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1、磁分离技术及其在水处理上的应用张和烽（武汉理工大学）摘要：文介绍了磁分离技术的基本原理、分离方法，设备以及特点, 综述了该技术在水处理中的应用现状。它已经应用于食品废水处理、含油废水处理、城市污水处理、印染废水处理等工业废水的处理。简要讨论了该技术的应用情况并展望了该技术的发展前景。关键词：磁分离技术；磁性物质；高梯度磁分离器；废水Application of Magnetic Separation Technology in Water TreatmentHeFeng Zhang(WuHan University of Technology)Abstract: Fundamental pri
2、nciple, separating method and equipment of magnetic separation technology are introduced1 Development and application of treatment of some industrial wastewaters are summarized. Applications are discussed and foreground is prospected in magnetic separating treatment of industrial polluted waters.Key
3、 words: Magnetic separation technology; magnetic material; high gradient magnetic separation; wastewater1 磁分离技术简介磁场本身是一种具有特殊能量的场，经磁场处理过的水或水溶液，其光学性质、导电率、介电常数、粘度、化学反应及表面张力和吸附、凝聚作用及电化学效应等方面的特性都产生了可测量的变化1，并且当撤掉磁场后，这种变化能保持数小时或数天，具有记忆效应2。由于这些现象的存在，多年来磁技术一直是研究热点。磁分离技术是将物质进行磁场处理的一种技术，该技术的应用已经渗透到各个领域，该技术是利用元
4、素或组分磁敏感性的差异，借助外磁场将物质进行磁场处理，从而达到强化分离过程的一种新兴技术。随着强磁场、高梯度磁分离技术的问世，磁分离技术的应用已经从分离强磁性大颗粒到去除弱磁性及反磁性的细小颗粒，从最初的矿物分选、煤脱硫发展到工业水处理，从磁性与非磁性元素的分离发展到抗磁性流体均相混合物组分间的分离。作为洁净、节能的新兴技术，磁分离将显示出诱人的开发前景3。近几年磁力分离法已成为一门新兴的水处理技术。磁分离作为物理处理技术在水处理中获得了许多成功应用，显示出许多优点。磁分离利用废水中杂质颗粒的磁性进行分离，对于水中非磁性或弱磁性的颗粒，利用磁性接种技术可使它们具有磁性。借助外力磁场的作用，将废
5、水中有磁性的悬浮固体分离出来，从而达到净化水的目的。与沉降、过滤等常规方法相比较，磁力分离法具有处理能力大、效率高、能量消耗少、设备简单紧凑等一系列优点。特别是近年来, 在印染废水4、工业烟气除尘5、食品发酵废水6、含油废水7、钢铁废水8、厨房污水9和环境保护等方面取得相当的成果，有的已运用于实际废水处理。本文就磁分离技术的设备、研究与进展及其存在的问题进行综述。2 磁分离技术的基本原理与分类 2.1 磁分离技术的原理废水中的污染物种类很多，对于具有较强磁性的污染物，可直接用高梯度磁分离技术分离；对于磁性较弱的污染物可先投加磁种（如铁粉、磁铁矿、赤铁矿微粒等）和混凝剂，使磁种与污染物结合，然后
6、用高梯度磁分离技术除去。磁分离的物理作用基本原理就是通过外加磁场产生磁力，把废水中具有磁性的悬浮颗粒吸出，使之与废水分离，达到去除或回收的目的。为了分析方便，我们把废水中微小的磁性悬浮颗粒看作直径为d的球形物体，其密度为，质量为m，由物理力学知识，磁性颗粒在磁场中受力分析见图1所示10。磁体场FzFgFpFf图1其中 Fg为重力, Ff为浮力, Fp为流体阻力, Fz为磁力。通过对以上磁性颗粒的受力分析可知，影响磁场捕获磁粒的主要因素有磁场力、悬浮颗粒的磁化率、悬浮颗粒粒径、水流速度与接触面积等。磁分离技术应用于废水处理3种方法：直接磁分离法、间接磁分离法和微生物磁分离法。利用磁技术处理废水主
