0.91g/cm3、1.05g/cm31.18g/cm3、1.232g/cm3、1.338g/cm3和2.17g/cm3)，排除沉降于非导磁容器底部的PTFE以及浮于液面上的PP，剩余四种塑料密度的平均数为1.200g/cm3，因此选用的溶液密度也在1.200g/cm3左右。为了便于配制与计算，选取2.0M的MnCl2溶液(ρs＝1.196g/cm3,χs＝3.63×10-4)作为本实施例中的顺磁性介质。同时，为了保证模型计算中溶液密度和磁化率的准确性，在实验过程中要保证室温始终为23℃。
(2)根据模型仿真数据，调整两对磁体阵列之间的间距。
由于构成磁体阵列的每块永磁体在纵向均较长，该模型可等效为一个二维结构，便于简化模型计算复杂程度。本实施例中，所采用的五级Halbach阵列示意图以及容器内磁场分布在COMSOL中的仿真计算结果如图2所示，构成其中阵列的每级磁体的尺寸设计为宽60mm×高70mm×长300mm，满足长度方向为宽度和高度方向的3倍及以上的要求。将传统磁悬浮***的二维方向聚拢变为一维方向聚拢，可起到分散目的，使高度方向不会过度聚集而影响分离效果。同时，磁体模型可等效为一个二维模型，降低了模型计算与仿真的复杂程度。
根据分离策略，六种塑料中密度最大与密度最小的分别沉降于底部和浮于顶部，其余四种塑料悬浮于容器内的不同高度处，因此在仿真中需寻求合适的磁体间距，使得密度范围包含1.05g/cm3～1.338g/cm3。当待处理对象稳定悬浮于容器内部时，此时磁场力Fmag和重力Fg(经浮力修正后)的表达式分别为：
Figure BDA0002714133380000081
Fg＝(ρs-ρm)Vg
通过稳定悬浮的平衡方程Fmag＝Fg，可得到待测样品的密度ρs为：
Figure BDA0002714133380000082
其中，χs和χm分别代表待处理对象和磁性溶液的磁化率，V是待测样品的体积，μ0是真空中的磁导率(4π×10-7N/A2)，B代表磁通密度，
Figure BDA0002714133380000083
是哈密顿算子，ρm表示磁性溶液的密度大小。
根据受力方程所得的平衡关系，在COMSOL中计算得到密度与磁场分布(与高度相关)的关系，同时，不断调整磁体阵列间距，得到磁体阵列间距d＝80mm时，在2.0M的MnCl2溶液条件下，容器内样品悬浮高度(取磁体阵列中心点高度为y＝0处)与密度的关系曲线如图3，密度范围为1.04g/cm3～1.35g/cm3。
(3)将待处理对象放入非导磁容器内，实施分离。
调节滑动组件4，使两组磁体组件5之间的初始间距为80mm，用固定钮件6固定磁体组件5及螺杆3位置。调整透明非导磁容器2在非导磁基座1孔槽内的位置，使透明非导磁容器2处于磁体组件5的中间处(中心对齐)，然后，将6种塑料放入装有磁性溶液的透明非导磁容器2内部，塑料样品受到磁浮力以及重力(已进行浮力修正)的共同作用，当磁浮力与重力不平衡时，塑料浮于透明非导磁容器2顶部或沉于透明非导磁容器2底部，当磁浮力与重力平衡时，塑料在透明非导磁容器2内不同高度处于稳定悬浮状态，等待6种塑料在容器3内达到平衡位置，如此实现了6种塑料的分离，然后开始打捞：首先将浮于液面的塑料样品PP分离出来，然后使透明非导磁容器2沿中心轴缓慢下移，此时塑料样品的位置降低，对于密度小于磁性溶液的塑料(悬浮于y>0处)，其受到的向下的磁场力减小，对于密度大于磁性溶液的塑料(悬浮于y<0处)，其受到的向上的磁场力增大，因此在磁性溶液内稳定悬浮的样品均会逐渐上移，当离液面最近的塑料样品PS浮于液面时将其分离出来，然后继续将容器向下移动，直到最后一个悬浮于磁性溶液中的塑料样品PET得到分离，最后将沉于透明非导磁容器2底部的PTFE进行打捞分离，这样6种塑料样品通过该对极式磁悬浮结构得到了分离。
为了进一步说明本装置的优势，在图3中，给出了两个磁体阵列间距为80mm时，在2.0M的MnCl2溶液内，本发明与现有的三级永磁体构成的Halbach磁悬浮装置分离表现的比较(磁体间距均为80mm)。对比三级Halbach阵列与五级Halbach阵列的密度-高度曲线图发现，三级永磁体所构成的Halbach阵列所覆盖的密度范围为1.086g/cm3～1.306g/cm3，而本发明中所采用的五级永磁体所构成的Halbach阵列，由于磁场强度的提升，其所覆盖的密度范围为1.041g/cm3～1.351g/cm3，装置适用的待处理对象的密度范围提升了约41％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于横向对极式磁悬浮结构的磁分离装置，其特征在于，包括非导磁基座(1)、透明非导磁容器(2)、滑动组件(4)、磁体组件(5)和固定组件；
所述磁体组件(5)垂直固定于所述非导磁基座(1)上，可沿所述滑动组件(4)滑动并通过所述固定组件进行锁定；
所述磁体组件(5)包括相对放置的两个磁体，所述透明非导磁容器(2)置于所述两个磁体的正中间；
所述非导磁基座(1)中间开有一孔槽，容纳所述透明非导磁容器(2)沿其轴向上下移动。
2.如权利要求1所述的磁分离装置，其特征在于，磁体组件(5)为一对横向对极式放置的永磁体或永磁体阵列或电磁体。
3.如权利要求2所述的磁分离装置，其特征在于，当磁体组件(5)为一对横向对极式放置的永磁体阵列时，采用五级永磁体构成的Halbach永磁体阵列。
4.如权利要求3所述的磁分离装置，其特征在于，所述Halbach永磁体阵列中，每级永磁体在长度方向比宽度和高度大三倍以上。
5.如权利要求1所述的磁分离装置，其特征在于，所述固定组件包括螺杆(3)和固定钮件(6)；
通过所述螺杆(3)调节所述磁体组件(5)的位置后，由所述固定钮件(6)进行加固。
6.如权利要求1所述的磁分离装置，其特征在于，所述透明非导磁容器(2)用于容置磁性溶液；
所述磁性溶液为磁流体或顺磁性溶液。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述磁分离装置的磁分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据待分离样品的密度，配制磁性溶液；
调整所述两个磁体的间距，滑动过程中保证所述两个磁体的位移相等，以保持容器始终位于所述两个磁体的中间处；
将所述待分离样品放入所述透明非导磁容器(2)内，实施分离操作。
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