Применение трубчатых центрифуг для разделения наночастиц

II. Принципы применения трубчатых центрифуг для разделения наночастиц.

Трубчатая центрифуга в основном состоит из высокоскоростного вращающегося тонкого барабана, приводного устройства, системы подачи и системы выгрузки. Ее работа основана на принципе центробежного осаждения. Когда смешанная жидкость, содержащая наночастицы, поступает в высокоскоростной вращающийся барабан (скорость вращения обычно достигает 15 000–50 000 оборотов в минуту или даже выше) через загрузочное отверстие, под действием сильного центробежного поля, из-за разницы в плотности между наночастицами и другими компонентами в смешанной жидкости, даже несмотря на чрезвычайно малый размер наночастиц, они все равно будут подвергаться различной степени центробежной силы. Наночастицы с более высокой плотностью подвергаются большей центробежной силе и быстро перемещаются к стенке барабана и оседают, в то время как жидкая фаза с более низкой плотностью и некоторые примеси с низкой плотностью остаются ближе к центру барабана. Благодаря продуманной конструкции разгрузочного устройства наночастицы оседают на стенках барабана, а прозрачная жидкость вблизи центра собирается отдельно, что обеспечивает эффективное отделение наночастиц от смешанной жидкости.

III. Преимущества трубчатых центрифуг при разделении наночастиц

(I) Высокая точность разделения

Точный захват наночастиц

Для частиц наноразмера сверхвысокая скорость вращения трубчатой ​​центрифуги создает сильную центробежную силу, которая может точно воздействовать на эти мельчайшие частицы. Даже если различия в плотности между наночастицами крайне незначительны, в поле центробежной силы может происходить явное седиментационное расслоение. Например, при отделении золотых наночастиц размером 50–100 нанометров от других примесей в растворе трубчатая центрифуга может эффективно осаждать золотые наночастицы на стенках барабана, обеспечивая точное отделение от окружающей среды, а чистота разделения может достигать более 95%.

Удаление мельчайших примесей

Применение наночастиц требует чрезвычайно высокой чистоты, поскольку даже мельчайшие примеси могут повлиять на их эффективность. Мощная разделительная способность трубчатой ​​центрифуги позволяет эффективно удалять из смеси мельчайшие примеси, по размеру схожие с наночастицами, такие как бактерии, вирусы и коллоидные частицы. При приготовлении наноносителей лекарственных средств в биомедицинской области трубчатая центрифуга может удалять потенциальные микроорганизмы и другие коллоидные примеси из раствора, обеспечивая высокую чистоту наноносителей и предоставляя надежную гарантию для последующей загрузки и применения лекарственных средств.

(II) Эффективное и быстрое разделение

Сокращение времени разделения

По сравнению с традиционными методами разделения, такими как гравитационное осаждение и фильтрация, высокоскоростное вращение трубчатой ​​центрифуги значительно ускоряет процесс осаждения наночастиц. Традиционное гравитационное осаждение может занимать несколько часов или даже несколько дней для достижения заметного осаждения наночастиц, в то время как трубчатая центрифуга может завершить разделение того же объема смешанной жидкости за несколько минут или даже за десятки минут. В крупномасштабном производстве наноматериалов эта эффективная и быстрая характеристика разделения может значительно повысить эффективность производства и снизить производственные затраты. Например, в промышленном производстве наночастиц диоксида титана использование трубчатой ​​центрифуги позволяет сократить время разделения с нескольких часов до менее чем 30 минут, значительно повышая эффективность производства.

Непрерывная операция разделения

Трубчатая центрифуга обладает функциями непрерывной подачи и выгрузки, что подходит для разделения наночастиц в больших масштабах. На линии по производству наноматериалов смешанная жидкость, содержащая наночастицы, может непрерывно подаваться в центрифугу. После разделения отделенные наночастицы и чистая жидкость непрерывно выводятся. Весь процесс не требует частых остановок, обеспечивая непрерывность и стабильность производства. Этот непрерывный режим работы не только повышает эффективность производства, но и снижает количество ошибок и потерь продукции, которые могут быть вызваны частыми запусками и остановками оборудования.

(III) Бережный процесс разделения

Защита целостности наночастиц

Наночастицы обычно обладают особыми физическими и химическими свойствами и склонны к агрегации, деформации или изменению характеристик под воздействием внешних факторов в процессе разделения. Сила сдвига, возникающая при высокоскоростном вращении трубчатой ​​центрифуги, относительно невелика, что позволяет максимально сохранить целостность и первоначальные характеристики наночастиц. Например, при разделении наночастиц серебра со специфической морфологией и свойствами поверхности, щадящий процесс разделения в трубчатой ​​центрифуге позволяет эффективно избежать агрегации и повреждения поверхности наночастиц серебра, что дает возможность им в полной мере проявить свои уникальные оптические и электрические свойства в последующих применениях.

Подходит для различных наноматериалов.

Независимо от того, являются ли это неорганические наночастицы (например, наночастицы оксидов металлов, полупроводниковые наночастицы) или органические наночастицы (например, полимерные наносферы, липосомные наночастицы), трубчатая центрифуга позволяет эффективно разделять вещества в мягких условиях. Это делает трубчатую центрифугу широко применимой в подготовке и использовании различных типов наноматериалов, обеспечивая мощную поддержку разнообразному развитию нанотехнологий.

