DE102023001168A1

DE102023001168A1 - NanoMag: Device and method for the separation of micro- and nano-sized particles using composite magnetic filters

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Publication number: DE102023001168A1
Application number: DE102023001168.1A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-03-27
Filing date: 2023-03-27
Publication date: 2024-10-02

Abstract

Diese Erfindung präsentiert eine Methode und ein Gerät für die effiziente Trennung von kleinen Kunststoffpartikeln, insbesondere solchen im Mikron- und Nanobereich, aus verschmutzten Flüssigkeiten. Bei diesem Verfahren wird die verunreinigte Flüssigkeit durch einen Kompositmagnetfilter geleitet, der Magnetit-Kompositmaterialien enthält, die durch verschiedene Arten von Permanentmagneten magnetisiert werden. Die Komposite können flexibel oder starr sein und integriert oder nicht integriert sein: Es wird bereitgestellt, dass (a) Kunststoffpartikel mit einem Kompositmagnetfilter in Kontakt kommen; (b) Die kleinen Kunststoffteilchen werden durch magnetische Kraft abgeschieden; c) unter Druck stehendes Gas oder ein unter Druck stehendes Gemisch aus Wasser und Gas kann zur Unterstützung des Reinigungsprozesses eingeführt werden. Diese Methode kann die Effizienz des Kunststoffabfallmanagements erheblich verbessern und die Umweltverschmutzung reduzieren.This invention presents a method and apparatus for the efficient separation of small plastic particles, particularly those in the micron and nano range, from contaminated liquids. In this method, the contaminated liquid is passed through a composite magnetic filter containing magnetite composite materials magnetized by various types of permanent magnets. The composites may be flexible or rigid and integrated or non-integrated: it is provided that (a) plastic particles come into contact with a composite magnetic filter; (b) the small plastic particles are separated by magnetic force; c) pressurized gas or a pressurized mixture of water and gas can be introduced to assist the cleaning process. This method can greatly improve the efficiency of plastic waste management and reduce environmental pollution.

Description

Die vorliegende Innovation betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Abtrennung von mikro- und nanogroßen Plastikpartikeln aus einem Flüssigkeits- oder Gasgemisch mittels eines elastischen oder nicht-elastischen Kompositmaterials, der mit Magnetit wie Eisen-Mikro-/Nanopartikeln gefüllt ist. Hierdurch wird die Erfassung kleiner Plastikpartikel durch In-situ-Magnetisierung mit einem Permanentmagneten und anschließende Adsorption auf den Magnetit-komposit ermöglicht. Die erfassten Plastikpartikel werden dann aus dem Kompositmagnetfilter ausgewaschen. Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine effiziente und kostengünstige Methode zur Entfernung von Mikroplastik aus der Umwelt zu schaffen.The present innovation relates to a device and method for separating micro- and nano-sized plastic particles from a liquid or gas mixture using an elastic or non-elastic composite material filled with magnetite such as iron micro/nanoparticles. This enables the capture of small plastic particles by in-situ magnetization with a permanent magnet and subsequent adsorption onto the magnetite composite. The captured plastic particles are then washed out of the composite magnet filter. The aim of the invention is to create an efficient and cost-effective method for removing microplastics from the environment.

