Результат интеллектуальной деятельности: Способ фракционирования полидисперсных смесей нано- и микрочастиц

Изобретение относится к области фракционирования полидисперсных смесей нано- и микрочастиц и может быть применено для выделения фракций частиц заданного размерного диапазона. Изобретение может быть использовано для решения как исследовательских, так и технологических задач по фракционированию образцов окружающей среды (пыли, вулканического пепла, почвы), биологических и синтетических частиц, а также образцов порошковых функциональных материалов, в том числе сорбентов.

Аналогом заявляемому способу является метод разделения потоков, или SPLITT-фракционирование (US 4894146 А, опубл. 16.01.1990). Фракционирование происходит в узком щелевидном канале, имеющем два входа и два выхода, и достигается за счет действия гравитации и регулирования скоростей входящих потоков. Образец подается в верхнее входное отверстие и формирует тонкий слой в разделительном канале. Под действием сил тяжести наиболее крупные частицы оседают в потоке жидкости-носителя и уносятся в нижнее выходное отверстие, мелкие частицы при этом попадают в верхнее выходное отверстие. Известный способ позволяет фракционировать микрочастицы как в аналитических, так и препаративных масштабах.

Недостатками известного способа являются невозможность фракционирования частиц размером менее 1 мкм, в том числе наночастиц, поскольку разделение проходит в поле сил притяжения Земли. Кроме того, недостатком известного способа является возможность получения в результате разделения всего двух фракций частиц (например, более 5 мкм и менее 5 мкм).

Наиболее близким к заявляемому способу является метод седиментационного проточного фракционирования в поперечном поле центробежных сил (WO 2012128833 A1, опубл. 27.09.2012). В данном методе разделение проходит в узком щелевидном канале толщиной (25-300 мкм), имеющем форму кольца. Разделительный канал встроен в ротор центрифуги. Фракционирование происходит за счет одновременного воздействия поля центробежных сил, направленного перпендикулярно разделительному каналу, и градиента скоростей ламинарного потока на смесь частиц, что обусловливает их миграцию с различными скоростями в зависимости от их размера и плотности и, таким образом, последовательное элюирование фракций частиц. Метод подходит для разделения частиц размером от 10 нм до 50 мкм.

Недостатком известного способа является ограничение на массу смеси частиц для фракционирования, как правило, не превышающую 1 мг, что не позволяет использовать его для решения препаративных задач по разделению частиц. Данное ограничение связано с очень малой емкостью разделительного канала. Кроме того, при решении задач аналитической химии чувствительность методов анализа фракций должна быть достаточно высока с учетом небольшой массы разделяемой смеси частиц.

Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного метода фракционирования полидисперсных смесей нано- и микрочастиц с увеличением массы разделяемой смеси частиц.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что проточное фракционирование частиц осуществляется в разделительном канале, встроенном в планетарную центрифугу. Схема планетарной центрифуги со встроенным разделительным каналом представлена на чертеже.

Схема планетарной центрифуги со встроенным разделительным каналом для фракционирования смесей нано- и микрочастиц включает разделительный канал 7, сердечник 2 планетарной центрифуги, ось 3 вращения разделительного канала, ось 4 обращения разделительного канала.

Указанный технический результат достигается следующим образом. В способе фракционирования полидисперсных смесей нано- и микрочастиц суспензию смеси частиц, приготовленную на основе жидкости-носителя, вводят в потоке жидкости-носителя в разделительный канал. Разделительный канал установлен на сердечник планетарной центрифуги (RU 2126722, опубл. 27.02.1999). Планетарная центрифуга вращается с угловой скоростью в диапазоне 100-3000 об/мин. Фракции элюируют в порядке увеличения размера частиц.

Фракции частиц выделяют при постоянной скорости потока или при ступенчатом увеличении скорости потока жидкости-носителя в диапазоне 0.1-100 мл/мин.

Также фракции частиц можно выделять при изменении скорости вращения планетарной центрифуги в диапазоне 100-3000 об/мин.