IV. Примеры применения

(I) В области материаловедения

Получение нанокомпозитов

При приготовлении нанокомпозитов необходимо равномерно диспергировать и комбинировать различные типы наночастиц. Например, при приготовлении металломатричных композитов, армированных углеродными нанотрубками, сначала необходимо эффективно отделить углеродные нанотрубки от их смешанного раствора, а затем соединить их с металлической матрицей. Трубчатая центрифуга позволяет быстро и чисто отделить углеродные нанотрубки, избегая повреждений и остатков примесей, которые могут возникать при традиционных методах разделения, и обеспечивая высококачественное сырье для приготовления высокоэффективных нанокомпозитов. После отделения с помощью трубчатой ​​центрифуги углеродные нанотрубки, в сочетании с металлической матрицей, значительно улучшают механические свойства композитного материала. Его прочность на растяжение увеличивается более чем на 30% по сравнению с композитным материалом без мелкодисперсных углеродных нанотрубок.

Получение нанокатализаторов

Нанокатализаторы находят важное применение в химической промышленности, и их эффективность в значительной степени зависит от чистоты и дисперсии наночастиц. Трубчатая центрифуга может использоваться для отделения наночастиц катализатора от раствора прекурсора катализатора и удаления примесей и непрореагировавшего сырья. В качестве примера рассмотрим приготовление нанесенных на носитель наночастиц палладия: с помощью центрифугирования можно получить наночастицы палладия высокой чистоты, и их дисперсия на носителе будет более равномерной. Использование наночастиц палладия, полученных методом центрифугирования, повышает каталитическую активность в реакциях органического синтеза более чем на 20% по сравнению с катализатором, полученным традиционными методами, что значительно улучшает эффективность и селективность химических реакций.

(II) В биомедицинской области

Наносистемы доставки лекарств

Нанотехнологические системы доставки лекарств инкапсулируют препараты в наноразмерные носители для достижения точной доставки и контролируемого высвобождения лекарственных средств. При приготовлении наноносителей лекарств (таких как липосомы, полимерные наночастицы) необходимо тщательно разделять и очищать материалы-носители. Трубчатая центрифуга может эффективно удалять примеси и несвязанные мономеры из материалов-носителей, улучшая качество и стабильность наноносителей лекарств. Например, при приготовлении липосомальных наночастиц доксорубицина для лечения опухолей трубчатая центрифуга может отделять примеси, такие как свободные лекарственные средства и неинкапсулированные липидные молекулы в липосомах, повышая эффективность инкапсуляции липосомальных наночастиц доксорубицина с исходных 70% до более чем 90%, усиливая таргетную доставку и терапевтический эффект препарата.

Обнаружение биомаркеров

В биомедицинской диагностике часто возникает необходимость отделения наноразмерных биомаркеров, таких как экзосомы и наноантитела, от биологических образцов (например, крови и мочи). Трубчатая центрифуга, используя свою мощную центробежную силу, позволяет отделять эти наноразмерные биомаркеры от сложных биологических образцов. Например, при ранней диагностике рака экзосомы, полученные из опухоли, отделяются от крови пациента с помощью трубчатой ​​центрифуги. Белки, нуклеиновые кислоты и другие биомаркеры, переносимые экзосомами, могут быть использованы для раннего скрининга и мониторинга онкологических заболеваний. Эффективная способность трубчатой ​​центрифуги к разделению позволяет повысить эффективность экстракции и чистоту биомаркеров, обеспечивая надежную основу для точной клинической диагностики.

(III) В области электроники

Получение наноэлектронных материалов

В наноэлектронике полупроводниковые материалы наноразмерного масштаба, металлические нанопроволоки и т.д. являются ключом к созданию высокоэффективных электронных устройств. Трубчатая центрифуга может использоваться для отделения этих наноэлектронных материалов от реакционного раствора и удаления примесей и растворителей. Например, при подготовке материалов на основе квантовых точек, необходимых для светодиодов на основе квантовых точек (QLED), трубчатая центрифуга позволяет быстро отделить высококачественные квантовые точки, удалить поверхностно-активные вещества и непрореагировавшие исходные материалы, а также повысить светоотдачу и стабильность квантовых точек. Квантовые точки, полученные методом разделения в трубчатой ​​центрифуге, при применении в устройствах QLED демонстрируют увеличение светоотдачи более чем на 15% по сравнению с квантовыми точками, полученными традиционными методами, что способствует повышению производительности наноэлектронных устройств.

Обработка наночастиц в процессе производства микросхем

В процессе производства микросхем необходимо точно разделять и обрабатывать наночастицы фоторезиста, металлические наночастицы и т. д. Трубчатая центрифуга позволяет отделять необходимые наночастицы от смешанного раствора в соответствии с различиями в плотности частиц и контролировать их распределение по размерам. Например, в передовых процессах производства микросхем трубчатая центрифуга используется для разделения наночастиц фоторезиста в определенном диапазоне размеров для подготовки высокоточных фотолитографических рисунков, что повышает точность и выход годной продукции при производстве микросхем.