Als Mikroplastik werden Plastikpartikel mit einer Größe von weniger als 5 mm definiert. Während größere Mikroplastikpartikel mit verschiedenen Methoden erfasst werden können, liegt die Herausforderung darin, Plastikpartikel mit einer Größe von weniger als 1 mm zu erfassen. Dies ist ein entscheidendes Anliegen, da es immer mehr Hinweise auf das Vorhandensein solcher kleiner Partikel in verschiedenen Ressourcen gibt, einschließlich Trinkwasser, Getränken und sogar Lebensmitteln. Ein weiterer wichtiger Punkt, der berücksichtigt werden muss, ist die Adsorption verschiedener Schadstoffe auf den Oberflächen von Mikroplastikpartikeln. Solche Schadstoffe können giftig sein und bei Aufnahme in den Körper von Lebewesen schädliche Auswirkungen haben, wie in den Referenzen [1, 2, 3] demonstriert wird. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Mikroplastikpartikel als Transportmittel für pathogene Bakterien und Viren dienen können. Die vorgeschlagene Patentanmeldung zielt darauf ab, diese Herausforderung durch einen neuartigen Ansatz zur effektiven Abtrennung dieser Mikroplastikpartikel zu bewältigen und somit das potenzielle Schadensrisiko für die Umwelt, die Gesundheit des Menschen und anderer Lebewesen zu mindern.Microplastics are defined as plastic particles smaller than 5 mm in size. While larger microplastic particles can be detected using various methods, the challenge lies in detecting plastic particles smaller than 1 mm in size. This is a crucial concern as there is increasing evidence of the presence of such small particles in various resources, including drinking water, beverages and even food. Another important point to consider is the adsorption of various pollutants on the surfaces of microplastic particles. Such pollutants can be toxic and cause harmful effects when ingested into the body of living beings, as demonstrated in references [1, 2, 3]. In addition, it has been found that microplastic particles can serve as a vehicle for pathogenic bacteria and viruses. The proposed patent application aims to address this challenge by providing a novel approach to effectively separate these microplastic particles, thus mitigating the potential risk of harm to the environment, human health and other living beings.

Gemäß früheren Studien können Plastikpartikel durch das Magnetfeld, das von einem Permanent- oder Elektromagneten erzeugt wird, absorbiert werden [4]. Die Wirksamkeit dieser Methode kann jedoch beeinträchtigt sein, wenn die Partikel zu klein sind oder wenn die Fließgeschwindigkeit des Fluids die Kraft des Magnetfelds übersteigt und somit die Adsorption verhindert wird. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde eine Erfindung vorgeschlagen, die einen neuen Ansatz zur effizienteren Erfassung von mikro- und nanogroßen Plastikpartikeln bietet.According to previous studies, plastic particles can be adsorbed by the magnetic field generated by a permanent or electromagnet [4]. However, the effectiveness of this method may be compromised if the particles are too small or if the flow velocity of the fluid exceeds the force of the magnetic field, thus preventing adsorption. To overcome these limitations, an invention has been proposed that offers a new approach to capture micro- and nano-sized plastic particles more efficiently.

Der Kompositmagnetfilter ist ein Magnetfiltertyp, der üblicherweise zur Abtrennung von Mikro- und Nanoplastikpartikeln aus Flüssigkeiten oder Gasgemischen eingesetzt wird. Die Kompositmagnetfilter bestehen aus a) natürlichen oder synthetischen nicht-magnetischen Stützmaterialien wie verschiedenen Polymeren, Keramiken oder Fasern sowie magnetischen Partikeln wie Fe+2 und Fe+3, die als Füllstoffe hinzugefügt werden, um ihre magnetischen Eigenschaften zu verbessern und durch b) statische oder nicht-statische Permanentmagneten am Platz magnetisiert.The composite magnetic filter is a type of magnetic filter commonly used to separate micro and nano plastic particles from liquids or gas mixtures. The composite magnetic filters consist of a) natural or synthetic non-magnetic support materials such as various polymers, ceramics or fibers and magnetic particles such as Fe+2 and Fe+3 added as fillers to improve their magnetic properties and magnetized in place by b) static or non-static permanent magnets.

Die Komposite selbst können integrierte oder nicht-integrierte Strukturen aufweisen und können eine Reihe von mechanischen Eigenschaften von flexibel bis nichtflexibel aufweisen, wenn sie dem magnetischen Feld eines Dauermagneten oder elektro-permanenten Magneten ausgesetzt werden. Um die Effizienz der Abscheidung von Mikro- und Nanokunststoffpartikeln weiter zu erhöhen, können die Kompositmaterialien aus mehreren Schichten bestehen. Durch die Kombination der Fähigkeiten von Kompositmagnetfilter mit früheren Techniken wie Magnetfiltern kann das resultierende System eine umfassendere Lösung für die Entfernung von Kunststoffverunreinigungen bieten.The composites themselves can have integrated or non-integrated structures and can exhibit a range of mechanical properties from flexible to inflexible when exposed to the magnetic field of a permanent magnet or electro-permanent magnet. To further increase the efficiency of removing micro- and nanoplastic particles, the composite materials can consist of multiple layers. By combining the capabilities of composite magnetic filters with previous techniques such as magnetic filters, the resulting system can provide a more comprehensive solution for the removal of plastic contaminants.

