磁性顆粒在磁場中之運動軌跡

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蕭凱文(kao-wen shou) 查詢紙本館藏

畢業系所

環境工程研究所

論文名稱

磁性顆粒在磁場中之運動軌跡
(Magnetic-field-induced collisions of magnetic particles)

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摘要(中)

膠體一般被定義為1～10 μm之微細顆粒，由於尺寸的關係而不易因重力導致沈降，然而當兩顆粒相互接近時，會因彼此作用力的影響，導致碰撞行為的發生。關於膠體間作用力的探討，由科學家Derjaguin and Landau與Verwey and Overbeek分別在同一年時間先後提出的理論最廣為大家所熟知，簡稱為DLVO理論。DLVO理論把膠體間作用力主要分為凡得瓦爾吸引力及靜電斥力。若是顆粒具有磁性時，外加磁場會使得顆粒間產生一額外的磁偶吸引力而相互聚集。
本研究係利用影像攝錄系統及處理軟體，觀察及分析磁性顆粒在磁場中運動行為，並與軌跡模式模擬之結果進行比較。結果發現，因為兩顆粒間隔距離隨著顆粒濃度升高而縮短，又兩顆粒間磁偶極吸引力的大小會隨著磁場強度升高而增強，因此，顆粒碰撞的特徵時間會隨著顆粒濃度的升高，或是磁場強度的增強而縮短。就兩顆粒運動軌跡圖來看，雖然兩顆粒中心點連線與磁場方向之夾角的改變，會造成運動軌跡的變化，但大部分都是呈現實驗分析與軌跡模式運算相似的情況。相異情況的發生是因為軌跡模式所模擬的情況並沒有考慮周圍顆粒的影響，所以造成在低磁場時，若兩顆粒中心點連線與磁場方向之初始夾角大於54.7度，實驗分析與模式運算所得之結果會出現截然不同的結果。

摘要(英)

Colloid is generally defined as particle between 1 μm and 10 μm. When two particles approach each other, several types of interaction can come into play which may have a major effect on the collision process. The two most familiar colloidal interactions are van der Waals attractions and electrical repulsions, which form the basis of well-known DLVO theory, developed independently by Derjaguin and Landau and Verwey and Overbeek. When a magnetic field is applied to magnetic particles, these particles experience additional attractionse along the direction of the external field and repulsions normal to the external field; as the consequence, chains are formed by magnetic particles.
Magnetic-field-induced collisions of magnetic particles areinvestigated via microscopic visualization system and digital image analysis in this work. The observed collision paths of particles were compared with simulation results obtained from trajectory analysis. Results suggest that the characteristic time decreases with increasing particle concentrations and increasing magnetic field strengths.It was also found that the trajectories of the particles in suspension are similar to those obtained numerically from trajectory analysis. Results also suggest that the angle between the particles centerline and the magnetic field direction affects shapes of both experimental and theoretical collision paths significantly.

關鍵字(中)

★ 軌跡分析
★ 磁性顆粒
★ DLVO理論
★ 膠體

關鍵字(英)

