磁分离技术在污水处理中的应用

综述.动态.评论磁分离技术在污水处理中的应用孙巍，李真，吴松海，贾绍义(天津大学化工学院，天津300072 )摘要: 介绍了磁分离技术应用于污水处理的基本原理、分离方法、设备以及特点，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:污水处理;磁分离技术;高梯度磁分离; 磁盘分离中图分类号: TQ028.8文献标识码: A文章编号: 101-3830200)04-0006-05Application of Magnetic Separating Technology in Polluted Water TreatmentSUN Wei, LI Zhen, WU Song hai, JIA Shao-yiSchool of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, ChinaAbstract: Fundamental principle, separating method, equipment and characteristics of magnetic separationtechnology applied in polluted water treatment are introduced. Applications are discussed and foreground is prospectedin magnetic separating treatment of industrial polluted waters.Key words: polluted water treatment; magnetic separating technology; high gradient magnetic separation;magnetic disc separation过的水或水溶液，其光学性质、导电率、介电常数、1引言粘度、化学反应及表面张力和吸附、凝聚作用及电水是一种不可再生的资源，它在社会循环中,不化学效应等方面的特性都产生了可测量的变化2，.可避免地会混入许多杂质，从而丧失了使用价值，并且当撤掉磁场后，这种变化能保持数小时或数导致地球上的水资源日益减少。为了把这种危害降天，具有记忆效应3。由于这些现象的存在，多年到最低程度，人类采取了种种措施，其中磁力分离来磁技术一直是研究热点。法就是比较先进的一种方法。国外自1970 年代开始磁分离技术是将物质进行磁场处理的一种技进行研究以来，磁分离技术作为物理处理技术已在术，该技术的应用已经渗透到各个领域，该技术是高岭土的脱色增白、煤的脱硫、矿石的精选、生物利用元素或组分磁敏感性的差异,借助外磁场将物工程、酶反应工程等领域得到了广泛应用，并成功质进行磁场处理，从而达到强化分离过程的一种新地应用于城市工业废水和生活污水、废料、污染的兴技术。随着强磁场、高梯度磁分离技术的问世，河水、湖水以及饮用水的处理。我国从1980年代磁分离技术的应用已经从分离强磁性大颗粒到去起开始这一- 领域的研究。特别是近年来，在电镀废除弱磁性及反磁性的细小颗粒，从最初的矿物分水、含酚废水、湖水、食品发酵废水、含油废水、选、煤脱硫发展到工业水处理，从磁性与非磁性元钢铁废水和厨房污水等处理方面取得不少的成果，素的分离发展到抗磁性流体均相混合物组分间的有的已应用于实际废水处理"。分离。作为洁净、节能的新兴技术，磁分离将显示2磁分离技术简介出诱人的开发前景4。近几年磁力分离法已成为一门新兴的水处理磁场本身是一种具有特殊能量的场，经磁场处理技术。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。磁分离利用废水收稿日期: 2005-11-28 修回 日期: 2006-04-05中杂质颗粒的磁性进行分离，对干水中非磁性或弱基金项目:天津市自然科学基金项目(033603611)磁性的颗粒，中国煤化工]具有磁性。作者通信: E-mail: lakery-lydia@yahoo.com.cnHYHCNMHGJ Magn Mater Devices Vol 37 No4.借助外力磁场的作用，将废水中有磁性的悬浮固体的污染物，可直接用高梯度磁分离技术分离;对于分离出来，从而达到净化水的目的。与沉降、过磁性较弱的污染物，可先投加磁种(如铁粉、磁铁滤等常规方法相比较，磁力分离法具有处理能力矿、赤铁矿微粒等)和混凝剂，使磁种与污染物结大、效率高、能量消耗少、设备简单紧凑等一系列合，然后用高梯度磁分离技术除去。