Das Ziel dieser Erfindung ist es, die Wirksamkeit der aus dem Stand der Technik bekannten Methode zur Abtrennung von Mikroplastik, insbesondere im Größenbereich von weniger als 1 mm, zu verbessern und eine Lösung mit industrieller Glaubwürdigkeit bereitzustellen. Um dieses Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine neuartige Methode zur Trennung von Mikroplastik unter Verwendung eines Kompositmagnetfilters als Hauptgerät vor. Der Kompositmagnetfilter ist eine entscheidende Komponente des vorgeschlagenen Ansatzes und wird in dieser Patentanmeldung ausführlich beschrieben. Daher wird eine Methode zur Trennung von Mikroplastik unter Verwendung eines Kompositmagnetfilters als Geräteeinheit bereitgestellt.The aim of this invention is to improve the effectiveness of the prior art method for separating microplastics, especially in the size range of less than 1 mm, and to provide a solution with industrial credibility. To achieve this goal, the present invention presents a novel method for separating microplastics using a composite magnetic filter as the main device. The composite magnetic filter is a crucial component of the proposed approach and is described in detail in this patent application. Therefore, a method for separating microplastics using a composite magnetic filter as the device unit is provided.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch Verwendung von magnetischer Anziehungskraft als primärer Trennkraft, wie in Anspruch 1 erläutert, erreicht. Ein erheblicher Vorteil der Verwendung von Magnetkraft durch einen Dauermagneten ist der minimale Energieverbrauch und keine Notwendigkeit zur Verwendung chemischer Substanzen zur Erreichung des Ziels, was diese Methode ideal für industrielle Anwendungen macht.The object of the present invention is achieved by using magnetic attraction force as the primary separating force as set out in claim 1. A significant advantage of using magnetic force through a permanent magnet is the minimal energy consumption and no need to use chemical substances to achieve the goal, which makes this method ideal for industrial applications.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Trennung von Plastikpartikeln aus verschmutzter Flüssigkeit wie folgt vorausgesetzt:

a) Die Plastikpartikel in einer Flüssigkeit sind einem magnetischen Feld in einem Kompositmagnetfilter ausgesetzt,
b) Die Plastikpartikel werden durch die Magnetkraft getrennt; und
c) Die adsorbierten Plastikpartikel werden entfernt.

According to the invention, a method for separating plastic particles from contaminated liquid is provided as follows:

a) The plastic particles in a liquid are exposed to a magnetic field in a composite magnetic filter,
b) The plastic particles are separated by the magnetic force; and
c) The adsorbed plastic particles are removed.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist zur Durchführung der Erfindung geeignet.The method according to the invention is suitable for carrying out the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen aus den Figuren beschrieben und soll die Erfindung nicht einschränken.The invention is described below using examples from the figures and is not intended to limit the invention.

Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters

1 A schematic representation of a device according to the invention.
2 A schematic representation of a device with external magnets according to the invention.

Beschreibung der FigurenDescription of the characters

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse (1), das den magnetischen Kompositfilter (2) einschließt. Das Gehäuse (1) ist mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) zur Regulierung des Flüssigkeitsstroms ausgestattet. Der magnetische Kompositfilter (2) besteht aus mehreren Schichten, von denen jede ein magnetisches Kompositmaterial enthält, das magnetische Partikel (5) und einen Permanentmagneten (6) umfasst. Die Permanentmagnete (6), die um die zentrale Welle (7) montiert sind, magnetisieren die magnetischen Kompositschichten (5). Wenn die kontaminierte Flüssigkeit durch den Einlass (3) fließt und durch den Kompositmagnetfilter (2) strömt, werden die Mikroplastikpartikel in der Flüssigkeit aufgrund der magnetischen Anziehungskraft auf die Oberfläche des Kompositmagnetfilters (2) angezogen und adsorbiert. Die gereinigte Flüssigkeit gelangt dann durch die Perforationen in die zentrale Welle (7) und wird schließlich durch den Auslass (4) abgeleitet. Dieser Prozess führt zu einer effektiven Trennung von Mikroplastik aus der kontaminierten Flüssigkeit. 1 shows a schematic representation of a device embodying the present invention. The device comprises a housing (1) enclosing the magnetic composite filter (2). The housing (1) is equipped with an inlet (3) and an outlet (4) for regulating the liquid flow. The magnetic composite filter (2) consists of several layers, each of which contains a magnetic composite material comprising magnetic particles (5) and a permanent magnet (6). The permanent magnets (6) mounted around the central shaft (7) magnetize the magnetic composite layers (5). When the contaminated liquid flows through the inlet (3) and passes through the composite magnetic filter (2), the microplastic particles in the liquid are attracted and adsorbed to the surface of the composite magnetic filter (2) due to the magnetic attraction. The purified liquid then passes through the perforations into the central shaft (7) and is finally discharged through the outlet (4). This process leads to an effective separation of microplastics from the contaminated liquid.

