Aplicação de Centrífugas Tubulares na Separação de Nanopartículas

II. Base de aplicação do princípio de funcionamento das centrífugas tubulares na separação de nanopartículas

Uma centrífuga tubular é composta principalmente de um tambor fino rotativo de alta velocidade, um dispositivo de acionamento, um sistema de alimentação e um sistema de descarga. Sua operação é baseada no princípio da sedimentação centrífuga. Quando um líquido misto contendo nanopartículas entra no tambor rotativo de alta velocidade (a velocidade de rotação geralmente pode atingir 15.000 - 50.000 revoluções por minuto ou até mais) através da porta de alimentação, sob a ação de um forte campo de força centrífuga, devido às diferenças de densidade entre nanopartículas e outros componentes no líquido misturado, mesmo que as nanopartículas sejam extremamente pequenas em tamanho, elas ainda serão submetidas a diferentes graus de força centrífuga. Nanopartículas com maior densidade são submetidas a uma maior força centrífuga e se movem rapidamente em direção à parede do tambor e se acomodam, enquanto a fase líquida com menor densidade e algumas impurezas de baixa densidade ficam mais próximas do centro do tambor. Por meio de um dispositivo de descarga bem projetado, as nanopartículas depositadas na parede do tambor e o líquido transparente próximo ao centro podem ser coletados separadamente, conseguindo assim a separação eficaz das nanopartículas do líquido misturado.

III. Vantagens das Centrífugas Tubulares na Separação de Nanopartículas

(I) Alta Precisão de Separação

Captura precisa de nanopartículas
Para partículas na nanoescala, a velocidade de rotação ultra-alta da centrífuga tubular gera uma forte força centrífuga que pode atuar precisamente nessas partículas minúsculas. Mesmo que as diferenças de densidade entre as nanopartículas sejam extremamente sutis, pode ocorrer estratificação de sedimentação óbvia no campo de força centrífuga. Por exemplo, ao separar nanopartículas de ouro com um tamanho de partícula de 50 a 100 nanômetros de outras impurezas na solução, a centrífuga tubular pode depositar eficientemente as nanopartículas de ouro na parede do tambor, alcançando uma separação precisa do meio circundante, e a pureza da separação pode atingir mais de 95%.

Remoção de pequenas impurezas
A aplicação de nanopartículas requer pureza extremamente alta, pois mesmo uma pequena quantidade de impurezas pode afetar seu desempenho. A poderosa capacidade de separação da centrífuga tubular pode efetivamente remover pequenas impurezas na mistura que são semelhantes em tamanho às nanopartículas, como bactérias, vírus e partículas coloidais. Ao preparar nanodrogas transportadoras no campo biomédico, a centrífuga tubular pode remover potenciais microrganismos e outras impurezas coloidais na solução, garantindo a alta pureza das nanodrogas transportadoras e fornecendo uma garantia confiável para o carregamento e aplicação subsequentes da droga.

(II) Separação rápida e eficiente

Encurtando o tempo de separação
Comparado com métodos tradicionais de separação, como sedimentação por gravidade e filtração, a rotação de alta velocidade da centrífuga tubular acelera muito a velocidade de sedimentação de nanopartículas. A sedimentação por gravidade tradicional pode levar várias horas ou até vários dias para causar sedimentação óbvia de nanopartículas, enquanto a centrífuga tubular pode completar a separação do mesmo volume de líquido misturado em poucos minutos a dezenas de minutos. Na produção em larga escala de nanomateriais, essa característica de separação rápida e eficiente pode melhorar significativamente a eficiência da produção e reduzir os custos de produção. Por exemplo, na produção industrial de nano dióxido de titânio, o uso de uma centrífuga tubular pode encurtar o tempo de separação de várias horas para menos de 30 minutos, aumentando muito a eficiência da produção.

