Anwendung von Röhrenzentrifugen zur Trennung von Nanopartikeln
Eine Rohrzentrifuge besteht im Wesentlichen aus einer schnell rotierenden, schlanken Trommel, einem Antrieb, einem Zuführsystem und einem Austragssystem. Ihre Funktionsweise basiert auf dem Prinzip der Zentrifugalsedimentation. Wenn eine Nanopartikel enthaltende Flüssigkeit durch die Zuführöffnung in die schnell rotierende Trommel gelangt (die Drehzahl kann üblicherweise 15.000 bis 50.000 Umdrehungen pro Minute oder sogar mehr erreichen), werden die Nanopartikel aufgrund der Dichteunterschiede zwischen ihnen und den anderen Bestandteilen der Flüssigkeit durch die starke Zentrifugalkraft unterschiedlich stark belastet. Nanopartikel mit höherer Dichte werden stärkeren Zentrifugalkräften ausgesetzt, bewegen sich schnell zur Trommelwand und setzen sich dort ab, während die Flüssigkeitsphase mit geringerer Dichte und einige Verunreinigungen mit niedriger Dichte näher am Trommelzentrum verbleiben. Durch eine gut konstruierte Entladevorrichtung setzen sich die Nanopartikel an der Trommelwand ab, und die klare Flüssigkeit in der Nähe der Mitte kann separat aufgefangen werden, wodurch eine effektive Trennung der Nanopartikel von der gemischten Flüssigkeit erreicht wird.
III. Vorteile von Rohrzentrifugen bei der Nanopartikeltrennung
(I) Hohe Trenngenauigkeit
Präzise Erfassung von Nanopartikeln
Bei Partikeln im Nanometerbereich erzeugt die extrem hohe Rotationsgeschwindigkeit der Rohrzentrifuge eine starke Zentrifugalkraft, die präzise auf diese winzigen Partikel einwirkt. Selbst bei minimalen Dichteunterschieden zwischen den Nanopartikeln kann es im Zentrifugalkraftfeld zu einer deutlichen Sedimentationsschichtung kommen. Beispielsweise kann die Rohrzentrifuge bei der Trennung von Goldnanopartikeln mit einer Partikelgröße von 50–100 Nanometern von anderen Verunreinigungen in der Lösung die Goldnanopartikel effizient an der Trommelwand sedimentieren lassen und so eine präzise Trennung vom umgebenden Medium erreichen. Die Reinheit des abgetrennten Produkts kann dabei über 95 % betragen.
Entfernung kleinster Verunreinigungen
Die Anwendung von Nanopartikeln erfordert höchste Reinheit, da selbst geringste Verunreinigungen ihre Wirksamkeit beeinträchtigen können. Die leistungsstarke Trennleistung der Rohrzentrifuge ermöglicht die effektive Entfernung kleinster Verunreinigungen aus dem Gemisch, die in ihrer Größe Nanopartikeln ähneln, wie beispielsweise Bakterien, Viren und kolloidale Partikel. Bei der Herstellung von Nanomedikamententrägern im biomedizinischen Bereich entfernt die Rohrzentrifuge potenzielle Mikroorganismen und andere kolloidale Verunreinigungen aus der Lösung und gewährleistet so die hohe Reinheit der Nanomedikamententräger. Dies bietet eine zuverlässige Grundlage für die anschließende Beladung mit Wirkstoffen und deren Anwendung.
 |  |
Verkürzung der Trennungszeit
Im Vergleich zu herkömmlichen Trennverfahren wie Sedimentation und Filtration beschleunigt die hohe Rotationsgeschwindigkeit der Rohrzentrifuge die Sedimentation von Nanopartikeln erheblich. Während die herkömmliche Sedimentation mehrere Stunden oder sogar Tage dauern kann, bis sich Nanopartikel deutlich absetzen, trennt die Rohrzentrifuge das gleiche Volumen einer Flüssigkeitsmischung innerhalb weniger Minuten bis zu einigen Dutzend Minuten. In der großtechnischen Herstellung von Nanomaterialien kann diese effiziente und schnelle Trenneigenschaft die Produktionsleistung deutlich steigern und die Produktionskosten senken. Beispielsweise kann bei der industriellen Herstellung von Nano-Titandioxid durch den Einsatz einer Rohrzentrifuge die Trennzeit von mehreren Stunden auf unter 30 Minuten verkürzt und die Produktionsleistung dadurch erheblich gesteigert werden.