Die Vorrichtung zur Trennung von Mikroplastik mittels eines Kompositmagnetfilters besteht aus einem Gehäuse (1), das mehrere Schichten magnetischen Kompositmaterials (2) und externe Permanentmagnete (3) enthält. Das Gehäuse (1) ist mit einem Einlass (4) und einem Auslass (5) zur Regulierung des Flüssigkeitsflusses ausgestattet. Die verunreinigte Flüssigkeit tritt durch den Einlass (4) ein und durchläuft die Kompositschichten (2) im Filter. In dieser Ausführungsform befinden sich die Permanentmagnete (3) außerhalb des Gehäuses (1) und sind kreisförmig um das Gehäuse (1) angeordnet. Die Magnete (3) sind auf einem Rahmen montiert, der das Gehäuse (1) umgibt und ein magnetisches Feld erzeugt, das durch die magnetischen Kompositschichten (2) hindurchgeht und den Kompositmagnetfilter definiert. Mikroplastikpartikel in der Flüssigkeit werden aufgrund der magnetischen Anziehungskraft, die durch die Magnete (3) erzeugt wird, auf der Oberfläche der magnetischen Kompositschichten (2) adsorbiert. Die gereinigte Flüssigkeit fließt durch die zentrale perforierte Welle (6) und wird durch den Auslass (5) abgeleitet. Diese Konfiguration bietet den Vorteil einer einfachen Wartung (1). Sie ermöglicht auch eine größere Flexibilität in der Gestaltung des Gehäuses (1), da Größe und Form für die spezifische Anwendung optimiert werden können.The device for separating microplastics using a composite magnetic filter consists of a housing (1) containing several layers of magnetic composite material (2) and external permanent magnets (3). The housing (1) is equipped with an inlet (4) and an outlet (5) for regulating the liquid flow. The contaminated liquid enters through the inlet (4) and passes through the composite layers (2) in the filter. In this embodiment, the permanent magnets (3) are located outside the housing (1) and are arranged in a circle around the housing (1). The magnets (3) are mounted on a frame that surrounds the housing (1) and creates a magnetic field that passes through the magnetic composite layers (2) and defines the composite magnetic filter. Microplastic particles in the liquid are adsorbed on the surface of the magnetic composite layers (2) due to the magnetic attraction force generated by the magnets (3). The purified liquid flows through the central perforated shaft (6) and is discharged through the outlet (5). This configuration offers the advantage of easy maintenance (1). It also allows greater flexibility in the design of the housing (1), as the size and shape can be optimized for the specific application.

Referenzen:References:

[1] Nikpay, M., Eqtesadi, S. and Krebs, P., 2020. Influence of synthetic wastewater on entrapped air on the isotactic and atactic polypropylene microplastic surfaces. Journal of Environmental Health Science and Engineering, pp.1-11 .
[2] Nikpay, M., 2022. Wastewater Fines Influence the Adsorption Behavior of Pollutants onto Microplastics. Journal of Polymers and the Environment, 30(2), pp.776-783 .
[3] Nikpay, M., 2022. Polystyrene and Polymethylmethacrylate Microplastics Embedded in Fat, Oil, and Grease (FOG) Deposits of Sewers. Pollution, 8(4), pp.1338-1347 .
[4] Nikpay M, inventor; Helmholtz Center Dresden Rossendorf eV, assignee. Method and device for separating plastic particles. 2020 Aug 20.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Nikpay, M., Eqtesadi, S. and Krebs, P., 2020. Influence of synthetic wastewater on entrapped air on the isotactic and atactic polypropylene microplastic surfaces. Journal of Environmental Health Science and Engineering, pp.1-11 [0012]
Nikpay, M., 2022. Wastewater Fines Influence the Adsorption Behavior of Pollutants onto Microplastics. Journal of Polymers and the Environment, 30(2), pp.776-783 [0012]
Nikpay, M., 2022. Polystyrene and Polymethylmethacrylate Microplastics Embedded in Fat, Oil, and Grease (FOG) Deposits of Sewers. Pollution, 8(4), pp.1338-1347 [0012]