Operação de Separação Contínua
A centrífuga tubular tem as funções de alimentação e descarga contínuas, o que é adequado para os requisitos de separação de nanopartículas em larga escala. Na linha de produção de nanomateriais, o líquido misturado contendo nanopartículas pode ser continuamente alimentado na centrífuga. Após a separação, as nanopartículas separadas e o líquido claro são continuamente produzidos. Todo o processo não requer paradas frequentes, garantindo a continuidade e estabilidade da produção. Este modo de operação contínua não apenas melhora a eficiência da produção, mas também reduz erros e perdas de produtos que podem ser causados ​​por partidas e paradas frequentes do equipamento.

(III) Processo de separação suave

Protegendo a integridade das nanopartículas
As nanopartículas geralmente têm propriedades físicas e químicas especiais e são propensas à agregação, deformação ou mudanças de desempenho devido a fatores externos durante o processo de separação. A força de cisalhamento gerada durante a rotação de alta velocidade da centrífuga tubular é relativamente pequena, o que pode manter a integridade e o desempenho original das nanopartículas na maior extensão. Por exemplo, ao separar nanopartículas de prata com morfologias e propriedades de superfície específicas, o processo de separação suave da centrífuga tubular pode efetivamente evitar a agregação e danos à superfície das nanopartículas de prata, permitindo que elas exerçam totalmente suas propriedades ópticas e elétricas exclusivas em aplicações subsequentes.

Adequado para uma variedade de nanomateriais
Sejam nanopartículas inorgânicas (como nanopartículas de óxido de metal, nanopartículas semicondutoras) ou nanopartículas orgânicas (como nanoesferas de polímero, nanopartículas de lipossomas), a centrífuga tubular pode atingir separação eficiente sob condições brandas. Isso torna a centrífuga tubular amplamente aplicável na preparação e aplicação de diferentes tipos de nanomateriais, fornecendo forte suporte para o desenvolvimento diversificado da nanotecnologia.

IV. Exemplos de aplicação

(I) No Campo da Ciência dos Materiais

Preparação de Nanocompósitos
Ao preparar nanocompósitos, diferentes tipos de nanopartículas precisam ser uniformemente dispersos e combinados. Por exemplo, ao preparar compósitos de matriz metálica reforçada com nanotubos de carbono, é necessário primeiro separar eficientemente os nanotubos de carbono de sua solução mista e então combiná-los com a matriz metálica. A centrífuga tubular pode separar nanotubos de carbono de forma rápida e pura, evitando os danos e resíduos de impurezas dos nanotubos de carbono que podem ser causados ​​por métodos tradicionais de separação, e fornecendo matérias-primas de alta qualidade para a preparação de nanocompósitos de alto desempenho. Após serem separados por uma centrífuga tubular, os nanotubos de carbono, quando combinados com a matriz metálica, melhoram significativamente as propriedades mecânicas do material composto. Sua resistência à tração é aumentada em mais de 30% em comparação com a do material composto sem nanotubos de carbono finos separados.

Preparação de Nanocatalisadores
Os nanocatalisadores têm aplicações importantes na indústria química, e seu desempenho depende muito da pureza e dispersão das nanopartículas. A centrífuga tubular pode ser usada para separar partículas de catalisador em nanoescala da solução precursora do catalisador e remover impurezas e matérias-primas não reagidas. Tomando a preparação de catalisadores de paládio em nanoescala suportados como exemplo, através da separação da centrífuga tubular, partículas de paládio em nanoescala de alta pureza podem ser obtidas, e sua dispersão no suporte é mais uniforme. Usando o catalisador de paládio em nanoescala preparado pela separação da centrífuga tubular, a atividade catalítica em reações de síntese orgânica é aumentada em mais de 20% em comparação com a do catalisador preparado por métodos tradicionais, melhorando significativamente a eficiência e a seletividade das reações químicas.

(II) No Campo Biomédico

Sistemas de administração de nanodrogas
Os sistemas de entrega de nanodrogas encapsulam as drogas em transportadores em nanoescala para obter entrega precisa da droga e liberação controlada. Ao preparar transportadores de nanodrogas (como lipossomas, nanopartículas de polímero), é necessário separar e purificar finamente os materiais transportadores. A centrífuga tubular pode remover efetivamente impurezas e monômeros não montados nos materiais transportadores, melhorando a qualidade e a estabilidade dos transportadores de nanodrogas. Por exemplo, ao preparar nanopartículas de lipossomas de doxorrubicina para tratamento de tumores, a centrífuga tubular pode separar impurezas como drogas livres e moléculas lipídicas não encapsuladas nos lipossomas, aumentando a eficiência de encapsulamento das nanopartículas de lipossomas de doxorrubicina dos 70% originais para mais de 90%, aumentando o direcionamento e o efeito terapêutico da droga.