В качестве жидкости-носителя используют воду, водные солевые растворы или органические растворители различной плотности.

Кроме того, сердечник, на котором установлена разделительная колонка, может иметь нецилиндрическую форму.

Заявленный способ фракционирования подходит для фракционирования полидисперсных смесей нано- и микрочастиц массой до 100 г. Ограничение массы разделяемых частиц связано с техническим ограничением максимального общего объема разделительного канала, который составляет от 10 мл до 10 л. Перед началом фракционирования в разделительный канал, предварительно заполненный жидкостью-носителем, вводят смесь разделяемых частиц в виде суспензии, приготовленной на основе той же жидкости-носителе.

Разделительный канал представляет собой трубку с внутренним диаметром 0.5-10 мм. Ограничение минимального диаметра разделительного канала обусловлено возможностью забивания его разделяемыми частицами. Ограничение максимального диаметра разделительного канала связано со снижением эффективности процесса фракционирования.

Разделительный канал установлен на жесткий сердечник планетарной центрифуги, имеющий цилиндрическую или иную геометрическую форму. Выбор геометрии сердечника планетарной центрифуги зависит от поставленной задачи фракционирования, поскольку обусловливает различное распределение векторов центробежных сил и, таким образом, влияет на процесс фракционирования в целом. В процессе разделения разделительный канал вращается вокруг оси сердечника планетарной центрифуги и одновременно обращается вокруг ее центральной оси с той же угловой скоростью.

В качестве жидкости-носителя можно использовать воду, водные солевые растворы или органические растворители различной плотности. Выбор жидкости-носителя обусловлен свойствами поверхности (гидрофобностью или гидрофильностью), а также плотностью разделяемых частиц. Использование жидкостей-носителей с низкой плотностью и вязкостью позволяет фракционировать частицы меньшего размера.

Затем смесь разделяемых частиц вводят в разделительный канал при вращающейся планетарной центрифуге. Фракционирование смесей нано- и микрочастиц осуществляют в диапазоне угловых скоростей планетарной центрифуги 100-3000 об/мин. При скорости вращения планетарной центрифуги менее 100 об/мин невозможно фракционирование смеси нано- и микрочастиц вследствие недостатка напряженности поля центробежных сил, которое является одной из движущих сил процесса фракционирования. Верхняя граница диапазона скоростей вращения планетарной центрифуги обусловлена техническими ограничениями устройства.

Фракционирование происходит под действием асимметричного поля центробежных сил, создаваемого за счет планетарного вращения, в непрерывном потоке жидкости-носителя. Фракции в порядке увеличения размера частиц элюируют при ступенчатом увеличении скорости потока жидкости-носителя и постоянной скорости вращения центрифуги. Кроме того, фракционирование возможно и при постоянной скорости потока подвижной фазы, а также при изменении скорости вращения центрифуги ее в ходе процесса фракционирования.

Размерные диапазоны выделяемых фракций зависят от рабочих (скорость вращения центрифуги, скорость потока жидкости-носителя, направление подачи жидкости-носителя) параметров процесса фракционирования, которые выбирают в зависимости от поставленной задачи. Использование низких скоростей потока жидкости-носителя и высоких скоростей вращения планетарной центрифуги позволяет фракционировать частицы в наноразмерном диапазоне. Для фракционирования микрочастиц необходимы более низкие скорости вращения центрифуги и более высокие скорости потока жидкости-носителя.

Нижеприведенные примеры конкретной реализации способа иллюстрируют разнообразие задач, решаемых заявляемым способом.

Пример 1. Фракционирование почв

Было проведено фракционирование образцов почв с выделением илистой (менее 2 мкм), пылеватой (2-50 мкм) и песчаной (50-250 мкм) фракции. Фракционирование проводили при скорости вращения планетарной центрифуги 100 об/мин при ступенчатом увеличении скорости потока жидкости-носителя в диапазоне 0.8-7 мл/мин.