Claims

The present invention discloses a method and apparatus for effectively separating small plastic particles, in particular those with sizes of less than 1 mm and in the micro and nano range, by passing contaminated liquid material containing microplastics through a filter made of composite material and filled with magnetite fillers such as iron, wherein the fillers are magnetized by means of a magnetic field generated by any type of permanent magnets. The method comprises the following steps: a) passing the contaminated liquid material containing microplastics through the composite material; b) magnetizing the magnetite within the composite material with the permanent magnets; c) adsorbing the particles on the magnetized parts of the magnetic filter; and d) separating the particle-free liquid from the composite material, resulting in efficient separation of microplastics from the contaminated liquid material.

device according to Claim 1 , characterized in that it uses composite materials consisting of a matrix material and magnetite fillers. The matrix material is selected from the group of thermoplastics, thermosets, elastomers, ceramics, metals and metal alloys. The magnetite fillers have a particle size of less than 1 mm and make up 10-91 percent by weight of the composite material.

device according to Claim 1 , characterized by various basic geometric shapes of the permanent magnets. These include spherical, cube-shaped, rod-shaped, disc-shaped, ring-shaped or thread-shaped magnets as well as magnets 3D printed directly into the desired shape or permanent electromagnets. All mentioned magnets are defined as permanent magnets and can be used to magnetize the fillers in the composite material of the magnetic filter in the device according to claim 2 be used.

Device according to the preceding claims, characterized in that the permanent magnets comprise neodymium magnets with different classes such as N35, N40, N45, N50 and N52 and a variety of alloys such as NdFeB and NdFeCo as well as samarium cobalt magnets (SmCo) with different classes such as SmCo5 and Sm2Co17. In addition, 3D printed magnets, permanent electromagnets and magnetic filaments can be used.

The composite magnetic filters used in the claims 1 and 2 and are made of non-magnetic supporting materials, can be either of natural or synthetic origin and include various types of plastics, ceramics, glass fibers and carbon fibers, as well as magnetite particles. These materials can be flexible or rigid in nature and can be present as an integrated, coherent structure or as a non-integrated, separate or not fully connected structure in unified form. In combination with the permanent magnets used in the claims 3 and 4 specified, they can achieve efficient separation of small plastic particles, especially those in the micro and nano range.

The composite magnetic filter can be placed at any suitable position within the designed device to ensure smooth fluid flow both into and out of the composite material while ensuring susceptibility to the influence of the magnetic field.

The composite magnetic filter according to the present invention as shown in claims 1 - 6 disclosed is further enhanced by other components including, but not limited to, inlet and outlet valves, flow sensors, and pressure gauges and sensors that allow for accurate monitoring and control of the flow and pressure of the contaminated fluid as it flows through the filter, thereby increasing the overall effectiveness of the separation process.

The composite magnetic filter according to claims 1 - 7 additionally comprises a backwash mechanism or a self-cleaning system for removing trapped particles, the mechanism comprising the introduction of a backwash fluid of clean water, air or a combination of water and gas to loosen and flush the accumulated particles from the filter matrix and thus ensure continuous and efficient filtration.

The composite magnetic filter according to the invention as in claims 1 - 8 further comprises a system for reusing or repurposing the separated plastic particles, whereby the collected particles can be further processed or disposed of in an environmentally friendly manner, thereby promoting sustainability and reducing waste.

The composite magnetic filter of the invention as in claims 1 - 9 described may also include an option for other tools, such as for example, a user interface, a wireless communication system for remote monitoring and control, a combination of hardware and software components for automated operation, an energy storage system and other necessary devices to increase modularity and flexibility.