Detecção de biomarcadores
No diagnóstico biomédico, muitas vezes é necessário separar biomarcadores em nanoescala, como exossomos e nanoanticorpos, de amostras biológicas (como sangue e urina). A centrífuga tubular pode usar sua forte força centrífuga para separar esses biomarcadores em nanoescala de amostras biológicas complexas. Por exemplo, no diagnóstico precoce do câncer, exossomos derivados de tumores são separados do sangue do paciente por meio de uma centrífuga tubular. As proteínas, ácidos nucleicos e outros biomarcadores transportados por exossomos podem ser usados ​​para a triagem precoce e monitoramento da doença do câncer. A capacidade de separação eficiente da centrífuga tubular pode melhorar a eficiência da extração e a pureza dos biomarcadores, fornecendo uma base confiável para o diagnóstico clínico preciso.

(III) No Campo da Eletrônica

Preparação de materiais nanoeletrônicos
Em nanoeletrônica, materiais semicondutores em nanoescala, nanofios metálicos, etc. são as chaves para a construção de dispositivos eletrônicos de alto desempenho. A centrífuga tubular pode ser usada para separar esses materiais nanoeletrônicos da solução de reação e remover impurezas e solventes. Por exemplo, ao preparar materiais de ponto quântico necessários para diodos emissores de luz de ponto quântico (QLEDs), a centrífuga tubular pode separar rapidamente pontos quânticos de alta qualidade, remover surfactantes e matérias-primas não reagidas e melhorar a eficiência luminosa e a estabilidade dos pontos quânticos. Os pontos quânticos preparados pela separação da centrífuga tubular, quando aplicados a dispositivos QLED, têm uma eficiência luminosa aumentada em mais de 15% em comparação com a dos pontos quânticos preparados por métodos tradicionais, promovendo a melhoria do desempenho dos dispositivos nanoeletrônicos.

Tratamento de nanopartículas na fabricação de chips
Durante o processo de fabricação de chips, é necessário separar e processar com precisão partículas fotorresistentes em nanoescala, nanopartículas metálicas, etc. A centrífuga tubular pode separar as nanopartículas necessárias da solução misturada de acordo com as diferenças de densidade das partículas e controlar sua distribuição de tamanho de partícula. Por exemplo, em processos avançados de fabricação de chips, uma centrífuga tubular é usada para separar nanopartículas fotorresistentes dentro de uma faixa de tamanho de partícula específica para a preparação de padrões de fotolitografia de alta precisão, melhorando a precisão e o rendimento da fabricação de chips.

V. Precauções na Aplicação

(I) Pré-tratamento de amostra

Dispersando Nanopartículas
As nanopartículas são propensas à agregação em solução, afetando o efeito de separação. Antes de alimentar o líquido misto contendo nanopartículas na centrífuga tubular, métodos de dispersão apropriados, como dispersão ultrassônica e adição de dispersantes, precisam ser adotados para tornar as nanopartículas uniformemente dispersas na solução. Por exemplo, ao separar partículas de nanossílica, o tratamento ultrassônico e a adição de uma quantidade apropriada de surfactante podem efetivamente prevenir a agregação de partículas de nanossílica e melhorar sua eficiência de separação e pureza na centrífuga tubular.

Filtragem de impurezas de partículas grandes
Pode haver algumas impurezas de partículas grandes no líquido misturado, como poeira e partículas sólidas insolúveis. Essas impurezas de partículas grandes podem obstruir a tubulação de alimentação da centrífuga ou danificar o tambor, afetando a operação normal do equipamento. Portanto, a filtragem preliminar deve ser realizada antes da alimentação para remover essas impurezas de partículas grandes. Métodos como filtragem de tela e filtragem de membrana microporosa podem ser usados ​​para pré-tratamento.