7、要利用污染物的凝聚性和对污染物的加种性，凝聚性是指具有铁磁性或顺磁性的污染物在磁场作用下，由于磁力作用凝聚成表面直径增大的粒子而后除去；加种性是指借助于外加磁性种子以增强弱顺磁性或非磁性污染物的磁性而便于用磁分离法除去；或借助外加微生物来吸附废水中顺磁性离子，再用磁分离法除去离子态顺磁性污染物。郑必胜等人对磁分离技术的基础理论问题进行了研究。磁种的制备方法是：先将Fe2O3磁粉进行硅烷化处理，即用氨基丙基三乙氧基硅烷作偶联剂，它的V基团首先水解成硅醇，然后硅醇脱水与Fe2O3中的Fe原子耦合Fe2O3，表面被包了一层单分子层的硅烷偶联剂，再用戊二醛活化，从而得到具有特殊吸附功能的种。磁种表面的
8、醛基靠共价键和废水中的胶体、悬浮物、蛋白质、脂肪、磷酸盐等结合在一起，在进行高梯度磁分离时，就能够在过滤器中将带有杂质颗粒的磁粉捕获，从而达到分离的目的。通过改变溶液体系的pH值，可以强化分离效果11。2.2 磁分离技术分类磁分离技术是借助磁场力的作用，对不同磁性的物质进行分离的一种技术。一切宏观的物体，在某种程度上都具有磁性，但按其在外磁场作用下的特性，可分为三类：铁磁性物质、顺磁性物质和反磁性物质。其中铁磁性物质是我们通常可利用的磁种。各种物质磁性差异正是磁分离技术的基础。磁分离法按装置原理可分为磁凝聚分离、磁盘分离和高梯度磁分离法三种。按产生磁场的方法可分为永磁分离和电磁分离（包括超导电
9、磁分离）。按工作方式可分为连续式磁分离和间断式磁分离。按颗粒物去除方式可分为磁凝聚沉降分离和磁力吸着分离12。3 磁分离设备具有代表性的磁分离设备主要是圆盘磁分离器和高梯度磁分离器。3.1 圆盘磁分离器圆盘磁分离设备的工作原理是在非磁性的圆板上嵌进永久磁铁，将数块同样的圆板以一定的间隔装在同一轴上13。当废水进入装置时，废水中的磁性粒子被圆盘板边上的磁铁所吸附而被捕。随着圆盘的旋转，被捕集的磁性粒子从水中进入空间，再由刮板刮下来。圆盘磁分离器装置简单，所需要的电力仅仅是圆板旋转的动力，具有耗电小的优点。但由于磁场弱，磁场梯度小，因而分离弱磁性的或直径为微米级的颗粒就有困难。园盘磁分离器与高梯度
10、磁分离器相比在添加强磁性粒子作为磁种时，必须添加更多的磁性粒子14。3.2 高梯度磁分离器 高梯度磁分离（High Gradient Magnetic Separation，HGMS）是1970年代初在美国发展起来的一种新的磁分离技术，也是现代磁分离技术的一个标志。它的应用已超越了磁选的传统对象（处理磁性矿物）而进入给水处理、废水处理、废气治理、废渣处理等环境保护领域。HGMS与其他普通磁分离技术相比，它能大规模、快速地分离磁性微粒，并可解决普通磁分离技术难以解决的许多问题，如：微细颗粒（粒度小到1m）、弱磁性颗粒（磁化率低到106）的分离等15。高梯度磁分离器(磁滤器)是一种过滤操作单元，在
11、设备中使用励磁线圈和磁回路形成高强磁场，利用不锈钢毛作为过滤基质来提高磁场梯度，对颗粒杂质有很强的磁力作用16。3.2.1 高梯度磁分离技术的特点17（1）处理废水速度快、能力大、效率高；（2）设备简易，操作容易，操作及维护费用低；（3）磁处理可减少或避免使用化学药品，消除二次污染；（4）处理效果基本不受水温及气候变化影响。3.2.2 高梯度磁分离技术的应用18高梯度磁分离技术在废水处理中的应用范围非常广泛，几乎涉及到所有水处理领域，这是由于它比传统的废水处理技术有许多独特的优点。该技术广泛应用于造纸废水19、糖蜜酒精废水20、城市污水21、含油废水22、电镀废水23、放射性废水24、食品工业
12、废水、纺织印染废水、造纸废水25、油漆工业废水、炼油厂废水、含酚废水、厨房污水、农药废水等处理以及去除水中藻类等方面。表1列出了高梯度磁分离技术在水处理方面的应用效果26。表1 高梯度磁分离水处理效果污染物种类处理方法去除率/%藻类、细菌投加磁种及混凝剂95病毒投加磁种、CaCl295COD投加磁种及混凝剂5195BOD5投加磁种及混凝剂6080TOC投加磁种及混凝剂7081 色度、浊度投加磁种75聚氯联苯投加磁种88 油、酚投加磁种及混凝剂85 溶解磷投加磁种、蒙脱土混凝剂90重金属铁氧体法、磁种混凝法、氢氧化亚铁共沉淀法93（1）印染废水印染废水成分复杂，存在着大量水溶性污染物，直接投加磁