Kontinuierlicher Trennbetrieb
Die Rohrzentrifuge ermöglicht die kontinuierliche Zufuhr und Entladung und eignet sich daher ideal für die Trennung von großvolumigen Nanopartikeln. In der Nanomaterial-Produktionslinie kann die nanopartikelhaltige Flüssigkeit kontinuierlich in die Zentrifuge eingespeist werden. Nach der Trennung werden die abgetrennten Nanopartikel und die klare Flüssigkeit kontinuierlich ausgegeben. Der gesamte Prozess kommt ohne häufige Stillstände aus und gewährleistet so die Kontinuität und Stabilität der Produktion. Dieser kontinuierliche Betrieb steigert nicht nur die Produktionseffizienz, sondern reduziert auch Fehler und Produktverluste, die durch häufiges Starten und Stoppen der Anlage entstehen können.
(III) Schonendes Trennverfahren
Schutz der Integrität von Nanopartikeln
Nanopartikel weisen üblicherweise besondere physikalische und chemische Eigenschaften auf und neigen während des Trennprozesses aufgrund äußerer Einflüsse zu Aggregation, Deformation oder Leistungsveränderungen. Die bei der Hochgeschwindigkeitsrotation der Rohrzentrifuge entstehende Scherkraft ist relativ gering, wodurch die Integrität und die ursprünglichen Eigenschaften der Nanopartikel weitestgehend erhalten bleiben. Beispielsweise kann bei der Trennung von Silbernanopartikeln mit spezifischen Morphologien und Oberflächeneigenschaften durch den schonenden Trennprozess der Rohrzentrifuge die Aggregation und Oberflächenbeschädigung der Silbernanopartikel wirksam vermieden werden, sodass diese ihre einzigartigen optischen und elektrischen Eigenschaften in nachfolgenden Anwendungen voll entfalten können.
Geeignet für eine Vielzahl von Nanomaterialien
Ob anorganische Nanopartikel (wie Metalloxid-Nanopartikel, Halbleiter-Nanopartikel) oder organische Nanopartikel (wie Polymer-Nanokugeln, Liposomen-Nanopartikel) – die Röhrenzentrifuge ermöglicht eine effiziente Trennung unter milden Bedingungen. Dadurch ist die Röhrenzentrifuge vielseitig einsetzbar für die Herstellung und Anwendung verschiedenster Nanomaterialien und leistet einen wichtigen Beitrag zur diversifizierten Entwicklung der Nanotechnologie.
 |  |
IV. Anwendungsbeispiele
(I) Im Bereich der Materialwissenschaften
Herstellung von Nanokompositen
Bei der Herstellung von Nanokompositen müssen verschiedene Arten von Nanopartikeln gleichmäßig dispergiert und kombiniert werden. Beispielsweise ist es bei der Herstellung von mit Kohlenstoffnanoröhren verstärkten Metallmatrix-Kompositen zunächst notwendig, die Kohlenstoffnanoröhren effizient aus ihrer Lösung abzutrennen und anschließend mit der Metallmatrix zu verbinden. Die Röhrenzentrifuge ermöglicht eine schnelle und reine Abtrennung der Kohlenstoffnanoröhren. Dadurch werden Beschädigungen und Verunreinigungen, die bei herkömmlichen Trennmethoden auftreten können, vermieden und hochwertige Rohstoffe für die Herstellung von Hochleistungs-Nanokompositen bereitgestellt. Nach der Abtrennung mittels Röhrenzentrifuge verbessern die mit der Metallmatrix verbundenen Kohlenstoffnanoröhren die mechanischen Eigenschaften des Kompositmaterials signifikant. Dessen Zugfestigkeit erhöht sich um mehr als 30 % im Vergleich zu der des Kompositmaterials ohne fein abgetrennte Kohlenstoffnanoröhren.