Пример 2. Фракционирование смеси стандартных образцов частиц размером от 100 до 1000 нм

На примере частиц оксида кремния была показана возможность фракционирования субмикронных частиц с высокой эффективностью. Так, было проведено фракционирование смеси стандартных образцов частиц оксида кремния размером 150, 390 и 900 нм с выделением индивидуальных фракций частиц с чистотой до 98%. Разделительный канал был установлен на сердечник планетарной центрифуги, имеющий два симметричных выступа. Фракционирование проводили при ступенчатом увеличении скорости подачи жидкости-носителя (воды), при скорости вращения центрифуги 800 об/мин и начальной скорости потока жидкости-носителя 0.23 мл/мин.

Пример 3. Фракционирование образцов окружающей среды (уличной пыли и вулканического пепла)

Было проведено фракционирование образца уличной пыли с выделением фракций частиц размером менее 0.3 мкм, 0.3-1 мкм, 1-10 мкм и 10-100 мкм. Фракционирование проводили при скорости вращения планетарной центрифуги 800 об/мин, начальной скорости потока жидкости-носителя 0.2 мл/мин и последующем ступенчатом увеличении скорости потока жидкости-носителя (воды).

На примере фракционирования образца вулканического пепла была показана возможность выделения фракции наночастиц. Так, при фракционировании образца пепла наряду с фракциями субмикро- и микрочастиц была выделена фракция частиц размером менее 50 нм. Фракционирование проводили при ступенчатом увеличении скорости подачи жидкости-носителя и скорости вращения центрифуги 800 об/мин.

Пример 4. Фракционирование образца хроматографического сорбента

Было проведено фракционирование полидисперсного образца сорбента на основе полистирол-дивинилбензола с выделением целевой фракции частиц размером 4.5 мкм и отделением частиц размером менее 2 мкм, обломков частиц и остатков синтеза сорбента. Было показано, что разделительный канал объемом 15 мл позволяет фракционировать 100 мг сорбента за один цикл. Масштабирование процесса фракционирования показало, что полупрепаративная планетарная центрифуга, оснащенная разделительным каналом объемом 453 мл, позволяет фракционировать 3 г сорбента с выходом целевой фракции сорбента более 95%.

Пример 5. Фракционирование металлических частиц

Была показана принципиальная возможность фракционирования металлических микрочастиц на примере частиц силумина (сплав алюминия и кремния). Продемонстрировано, что фракционирование микрочастиц силумина размером от 1 до 40 мкм можно реализовать как в режиме ступенчатого увеличения скорости подачи жидкости-носителя, так и при постоянной скорости потока жидкости-носителя. В результате было показана, что планетарная центрифуга, оснащенная разделительным каналом объемом 20 мл, позволяет эффективно фракционировать 100 мг полидисперсного образца частиц силумина с выделением фракции, содержащей не менее 95% целевых частиц размером более 20 мкм. Оценена возможность масштабирования процесса фракционирования в разделительных каналах большего объема для решения препаративных задач.

Пример 6. Фракционирование наночастиц оксида кремния

На примере наночастиц оксида кремния была продемонстрирована возможность фракционирования наночастиц в диапазоне размером 10-100 нм. Фракционирование осуществляли при скорости вращения центрифуги 3000 об/мин и постоянной скорости потока жидкости-носителя 0.1 мл/мин.

Заявленный способ фракционирования полидисперсных смесей нано- и микрочастиц является эффективным инструментом при решении исследовательских задач по фракционированию и анализу природных полидисперсных образцов (таких, как почвы, пыли, пеплы), прикладных задач экологического мониторинга по изучению миграции элементов (в том числе токсичных) и оценке степени антропогенной нагрузки на окружающую среду. Заявленный способ также позволяет фракционировать полидисперсные образцы новых порошковых функциональных материалов с выделением узкодисперсных фракций частиц необходимого размера для последующего изучения их свойств. Кроме того, возможность фракционирования относительно больших количеств смесей частиц (на уровне граммов и более) позволяет использовать заявленный способ для решения препаративных и технологических задач.