13、种和混凝剂进行磁种混凝难以使污染物与磁种形成含磁絮体，为此，首先必须通过适当的技术手段改变印染废水中水溶性污染物的溶解特性，使其通过磁种混凝获得磁性,实现磁分离。陈文松等10采用低剂量的 Fenton 试剂以降低水中有机物的水溶性，促进助凝，采用氧化-磁种混凝-高梯度磁分离技术对印染废水的处理进行了研究。其中印染废水色度为800倍、COD为565.0mg/L，成分复杂。研究发现，磁粉加入量并非越多越好，从处理效果看，当磁粉加入量达150200mg/L时，色度和COD去除率趋于平稳，都优于国家二级排放标准。（2）用于炼油厂废水处理美国帕特基斯等利用高梯度磁分离技术处理炼油厂废水处理场API型油水
14、分离器出水27，处理结果见表2。当油水分离器出水用常规的空气浮选装置（A FU）处理时，油质量浓度降至53121 mg/ L，悬浮物降至4244 mg/ L。当同样的出水经磁场强度为1.9 T的高梯度磁分离器处理后，尽管没有加磁种和混凝剂，但水质明显改善, 油质量浓度降至23 mg/ L，悬浮物质量浓度降到57mg/L。在应用磁种并在较低的磁场强度下（约0.2 T）运转时, 出水水质也得到改善。最好的结果是除投加磁种外，再加混凝剂，出水油质量浓度可降至520mg/L，悬浮物质量浓度降至15 mg/L，酚质量浓度降至0.26 mg/L。含酚量的明显降低可能是由于酚为强极性化合物，它优先吸附于磁种
15、表面，而在高梯度磁分离器中被去除28。表2高梯度磁分离技术处理炼油厂废水的结果检测项目(油)/（mgL -1）(悬浮物)/（mgL -1）(酚)/（mgL -1）A P I出水1902401422041.504.10A FU 出水53 12142 440.973.72高梯度磁分离（仅有 磁场）出水23571.60高梯度磁分离（磁场+磁种）出水1923351.66高梯度磁分离（磁场+磁种+混凝剂）出水520180.26（3）用于城市污水处理城市污水中含有大量的非磁性污染物，采用高梯度磁分离技术处理城市污水时，需投加磁种与混凝剂。污水首先流经格栅，用以去除粒径大于200m的粗颗粒。然后流入絮凝池，
16、在其中加入磁种和适当的混凝剂，再通过高梯度磁分离器，能去除污水中的悬浮物、色度、浊度、磷酸盐、细菌和多种重金属悬浮体等29美国麻省理工学院的研究者对城市污水投加Fe3O4和硫酸铝，进行高梯度磁分离处理，获得良好的效果30，其试验结果列于表3。表3高梯度磁分离技术处理城市污水的结果检测项目处理前处理后去除率/%（悬浮物)/（mgL -1）45980色度/倍1502087浊度/度50394细菌含量/ (个L -1)2.81071.810599(磷酸盐)/ (mgL-1 )1.690.0597（4）燃煤脱硫燃煤中一般含有1%4%的硫，它们在燃烧过程中主要以二氧化硫的形式排放到大气中，严重污染环境和空
17、气。煤中的硫以硫铁矿、硫酸盐和有机硫三种形态存在。硫化亚铁正是硫铁矿的主要成分，硫铁矿平均约占总硫量的70%，硫酸盐只占总硫量的一小部分。硫铁矿和硫酸盐是弱磁性，煤本身是逆磁性的，硫化亚铁具有顺磁性，故可利用磁性的差异用高梯度磁分离装置将其除去。高梯度磁分离器可以将总硫由1.3%降到0.8%，煤的回收率约为80%，在大规模生产过程中，如果从经济上考虑，这种方法要比其它方法得到清洁煤或者从烟道中除去硫的费用节省得多，因为这是从预防的角度出发来直接进行的，而从烟道中对烟气进行除尘脱硫一体化是从治理的角度所采取的间接补救措施。近年来中国矿业大学一直在国际选煤科技前沿领域开展研究，关于高梯度磁分离脱硫