★ trajectory analysis
★ magnetic particle
★ colloid
★ DLVO theory

論文目次

文目錄
第一章前言 1
1.1 研究緣起 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究流程 3
第二章文獻回顧 4
2.1 DLVO理論 4
2.1.1 凡得瓦爾力 4
2.1.2 靜電力 5
2.1.3 一級作用力與二級作用力 10
2.2 磁性顆粒之作用機制 12
2.2.1 磁性物質的種類 13
2.2.2 外加磁力之影響 15
2.2.3 磁性顆粒的排列 18
2.3 膠體顆粒碰撞動力學 19
2.3.1 反應速率方程式 20
2.3.2 特徵時間tB 21
2.4 膠體顆粒碰撞之運動軌跡分析 23
2.4.1 Trajectory analysis軌跡分析演進 23
2.4.2 顆粒間作用力的影響 23
2.4.3 利用軌跡分析推導兩顆粒間相對速度及運動軌跡 24
第三章實驗方法 27
3.1 實驗設備 27
3.2 實驗材料 36
3.3 實驗方法 37
第四章結果與討論 44
4.1兩顆粒運動軌跡圖之比較 44
4.1.1濃度對運動軌跡的影響 44
4.1.2磁場強度對運動軌跡的影響 53
4.1.3系統中其他顆粒對碰撞軌跡的影響 59
4.2 特徵時間 69
4.2.1 濃度改變之影響 69
4.2.2 磁場強度改變之影響 70
第五章結論與建議 72
5.1 結論 72
5.2 建議 73
參考文獻 74
附錄符號說明 80
表目錄
表3-1 各種材料比導磁係數之比較 28
表3-2 矽剛內部H-B關係資料 31
表3-3 當兩顆粒中心點相隔距離變化時磁力與靜電力之比值 42
表4-1 濃度對特徵時間的影響 69
表4-2 磁場強度對特徵時間的影響 70
圖目錄
圖1-1 研究流程 3
圖2-1 Al對Si進行同型取代 6
圖2-2 電雙層與界達電位之關係 7
圖2-3 Stern電位分佈模式 8
圖2-4 兩顆粒之凡得瓦爾力及靜電力與間隔距離之關係 10
圖2-5 一級作用力之總勢能 11
圖2-6 二級作用力之總勢能 11
圖2-7 穩定系統之總勢能 12
圖2-8 順磁性物質 14
圖2-9 反磁性物質 14
圖2-10 鐵磁性與超順磁性之比較 15
圖2-11 加入磁力時顆粒運動情形 16
圖2-12 加入磁力時總勢能之變化 17
圖2-13 長鏈形成及運動的情形 19
圖3-1 實驗設備 27
圖3-2 電磁鐵設計 29
圖3-3 光學顯微鏡 33
圖3-4 壓克力凹槽 34
圖3-5 威力導演軟體視窗 35
圖3-6 Scion Image操作介面 36
圖3-7 利用Scion Image分析圖片的情形 38
圖3-8 錄製並分析顆粒在外加磁場環境下運動情形之實驗流程 39
圖3-9 顆粒運動軌跡分析之流程 40
圖3-10 特徵時間分析之流程 41
圖4-1 高顆粒濃度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角大於54.7度時碰撞過程 46
圖4-2 高顆粒濃度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角大於54.7度時兩顆粒運動軌跡 47
圖4-3 高顆粒濃度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角大於54.7度時兩顆粒相對運動軌跡 47
圖4-4 高顆粒濃度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角小於54.7度時碰撞過程 48
圖4-5 高顆粒濃度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角小於54.7度時兩顆粒運動軌跡 49
圖4-6 高顆粒濃度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角小於54.7度時兩顆粒相對運動軌跡 50
圖4-7 低顆粒濃度下兩顆粒運動軌跡 51
圖4-8 低顆粒濃度下兩顆粒相對運動軌跡 52
圖4-9 低磁場強度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角大於54.7度時碰撞過程 54
圖4-10 低磁場強度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角大於54.7度時兩顆粒運動軌跡 55
圖4-11 低磁場強度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角大於54.7度時兩顆粒相對運動軌跡（兩顆粒初始距離 = 21 μm) 55
圖4-12 低磁場強度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角大於54.7度時兩顆粒相對運動軌跡（兩顆粒初始距離 = 9 μm） 56
圖4-13 低磁場強度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角小於54.7度時兩顆粒運動軌跡 57
圖4-14 不同磁場強度下兩顆粒中心點連線與磁場初始夾角小於54.7度時兩顆粒相對運動軌跡 58
圖4-15 顆粒碰撞受其他顆粒影響時之碰撞過程 60
圖4-16 顆粒碰撞受其他顆粒影響時之運動軌跡 61
圖4-17 顆粒碰撞受其他顆粒影響時之相對運動軌跡 61
圖4-18 預期外的顆粒碰撞過程 63
圖4-19 受長鏈影響之顆粒碰撞過程 64
圖4-20 有其他顆粒影響時兩顆粒相對運動軌跡 65
圖4-21 顆粒受牽制無法碰撞的情形 66
圖4-22 兩顆粒碰撞在一起時未平行磁力線的情況 68
圖4-23電解質濃度對穩定率W的影響 71

參考文獻

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指導教授

秦靜如(Ching-Ju Chin)

審核日期

2004-10-26

推文