Pemindahan momentum two-hala di antara nanozarak magnetik (MNP) yang bergerak dengan bendalir sekeliling (digelar sebagai kesan hidrodinamik) telah diketahui memainkan paranan yang penting dalam magnetoforesis kecerunan medan rendah yang dikendalikan dalam sistem mikrofluid. Akan tetapi, kesan hidrodinamik atas tingkah laku dinamik untuk pemisahan magnetik kecerunan medan rendah (LGMS) yang berskala makroskopik masih belum diterokai walaupun ianya adalah sangat penting dalam reka bentuk dan pengoptimuman pemisah magnetik bagi aplikasi kejuruteraan. Justeru itu, tujuan utama kajian ini adalah untuk memahami mekanisme asas LGMS, terutamanya mendedahkan kesan hidrodinamik, dan menerbitkan model matematik untuk menggambarkan kelakuan dinamik proses tersebut. Ternyatanya, arus perolakan teraruh oleh magnetoforesis, yang diakibatkan oleh kesan hidrodinamik, telah dibentuk dalam larutan MNP (walaupun dalam kepekatan yang sangat rendah seperti 5 mg/L) yang terdedah kepada medan magnetik kecerunan rendah (<100 T/m) dan menpengaruhi kinetik pemisahannya secara ketara. Perolakan teraruh ini adalah analogi kepada perolakan semulajadi yang didapati dalam pengangkutan haba dan boleh dihuraikan oleh nombor Grashof magnetik yang baru ditakrifkan. Analisa atas nombor Grashof magnetik menunjukkan bahawa perolakan teraruh tidak hadir hanya apabila kepekatan zarah adalah di bawah 0.05 mg/L. Gangguan kesan hidrodinamik dalam LGMS telah menyebabkan dua fenomena yang berikut: (1) homogenasi larutan MNP yang berterusan dan (2) aliran perolakan (halaju perolakan dalam julat 10-5 ke 10-4 m/s dihasilkan) yang mempercepatkan pengumpulan MNP (13 kali ganda berbanding dengan situasi di mana perolakan tidak hadir). Tambahan, kinetik pemisahan LGMS yang didorongi oleh kesan hidrodinamik hanya dikawal oleh kecerunan medan magnetik di permukaan bersebelahan dengan magnet (digelar sebagai “satah pengumpulan zarah” dalam kerja ini) dan luas permukaan satah ini. Selain itu, mekanisme pemisahan LGMS boleh dibahagi berdasarkan julat tiga kuantiti tidak berdimensi (nombor Reynold 𝑅𝑒, nombor Grashof magnetik 𝐺𝑟𝑚 dan parameter pengagregatan N*). Analisa yang terperinci menunjukkan bahawa kebanyakan proses LGMS dalam aplikasi sebenar adalah dikelaskan ke rejim di mana kesan hidrodinamik mendonimasi. Akhir sekali, model matematik yang diterbit di sini dikembangkan lagi dengan mempertimbangkan interaksi antara zarah supaya model ini berupaya untuk menangkap kelakuan dinamik magnetoforesis dalam rejim berinteraksi. Keputusan simulasi model matematik terlanjut ini menunjukkan bahawa kadar pengumpulan magnetoforetik MNP adalah bergantung kepada kepekatan dan fenomena ini adalah konsisten dengan permerhatian yang dilaporkan di literatur sebelum ini. Tambahan, jangkaan model bersetuju dengan keputusan eksperimen dalam kerja ini secara tepatnya. Oleh yang demikian, pemahaman asas dan model matematik yang diterbit dalam kajian ini adalah penting dalam dan berkaitan dengan reka bentuk pemisah magnetik kecerunan rendah untuk aplikasi kejuruteraan. _______________________________________________________________________
Two-ways momentum transfer between moving magnetic nanoparticles (MNPs) and surrounding fluid (which is known as hydrodynamic effect) has been revealed to portray a vital role in low field gradient magnetophoresis conducted under microfluidic system. However, the effect of hydrodynamic on dynamical behavior of macroscopically scaled low gradient magnetic separation (LGMS) still remains unexplored even through it is particularly crucial in the design and optimization of magnetic separator for engineering applications. Therefore, it is the main purpose of this study is to understand the underlying mechanism of LGMS, especially to demonstrate the effect of hydrodynamic, and develop mathematical model to depict the dynamical behavior of this process. Evidently, magnetophoresis induced convective flow, which is resulted from hydrodynamic effect, was generated in MNP solution (even at very low particle concentration of 5 mg/L) subjected to low gradient magnetic field (<100 T/m) and significantly affects separation kinetics of it. Such induced convection is analogous to the natural convection found in heat transportation and can be characterized by the newly defined magnetic Grashof number. The analysis on magnetic Grashof number reveals that induced convection is only absent when particle concentration is below 0.05 mg/L. The intervention of hydrodynamic effect in LGMS has led to the two following phenomena: (1) the continuous homogenization of the MNP solution and (2) accompanying sweeping flow (convective velocity of 10-5 to 10-4 m/s was induced) that accelerates the collection of MNP (13 times fastercompared to the case without convection). Additionally, separation kinetics of hydrodynamically driven LGMS is solely controlled by the magnetic field gradient at the surface adjacent to the magnet (denoted as the “collection plane of particles” in this work) as well as the area of this surface and is independent of the magnetic field distribution across the solution. Also, the separation mechanism of LGMS can be classified according to the range of three dimensionless quantities (Reynold number 𝑅𝑒, magnetic Grashof number 𝐺𝑟𝑚 and aggregation parameter N*). The detailed analysis shows that most LGMS processes in real time application are classified into the regimes where hydrodynamic effect is dominating. Finally, the mathematical model developed here is further extended by incorporating interparticle interaction such that the model is able to capture the dynamical behaviour of magnetophoresis in interacting regime. The simulation results of the extended mathematical model shows that the magnetophoretic collection rate of MNPs is concentration dependent and this phenomenon is consistent with the observation reported in previous publications. In addition, the model predictions obey the experimental results in this work up to great accuracy. Thus, the fundamental understanding and mathematical models developed in this study are of crucial relevance in the design of low gradient magnetic separators for engineering applications.
Hydrodynamic effect on low field gradient magnetophoresis of superparamagnetic nanoparticles_Leong Sim Siong_K4_2017_MYMY