V. Меры предосторожности при применении

(I) Предварительная обработка образца

Диспергирование наночастиц

Наночастицы склонны к агрегации в растворе, что влияет на эффективность разделения. Перед подачей смешанной жидкости, содержащей наночастицы, в трубчатую центрифугу необходимо применить соответствующие методы диспергирования, такие как ультразвуковая дисперсия и добавление диспергирующих веществ, чтобы обеспечить равномерное распределение наночастиц в растворе. Например, при разделении наночастиц диоксида кремния ультразвуковая обработка и добавление соответствующего количества поверхностно-активного вещества могут эффективно предотвратить агрегацию наночастиц диоксида кремния и повысить эффективность и чистоту их разделения в трубчатой ​​центрифуге.

Фильтрация крупных частиц-примесей

В смешанной жидкости могут присутствовать крупные частицы примесей, такие как пыль и нерастворимые твердые частицы. Эти крупные частицы могут засорить подающий трубопровод центрифуги или повредить барабан, что повлияет на нормальную работу оборудования. Поэтому перед подачей необходимо провести предварительную фильтрацию для удаления этих крупных частиц. Для предварительной обработки можно использовать такие методы, как ситовая фильтрация и фильтрация через микропористые мембраны.

(II) Техническое обслуживание и ремонт оборудования

Регулярная проверка барабана

Барабан трубчатой ​​центрифуги подвергается огромной центробежной силе во время высокоскоростного вращения и подвержен износу. Необходимо регулярно проверять состояние износа барабана, оперативно выявлять и заменять сильно изношенные барабаны, чтобы предотвратить аварии, вызванные их разрывом. Одновременно следует проверять динамическую балансировку барабана для обеспечения стабильности работы центрифуги. Для трубчатых центрифуг, используемых для разделения наночастиц, в связи с чрезвычайно высокими требованиями к точности разделения, обеспечение надлежащего состояния барабана является еще более важным.

Обслуживание приводного механизма и уплотнений.

Приводное устройство является ключевым компонентом, обеспечивающим нормальную работу центрифуги. Регулярно смазывайте и обслуживайте его, проверяйте рабочее состояние таких компонентов, как двигатель и ремень, и своевременно заменяйте поврежденные детали. Качественная работа уплотнений имеет решающее значение для предотвращения утечек. Регулярно проверяйте и заменяйте уплотнения, чтобы обеспечить внутреннюю герметизацию центрифуги, предотвращая утечку материала и попадание внешних примесей, которые могут повлиять на эффективность разделения и чистоту наночастиц.

(III) Оптимизация рабочих параметров

Регулировка скорости вращения

В зависимости от плотности, размера наночастиц и требований к разделению, следует разумно регулировать скорость вращения трубчатой ​​центрифуги. Чрезмерно высокая скорость вращения может привести к агрегации или повреждению наночастиц, в то время как чрезмерно низкая скорость вращения приведет к ухудшению результатов разделения. Оптимальную скорость вращения следует определять экспериментальным путем, чтобы обеспечить как эффективность разделения, так и максимальную защиту целостности и характеристик наночастиц. Например, для наночастиц полимеров с относительно низкой плотностью и малым размером частиц соответствующее снижение скорости вращения позволит избежать повреждения частиц, вызванного чрезмерной силой сдвига; для металлических наночастиц с относительно высокой плотностью соответствующее увеличение скорости вращения позволит ускорить процесс разделения.

Регулирование скорости подачи

Чрезмерно высокая скорость подачи приведет к неравномерному распределению материала в центрифуге, что повлияет на эффективность разделения; чрезмерно низкая скорость подачи снизит производительность. В зависимости от производительности центрифуги и свойств смешанной жидкости с наночастицами, скорость подачи следует точно контролировать, чтобы обеспечить стабильную работу центрифуги. Как правило, в начале разделения скорость подачи можно соответствующим образом снизить, а после стабилизации работы центрифуги ее можно постепенно регулировать до оптимальной скорости подачи. В то же время следует уделять внимание поддержанию непрерывности и стабильности подачи, чтобы избежать ухудшения эффективности разделения из-за колебаний скорости подачи.

VI. Заключение

Благодаря высокой точности разделения, эффективности и быстроте разделения, а также щадящему процессу разделения, трубчатая центрифуга демонстрирует большой потенциал применения и ценность в области разделения наночастиц. От материаловедения до биомедицины, а затем до электроники и многих других областей, трубчатая центрифуга обеспечивает ключевую техническую поддержку для подготовки, очистки и применения наночастиц, способствуя быстрому развитию и широкому применению нанотехнологий. С постоянным повышением требований к характеристикам наноматериалов и непрерывным расширением областей применения нанотехнологий, трубчатая центрифуга будет продолжать совершенствоваться и улучшаться с точки зрения оптимизации характеристик оборудования и интеллектуального управления,进一步 повышая эффективность и качество разделения наночастиц и внося больший вклад в научно-технические инновации и промышленное развитие в различных областях.