Magnetische vloeistof is stabiel bij sterke magnetische velden

Het scheiden van afgedankte elektronische onderdelen is nu nog een grote uitdaging, omdat ze in water allemaal meteen naar de bodem zakken. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben samen met onderzoekers uit Nijmegen een magnetische vloeistof gemaakt die stabiel is bij sterke magneetvelden.

Ze hebben de onderzoeksresultaten onlangs gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters. De kennis willen ze toepassen op grote schaal elektronica automatisch te scheiden.

Door objecten in het water te leggen, zijn materialen met verschillende dichtheden eenvoudig van elkaar te scheiden. Zo zinkt een steen meteen naar de bodem omdat deze een hogere dichtheid dan water heeft en blijft een stuk hout drijven door de lagere dichtheid. Dit principe wordt al gebruikt bij afvalscheiding.

Magnetische deeltjes

Om soorten plastic te kunnen scheiden volstaat water echter niet. De dichtheden van de verschillende soorten plastic liggen te dicht bij elkaar. Bij recyclingbedrijf Plastic Recycling Amsterdam wordt plastic gescheiden met behulp van magnetische vloeistoffen. Dit zijn vloeistoffen met kleine magnetische deeltjes erin, die zorgen voor bijzondere eigenschappen.

In de nabijheid van een magneet heeft de vloeistof een effectieve dichtheid die geleidelijk verandert naar mate de vloeistof dichterbij de magneet is. De effectieve dichtheid is de dichthed die een object in de vloeistof als het ware 'voelt' door de combinatie van de daadwerkelijke dichtheid van de vloeistof en de magnetische kracht die op de vloeistof werkt. De magnetische vloeistof wil zo dicht mogelijk bij de magneet blijven. Dus hoe dichterbij de magneet, hoe hoger de effectieve dichtheid van de vloeistof. Laat je stukken van verschillende soorten plastic los in deze vloeistof, dan zullen ze op verschillende hoogtes drijven naar gelang hun dichtheid. Hoe zwaarder ze zijn, hoe makkelijker ze de magnetische deeltjes kunnen wegduwen bij de magneet vandaan en hoe lager het soort plastic in de vloeistof zweeft. Zo kunnen plastic afvaldeeltjes met bijna dezelfde dichtheden toch van elkaar worden gescheiden door het magnetisch veld. Dit principe heet magnetische dichtheidsscheiding (MDS).

In de fabriek worden de plastic afvaldeeltjes meegenomen in een stroom van magnetische vloeistof. Waar de vloeistof over een magneet stroomt, vindt het scheiden van het plastic plaats. Op verschillende hoogten in de vloeistof zweven de verschillende soorten plastic. Na het scheiden worden de verschillende fracties apart opgevangen door platen op de verschillende hoogtes en zodra de vloeistof voorbij de magneet is, zakken de plastic deeltjes op de platen en worden ze gescheiden uit de vloeistof gehaald.

Sterke magneten

Elektronica onderdelen zijn nog niet te scheiden met deze methode. Ook hier ligt de dichtheid van de verschillende materialen vaak dicht bij elkaar, alleen zijn ze veel hoger dan die van water. In water zinken ze stuk voor stuk naar de bodem. En om ze te laten drijven is een veel sterker veld nodig dan voor plastic. Daarom werken verschillende onderzoekers samen met het Amsterdamse recyclebedrijf om een nieuwe opstelling te maken die ook deze materialen kan scheiden.

‘Er komt behoorlijk wat kijken om een industriële opstelling te maken die elektronica kan scheiden’, zegt Alex van Silfhout, promovendus aan de Universiteit Utrecht. ‘Wij onderzoeken de magnetische vloeistoffen en of deze stabiel zijn in het bijzijn van sterke magneten.’

IJzeroxide deeltjes

De onderzoekers hebben een veel gebruikte magnetische vloeistof bestudeerd van ijzeroxide deeltjes in water. ‘Het gedrag van magnetische vloeistoffen in sterke magnetische velden is vrijwel onbekend’, licht Van Silfhout toe. ‘Daarom hebben we ervoor gekozen een vloeistof te bestuderen waarvan het gedrag in zwakke magnetische velden al bekend is.’

De uitdaging met deze vloeistoffen is dat zodra er een magneet in de buurt komt al de kleine magnetische deeltjes in de vloeistof worden gepolariseerd: ze krijgen een plus- en een minpool. Daardoor trekken ze elkaar aan en ontstaat er een grote, vaste klont. Hoe sterker het magnetisch veld, hoe sterker de aantrekking van de deeltjes.

Sterkste magneet

Er zijn verschillende trucjes om ze ondanks de aanwezigheid van een magneet uit elkaar te halen. Bijvoorbeeld door de deeltjes negatief geladen te maken. Zo stoten ze elkaar af en kunnen ze niet samenklonteren. ‘Dit wordt al toegepast voor magnetische vloeistoffen in zwakke magnetische velden’, legt Van Silfhout uit. ‘Wij hebben de formule geoptimaliseerd zodat de vloeistof ook stabiel is bij sterke magnetische velden. De ladingen van de deeltjes moesten zo sterk zijn dat ze ook bij sterke magneten elkaar nog steeds afstoten.’

En dat is gelukt. Ze hebben de vloeistof getest bij de Radboud Universiteit Nijmegen, waar een van de sterkste magneten ter wereld staat met een speciaal gebouwde opstelling. ‘We mochten onze vloeistof natuurlijk niet zomaar in de magneten plaatsen, dus hebben de onderzoekers uit Nijmegen ons geholpen om de vloeistof te meten in deze enorme magneten’, aldus Van Silfhout.

Nog enkele jaren

Van Silfhout kijkt nu met Plastic Recycling Amsterdam hoe deze kennis kan worden vertaaldnaar de magnetische vloeistoffen die het bedrijf gebruikt. Maar eer deze echt mee zullen draaien in een industriële opstelling zal volgens hem nog wel even duren. ‘Voor dit onderzoek hebben we de sterke magneten uit Nijmegen kunnen gebruiken. Voor de industriële opstelling worden compleet magneten worden ontwikkeld. En dan moeten ze ook nog kijken hoe de vloeistof moet stromen om de materialen goed te scheiden. Al met al kan dat nog een behoorlijke tijd duren voor ze het kunnen uittesten met een pilot.’