18、的研究已完成半工业性试验，证明黄铁矿硫可以从1.26%降至0.6%，现已设计出处理能力为10t/h的高梯度磁分离器。青岛建筑工程学院使用“GC1060-150S-3”A型高梯度磁分离器的探索性试验表明，高梯度磁分离法脱硫效果明显31。（5）高梯度磁场磁滤除菌高梯度磁场磁滤除菌主要通过在投加混凝剂前投加磁铁粉，然后再通过高梯度磁滤器，细菌的灭杀率达到99%以上，而不添加磁粉时，除菌率达90 %。添加的磁粉为细菌、病毒、藻类、微量有机物和很多其他致色成分提供了有效的吸附表面，并成为絮凝体或絮凝晶核。当凝絮物通过磁滤器钢毛滤层时被吸附，从而使细菌、病毒、藻类等和水分离32。高梯度磁场磁滤除菌作为饮用
19、水的杀菌消毒深度处理技术，与其他消毒剂相比，主要优点是不产生有害的副产品，且简单容易、费用低。目前所用的消毒剂都是利用它的高度氧化性来消毒除菌，但存在的问题是，消毒剂高度的氧化性同时也氧化水中微量有机物而产生对人体有害的副产品。如氯气作为饮用水消毒剂杀菌氯化时，与水中腐殖酸和黄腐酸以及其他微量有机物反应产生三卤甲烷（THMs）和其他卤代烃化合物，这些化合物是多种疾病的致病因子；消毒剂ClO2 必须现场制备，现场使用，操作不方便，且ClO2处理时会产生ClO-2，ClO-3等有机和无机氧化物，对它们的毒理存在着争论；臭氧消毒，水中大的有机物分子破裂成较小的有机物分子（如甲醛、丙酮酸等）对人体有害
20、，如甲醛是致癌物质；紫外线消毒也有类似问题，且处理费用高。高梯度磁场磁滤除菌技术在小型的水处理设施方面有着很好的发展前景33。（6）食品废水处理大多数的食品发酵加工厂在加工过程中都要排放大量的废水，如酒精工业废水、啤酒工业废水、味精工业废水、柠檬酸工业废水、制糖工业废水、乳制品以及罐头食品和肉类加工工业产生的废水等34，并且排出的废水的水质差异很大，这些废水一般都属于高浓度有机废水，主要污染物包括：悬浮在废水中的固体物质以及油脂、蛋白质、淀粉、胶体等；溶解在废水中的糖、酸、碱、盐等；还有来自原料可能夹带的泥沙以及可能存在的病毒、病菌等，因此，食品工业废水的特点是：有机物和悬浮物含量高，COD值
21、高，易腐败，能使水体富营养化，迅速消耗水中溶解氧，造成水体缺氧，导致鱼类和其他水生物死亡，并促使水底沉积的有机物质在厌氧条件下分解，产生臭气，污染环境。由于食品发酵工业废水中主要的悬浮固体和高浓度有机物都只具有微弱磁性或抗磁性，所以，必须在废水中投入磁种，通过共价键和分子间的相互作用，使废水中的杂质如蛋白质、脂肪、胶体物质、悬浮物等被吸附或沉淀到磁种上，这样才能实现这些废弃组分的有效磁分离35。4 存在的问题与展望磁分离技术处理废水存在如下的技术难度和局限性：介质的剩磁使得磁分离设备在系统反冲洗时，难以把被聚磁介质所吸附的磁性颗粒冲洗干净，因而影响着下一周期的工作效率，为了提高磁场梯度，必须选
22、择高磁饱和度的聚磁介质,对聚磁介质的选择具有一定的技术困难，且增加运行的费用。尽管磁分离技术是一种简易可行且处理效率高的水处理技术，由于上述技术难度和局限性，有待继续研究克服。因此，在实际应用中影响着它的广泛应用。目前，磁分离技术在食品、 含油废水、城市污水及印染废水处理方面取得相当的成果，对于重金属油类、极细悬浮物，特别是病原微生物、细菌、藻类去除有相当好的效果，有的已用于实际废水处理,相信随着该技术的不断成熟，磁分离技术处理废水具有良好的应用前景。参考文献1 Bian B, et al. J. Nanostructured Materials, 1997, 8(8).10-57.2 Hay
23、akawa Y, et al. J. J Appl Phys, 1997, 81(8). 37-47.3 孙巍,李真等.磁分离技术在污水处理中的应用.磁性材料及器件,2006.44 陈文松,韦朝海.磁种混凝高梯度磁分离技术的印染废水处理.水处理技术,206(132).115 蓝惠霞,陈中豪等.高梯度磁分离技术用于工业烟气除尘的研究.冶金能源,2004(23).16 J. SVOBODA. A REALISTIC DESCRIPTION OF THE PROCESS OF HIGH-GRADIENT MAGNETIC SEPARATION. Minerals Engineering,2001,1
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