Herstellung von Nanokatalysatoren
Nanokatalysatoren finden in der chemischen Industrie wichtige Anwendungen, wobei ihre Leistungsfähigkeit maßgeblich von der Reinheit und Dispersion der Nanopartikel abhängt. Mithilfe der Rohrzentrifuge lassen sich nanoskalige Katalysatorpartikel von der Katalysatorvorläuferlösung abtrennen und Verunreinigungen sowie nicht umgesetzte Rohstoffe entfernen. Am Beispiel der Herstellung von geträgerten Palladium-Nanokatalysatoren zeigt sich, dass durch die Trennung mittels Rohrzentrifuge hochreine Palladium-Nanopartikel mit gleichmäßigerer Dispersion auf dem Träger gewonnen werden können. Mit dem so hergestellten Palladium-Nanokatalysator lässt sich die katalytische Aktivität in organischen Synthesereaktionen im Vergleich zu Katalysatoren, die nach traditionellen Methoden hergestellt wurden, um mehr als 20 % steigern. Dies führt zu einer signifikanten Verbesserung der Effizienz und Selektivität chemischer Reaktionen.
(II) Im biomedizinischen Bereich
Nanomedikamenten-Verabreichungssysteme
Nanomedikamenten-Verabreichungssysteme verkapseln Wirkstoffe in nanoskaligen Trägern, um eine präzise Wirkstoffabgabe und kontrollierte Freisetzung zu erreichen. Bei der Herstellung von Nanomedikamententrägern (wie Liposomen und Polymernanopartikeln) ist eine sorgfältige Trennung und Reinigung der Trägermaterialien unerlässlich. Die Röhrenzentrifuge entfernt effektiv Verunreinigungen und nicht-assemblierte Monomere aus den Trägermaterialien und verbessert so die Qualität und Stabilität der Nanomedikamententräger. Beispielsweise kann bei der Herstellung von Doxorubicin-Liposomen-Nanopartikeln zur Tumorbehandlung die Röhrenzentrifuge Verunreinigungen wie freie Wirkstoffe und nicht verkapselte Lipidmoleküle aus den Liposomen abtrennen. Dadurch erhöht sich die Verkapselungseffizienz der Doxorubicin-Liposomen-Nanopartikel von ursprünglich 70 % auf über 90 %, was die gezielte Wirkung und den therapeutischen Effekt des Wirkstoffs verstärkt.
Biomarker-Nachweis
In der biomedizinischen Diagnostik ist es häufig notwendig, Nanobiomarker wie Exosomen und Nanoantikörper aus biologischen Proben (z. B. Blut und Urin) zu isolieren. Die Röhrenzentrifuge nutzt ihre hohe Zentrifugalkraft, um diese Nanobiomarker aus komplexen biologischen Proben zu trennen. Beispielsweise werden bei der Früherkennung von Krebs tumorbedingte Exosomen mithilfe einer Röhrenzentrifuge aus dem Blut des Patienten isoliert. Die von den Exosomen transportierten Proteine, Nukleinsäuren und andere Biomarker können für das Früherkennungs- und Verlaufsmonitoring von Krebs eingesetzt werden. Die hohe Trennleistung der Röhrenzentrifuge verbessert die Extraktionseffizienz und Reinheit der Biomarker und bildet somit eine zuverlässige Grundlage für eine präzise klinische Diagnose.
