磁気分離の原理

磁性を持つ対象物質（磁性体）に作用する磁気力は、磁性体のポテンシャルエネルギー の勾配を求めることで得られる[50]。外部磁場Hの中に置かれた磁性体が磁気モーメン トmに磁化した時、この磁性体のポテンシャルエネルギーをUとすると、磁性体に働く 磁気力は、

F_m =−gradU (A.1)

となり、任意の方向rに関しては、

F_r =−∂U

∂r =mgrad_rH =m∂H

∂r (A.2)

と表される[50]。

この式からわかるように、磁性体（磁性粒子）に働く力は磁界の勾配に比例する。

A.2.1 粒子にかかる力

懸濁微粒子を流体として磁界中に流した場合に粒子に働く力は、磁気力F_m、ドラッグ 力（流体からの力、効力とも言う）F_d、慣性力F_iおよび重力F_gである。通常、慣性力 F_iと重力F_gは小さいとして無視する[1]。磁気分離に用いている磁場は流体の流れる方 向に対し垂直に形成されている。磁気分離を行う際は、この２つの力のバランスを考慮す る必要がある。粒子にはたらく磁気力とドラッグ力の関係の概念図を図A.2に示す。

磁気力F_m(Magnetic Force)

磁気力は、粒子が球状である場合に、以下のように表すことができる[60]。分散媒と 懸濁微粒子の磁化率をχ_f, χ_pとし、磁化をM_f,M_pとし、磁気エネルギーをそれぞれ U_f, U_p とする。粒子の半径をr_p、体積をV_p、外部磁場をHとすると、分散媒の磁気エ ネルギーは、磁束密度Bと磁場Hの間には磁化M を用いて、以下の様な関係が存在す ることから、

B=µ₀H+M (A.3)

分散媒の磁気エネルギーは U_f =V_p1

2B·H =V_p1

2(µ₀H·H+µ₀M_f ·H) (A.4) 懸濁微粒子の磁気エネルギーは

U_f =V_p1

2B^′·H =V_p1

2(µ₀H·H+µ₀M_p·H) (A.5) と表せる。一方、懸濁微粒子の磁化M_pは微粒子内部が均一に磁化されているとすると

M_p= 3χ_p 3 +χp

H (A.6)

となるので、これより分散媒中の懸濁微粒子のもつ磁気エネルギーU_mは

U_m =U_f −U_p =V_pµ₀

2 (M_f −M_p)·H =V_pµ₀ 2

−9(χ_p−χ_f)

(3 +χ_f)(3 +χ_p)H·H (A.7) したがって分散媒中の懸濁微粒子に働く磁気力Fmは

F_m =−gradU_m =−grad {

V_pµ₀ 2

−9(χ_p−χ_f) (3 +χ_f)(3 +χ_p)H²

}

(A.8) ベクトル解析の公式grad(f ·g) =f ·gradg+g·gradf、V_p = ³₄πr³_pより

F_m = 3

4µ₀πr³_p 9(χ_p−χ_f)

(3 +χ_f)(3 +χ_p)H·gradH (A.9) と計算できる[60]。

ドラッグ力Fd(Drag by Flow)

懸濁微粒子と分散媒の速度差があると、微粒子は分散媒の液体から力を受けることに なる。この力をドラッグ力と言う[1]。ドラッグ力は磁気力に対抗するようにかかる[60]。 ドラッグ力は磁性粒子の速度をv_p、分散媒の速度をv_f、分散媒の粘度をη、磁性粒子の半 径をr_pとするとStokesの式が使えて

F_d= 6πηr_p(v_f −v_p) (A.10) となり、流速差や粘性に比例して大きくなる。図A.2示したように粒子にかかる力は、

磁気力とドラッグ力の合成となる。図のFmとFdはベクトルである。一般に、磁気力の 方が大きいが、磁気分離を行う際にはドラッグ力も考慮する必要がある[71]。

図A.2: 粒子にかかる磁気力とドラッグ力の概念図

分散媒中の懸濁微粒子を効率良く分離するためには、「磁気力の三要素 粒子体積、

粒子と分散媒の磁化率の差、 磁場勾配」を使いこなす工夫をすることである。式(A.9) の 3

4πr³_p、χ_p−χ_f、gradHを大きくすれば良い。超伝導磁石を用いれば数テスラの強磁場 空間は容易に得られる。さらに、高勾配磁気分離法を用いれば、磁場勾配を大きくするこ とができる。粒子の体積と粒子ー分散媒媒間の磁性差は磁気分離によって大きくすること はできず、前処理の過程でなされる。その手段としては凝集剤添加等による粒子体積の増 大、磁気シーディングによる磁性付与や粒子磁化の増大である[32]（図A.3）。

図A.3: 磁気力による選択分離[32]

A.2.2 高勾配磁気分離

高勾配磁気分離法とは、磁性フィルタにより大きな磁気力を発生させて、磁性物質を磁 性フィルタに吸着させ分離する方法である。磁性フィルタから発生する磁気力F_f は次の ように表される[71]。

F_f = χ µ₀BdB

dZ (A.11)

ここで、Ff は、分離対象物質がうける磁気力、χは、分離対象物質の磁化率、µ0は、

真空の透磁率、Bは、F が発生している場所の磁束密度、dB

dZ は、磁石に垂直な成分の磁 場勾配ある。

式からわかるように、磁気力は、磁束密度と磁場勾配の積に比例する。BdB

dZ の項は、

磁石装置と磁性フィルタの能力によって決まる。BdB

dZ の値が大きくなれば、常磁性タイ ヤ反磁性体などの物質も分離可能になる。

図A.4は、高勾配磁気分離法の磁性フィルタの特徴を表す模式図である。磁気力を磁性 フィルタに作用させた場合、(A.11)式で表される高い磁気力が磁性粒子に作用し磁性粒子 は磁性フィルタに吸着する。磁気力をフィルタに作用させない場合、細かい磁性粒子は目 の粗い磁性フィルタを通過し目詰まりもない。

図A.4: 高勾配磁気分離法の磁性フィルタの特徴