(II) Manutenção e conservação de equipamentos

Verificação regular do tambor
O tambor da centrífuga tubular é submetido a uma enorme força centrífuga durante a rotação de alta velocidade e é propenso a desgaste. Verifique regularmente a condição de desgaste do tambor, localize e substitua prontamente o tambor severamente desgastado para evitar acidentes de segurança causados ​​pela ruptura do tambor. Ao mesmo tempo, verifique o equilíbrio dinâmico do tambor para garantir a estabilidade da centrífuga durante a operação. Para centrífugas tubulares usadas para separação de nanopartículas, devido aos requisitos extremamente altos para precisão de separação, é ainda mais necessário garantir a boa condição do tambor.

Manutenção do dispositivo de condução e vedações
O dispositivo de acionamento é um componente essencial para garantir a operação normal da centrífuga. Lubrifique e faça a manutenção regularmente, verifique o status de funcionamento de componentes como o motor e a correia e substitua prontamente os componentes danificados. O bom desempenho das vedações é crucial para evitar vazamentos. Verifique e substitua regularmente as vedações para garantir a vedação interna da centrífuga, evitando vazamento de material e a entrada de impurezas externas, que podem afetar o efeito de separação e a pureza das nanopartículas.

(III) Otimização dos Parâmetros Operacionais

Ajustando a velocidade de rotação
De acordo com a densidade, tamanho de partícula das nanopartículas e requisitos de separação, ajuste razoavelmente a velocidade de rotação da centrífuga tubular. Uma velocidade de rotação excessivamente alta pode causar agregação ou dano de nanopartículas, enquanto uma velocidade de rotação excessivamente baixa resultará em efeitos de separação ruins. Determine a velocidade de rotação ideal por meio de experimentos para garantir tanto o efeito de separação quanto a proteção máxima da integridade e desempenho das nanopartículas. Por exemplo, para partículas de nanopolímero com densidade relativamente baixa e tamanho de partícula pequeno, reduzir adequadamente a velocidade de rotação pode evitar o dano de partículas causado por força de cisalhamento excessiva; para nanopartículas metálicas com densidade relativamente alta, aumentar adequadamente a velocidade de rotação pode acelerar a velocidade de separação.

Controlando a velocidade de alimentação
Uma velocidade de alimentação excessivamente rápida tornará a distribuição do material na centrífuga irregular, afetando o efeito de separação; uma velocidade de alimentação excessivamente lenta reduzirá a eficiência da produção. De acordo com a capacidade de processamento da centrífuga e as propriedades do líquido misturado de nanopartículas, controle precisamente a velocidade de alimentação para garantir que a centrífuga opere em um estado de trabalho estável. Geralmente, no início da separação, a velocidade de alimentação pode ser reduzida adequadamente e, após a centrífuga operar de forma estável, ela pode ser gradualmente ajustada para uma velocidade de alimentação apropriada. Ao mesmo tempo, deve-se prestar atenção à manutenção da continuidade e estabilidade da alimentação para evitar a deterioração do efeito de separação devido a flutuações de alimentação.

VI. Conclusão

Com suas vantagens de alta precisão de separação, separação rápida e eficiente e um processo de separação suave, a centrífuga tubular mostra grande potencial de aplicação e valor no campo de separação de nanopartículas. Da ciência dos materiais à biomedicina e depois à eletrônica e outros numerosos campos, a centrífuga tubular fornece suporte técnico essencial para a preparação, purificação e aplicação de nanopartículas, promovendo o rápido desenvolvimento e ampla aplicação da nanotecnologia. Com a melhoria contínua dos requisitos de desempenho para nanomateriais e a expansão contínua dos campos de aplicação da nanotecnologia, a centrífuga tubular continuará a inovar e melhorar em termos de otimização de desempenho de equipamentos e controle inteligente, melhorando ainda mais a eficiência de separação e a qualidade das nanopartículas e fazendo maiores contribuições para a inovação científica e tecnológica e o desenvolvimento industrial em vários campos.

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