(III) Im Bereich der Elektronik
Herstellung nanoelektronischer Materialien
In der Nanoelektronik sind nanoskalige Halbleitermaterialien, Metallnanodrähte usw. der Schlüssel zur Herstellung leistungsstarker elektronischer Bauelemente. Mithilfe einer Röhrenzentrifuge lassen sich diese nanoelektronischen Materialien von der Reaktionslösung abtrennen und Verunreinigungen sowie Lösungsmittel entfernen. Beispielsweise ermöglicht die Röhrenzentrifuge bei der Herstellung von Quantenpunktmaterialien für Quantenpunkt-Leuchtdioden (QLEDs) die schnelle Abtrennung hochwertiger Quantenpunkte, die Entfernung von Tensiden und nicht umgesetzten Rohstoffen sowie die Verbesserung der Lichtausbeute und Stabilität der Quantenpunkte. Die mittels Röhrenzentrifuge gewonnenen Quantenpunkte weisen in QLED-Bauelementen eine um mehr als 15 % höhere Lichtausbeute auf als Quantenpunkte, die mit herkömmlichen Methoden hergestellt wurden. Dies trägt maßgeblich zur Leistungssteigerung nanoelektronischer Bauelemente bei.
Behandlung von Nanopartikeln bei der Chipherstellung
Im Rahmen der Chipherstellung ist die präzise Trennung und Weiterverarbeitung von Fotolackpartikeln, Metallnanopartikeln etc. im Nanometerbereich unerlässlich. Mithilfe einer Rohrzentrifuge lassen sich die benötigten Nanopartikel anhand ihrer Dichteunterschiede aus der Lösung abtrennen und ihre Partikelgrößenverteilung kontrollieren. Beispielsweise wird in modernen Chipherstellungsverfahren eine Rohrzentrifuge eingesetzt, um Fotolackpartikel in einem spezifischen Größenbereich für die Herstellung hochpräziser Fotolithografiestrukturen zu separieren und so die Genauigkeit und Ausbeute der Chipherstellung zu verbessern.
 |  |
V. Vorsichtsmaßnahmen bei der Anwendung
(I) Probenvorbehandlung
Dispergieren von Nanopartikeln
Nanopartikel neigen in Lösung zur Aggregation, was die Trennwirkung beeinträchtigt. Bevor die nanopartikelhaltige Flüssigkeit in die Röhrenzentrifuge gegeben wird, müssen geeignete Dispergiermethoden, wie z. B. Ultraschallbehandlung und Zugabe von Dispergiermitteln, angewendet werden, um eine gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel in der Lösung zu gewährleisten. Beispielsweise kann bei der Trennung von Nano-Siliciumdioxid-Partikeln die Aggregation der Nano-Siliciumdioxid-Partikel durch Ultraschallbehandlung und Zugabe einer geeigneten Menge Tensid wirksam verhindert und deren Trenneffizienz und Reinheit in der Röhrenzentrifuge verbessert werden.
Filterung von Verunreinigungen mit großen Partikeln
Die gemischte Flüssigkeit kann grobe Verunreinigungen wie Staub und unlösliche Feststoffpartikel enthalten. Diese groben Verunreinigungen können die Zuleitung der Zentrifuge verstopfen oder die Trommel beschädigen und somit den ordnungsgemäßen Betrieb der Anlage beeinträchtigen. Daher muss vor der Zufuhr eine Vorfiltration durchgeführt werden, um diese groben Verunreinigungen zu entfernen. Zur Vorbehandlung können Verfahren wie Siebfiltration und Mikroporenmembranfiltration eingesetzt werden.
(II) Wartung und Instandhaltung der Ausrüstung
Regelmäßige Trommelkontrolle
Die Trommel der Rohrzentrifuge ist bei hohen Drehzahlen enormen Zentrifugalkräften ausgesetzt und unterliegt daher einem gewissen Verschleiß. Der Verschleißzustand der Trommel muss regelmäßig überprüft werden. Stark verschlissene Trommeln müssen umgehend ausgetauscht werden, um Sicherheitsunfälle durch Trommelbruch zu vermeiden. Gleichzeitig ist die dynamische Auswuchtung der Trommel zu kontrollieren, um die Stabilität der Zentrifuge im Betrieb zu gewährleisten. Bei Rohrzentrifugen zur Nanopartikeltrennung ist der einwandfreie Zustand der Trommel aufgrund der extrem hohen Anforderungen an die Trenngenauigkeit besonders wichtig.
Wartung der Antriebsvorrichtung und der Dichtungen
Die Antriebseinheit ist eine Schlüsselkomponente für den einwandfreien Betrieb der Zentrifuge. Schmieren und warten Sie diese regelmäßig, überprüfen Sie den Zustand von Komponenten wie Motor und Riemen und tauschen Sie beschädigte Teile umgehend aus. Die einwandfreie Funktion der Dichtungen ist entscheidend, um Leckagen zu vermeiden. Überprüfen und ersetzen Sie die Dichtungen regelmäßig, um die interne Abdichtung der Zentrifuge sicherzustellen und Materialverluste sowie das Eindringen von Verunreinigungen zu verhindern, welche die Trennleistung und Reinheit der Nanopartikel beeinträchtigen könnten.
(III) Optimierung der Betriebsparameter
Anpassen der Drehzahl
Die Drehzahl der Rohrzentrifuge ist entsprechend der Dichte, Partikelgröße und den Trennanforderungen der Nanopartikel anzupassen. Eine zu hohe Drehzahl kann zur Aggregation oder Beschädigung der Nanopartikel führen, während eine zu niedrige Drehzahl die Trennleistung beeinträchtigt. Die optimale Drehzahl sollte experimentell ermittelt werden, um sowohl die Trennwirkung als auch den maximalen Schutz der Integrität und Leistungsfähigkeit der Nanopartikel zu gewährleisten. Beispielsweise kann bei Nanopolymerpartikeln mit relativ geringer Dichte und kleiner Partikelgröße eine angemessene Reduzierung der Drehzahl die Beschädigung der Partikel durch zu hohe Scherkräfte vermeiden; bei Metallnanopartikeln mit relativ hoher Dichte kann eine angemessene Erhöhung der Drehzahl die Trennleistung steigern.
Steuerung der Fütterungsgeschwindigkeit
Eine zu hohe Zuführungsgeschwindigkeit führt zu einer ungleichmäßigen Materialverteilung in der Zentrifuge und beeinträchtigt somit den Trenneffekt; eine zu niedrige Zuführungsgeschwindigkeit reduziert die Produktionseffizienz. Entsprechend der Verarbeitungskapazität der Zentrifuge und den Eigenschaften der Nanopartikel-Mischflüssigkeit muss die Zuführungsgeschwindigkeit präzise gesteuert werden, um einen stabilen Betrieb der Zentrifuge zu gewährleisten. Im Allgemeinen kann die Zuführungsgeschwindigkeit zu Beginn der Trennung angemessen reduziert und nach Erreichen eines stabilen Betriebszustands der Zentrifuge schrittweise auf einen geeigneten Wert angepasst werden. Dabei ist auf eine kontinuierliche und stabile Zuführung zu achten, um eine Verschlechterung des Trenneffekts durch Zuführungsschwankungen zu vermeiden.
 |  |
VI. Schlussfolgerung
Dank ihrer Vorteile wie hoher Trenngenauigkeit, effizienter und schneller Trennung sowie schonender Trennprozesse bietet die Rohrzentrifuge großes Anwendungspotenzial und ist im Bereich der Nanopartikeltrennung von großem Wert. Von der Materialwissenschaft über die Biomedizin bis hin zur Elektronik und zahlreichen weiteren Gebieten leistet die Rohrzentrifuge einen wichtigen technischen Beitrag zur Herstellung, Reinigung und Anwendung von Nanopartikeln und fördert so die rasante Entwicklung und breite Anwendung der Nanotechnologie. Mit den stetig steigenden Anforderungen an Nanomaterialien und der kontinuierlichen Erweiterung der Anwendungsgebiete der Nanotechnologie wird die Rohrzentrifuge hinsichtlich Geräteoptimierung und intelligenter Steuerung kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert. Dadurch werden die Trenneffizienz und -qualität von Nanopartikeln weiter gesteigert und ein größerer Beitrag zur wissenschaftlichen und technologischen Innovation sowie zur industriellen Entwicklung in verschiedenen Bereichen geleistet.