优点，它不但已成功应用于高炉煤气洗涤水、炼钢废水中的悬浮颗粒在磁场中受到的力有本身烟尘净化废水，轧钢废水和烧结废水的净化，而且的重力、磁场力、流体粘滞力、流体惯性力以及分在其它工业废水、城市污水和地皮水的净化方面也子间的引力等，其中除了磁场力对分离有贡献外，很有发展前途51。其他几个力的合力效应对分离起副作用。要实现磁分离必须使磁作用力大于重力、流体阻力等的合力.3磁分离技术的基本原理与分类作用。也就是说，颗粒受到的磁场力越大，则被磁磁分离技术是借助磁场力的作用，对不同磁性分离器抓住分离的可能性也就会越大,分离效率也的物质进行分离的一种技术。一切宏观的物体，在就越高。对于微细颗粒而言，主要考虑流体阻力的某种程度上都具有磁性,但按其在外磁场作用下的特影响。颗粒在磁场中受到的磁场力F。为"0]:性，可分为三类:铁磁性物质、顺磁性物质和反磁性F=yVHdH(1)物质。其中铁磁性物质是我们通常可利用的磁种。各式中，γ为颗粒本身的磁化率，V为 颗粒体积，H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为磁场强度， dH为磁场强度梯度。颗粒受到的流离法三种。按产生磁场的方法可分为永磁分离和电磁体阻力为分离(包括超导电磁分离)。按工作方式可分为连续FD = 3ruDu(2)式磁分离和间断式磁分离。按颗粒物去除方式可分为式中，μ为水的动力粘滞系数，D为颗粒直径，u磁凝聚沉降分离和磁力吸着分离间。为颗粒相对于水流的速度。只有当F> Fp时，颗粒4磁分离设备.才被磁场所吸引而从水中分离出来。目前具有代表性的磁分离设备是高梯度磁分从(1)式看出，颗粒受到的磁场力F,的大小离器和磁盘分离器四。主要与磁场强度、磁场强度梯度以及颗粒本身的磁4.1高梯度磁分离器化率成正比。对于- -定粒度的颗粒(体积- -定)来说，高梯度磁分离( High Gradient Magnetic :增大这3个参数中的任何一个都可以增大磁场力。Separation，HGMS) 是1970年代初在美国发展起实际应用中，增大磁场强度要耗费大量电能，且受来的一种新的磁分离技术，也是现代磁分离技术到材料特性的约束，因此，增大磁场力往往通过增的一个标志。它的应用已超越了磁选的传统对象大磁场强度梯度的方法来实现。(处理磁性矿物)而进入给水处理、废水处理、磁场强度梯度是指单位距离的磁场强度变化，废气治理、废渣处理等环境保护领域。HGMS与梯度的产生主要靠梯度磁分离器中的填料来实现，其他普通磁分离技术相比，它能大规模、快速地由于填料均选用磁化率很高的材料，磁力线基本.上分离磁性微粒，并可解决普通磁分离技术难以解集中从其内通过,于是在填料表面附近的磁力线密决的许多问题，如:微细颗粒(粒度小到1um)、度衰减，从而形成-一个强的磁场强度梯度。废水流弱磁性颗粒( 磁化率低到106)的分离等[8]。高梯过梯度磁分离器的填料时，当填料对废水中污染物度磁分离器(磁滤器)是-种过滤操作单元，在设备的磁力作用大于其他力的合力时，污染物被吸在填中使用励磁线圈和磁回路形成高强磁场，利用不锈料上;切断磁场后，磁力消失，被填料捕集到的污钢毛作为过滤基质来提高磁场梯度,对颗粒杂质有染物用压缩空气或水反冲洗下来,从而达到从废水很强的磁力作用9。中去除污染物的目的。4.1.1高梯度磁分离技术处理废水的机理4.1.2高梯度磁分享器乃甘填料中国煤化工废水中的污染物种类很多，对于具有较强磁性一个内部YHCNMH G磁场就构磁性材料及器件2006年8月.成了高梯度磁分离器，如图1所示，磁场强度- -般采用磁种凝聚-磁分离技术处理含Ni?+ 电镀废为0.1~1.5T。 常见的填料有纤维状或棒状铁磁性非水， 在废水中加入粒度小于10um的Fe;O4，调节晶质合金、不锈钢毛、海绵状金属(如海绵镍)等pH值，加入聚丙烯酰胺，使Ni(OH)2与磁种凝聚[,其作用主要是形成强的磁场和磁场梯度。一般成磁性矾花，经磁分离器进行分离，Nit去除率达来说,填料的磁性越强,磁分离器的分离效果越好。99%。实验证明用硫酸铝作混凝剂，采用磁种-高对同一填料来说，填料越细，填充程度越高，磁分梯度磁分离器去除废水中的磷酸盐污染物，在pH离效果越好。但是填充度提高，流体阻力增大，一值为4时，其去除率可达90%以上221。般在5%左右为宜2。用高梯度磁性分离器处理炼油厂的含油废水，反洗用加压水-→净水其分离效果较好。磁分离技术除油的突出优点在反洗用空气.于，磁粉不仅对油有很好的吸附能力，而且可以依电磁线圈靠磁力作用与被污染的水体较彻底地分离。实践证明，磁处理后可使含油废水的化学药剂投加量减少50%左右123.240。冈将高梯度磁滤器应用于饮用水的处理方面，与内装填料传统工艺相比，有机物去除率平均提高34.21%，废水- -→反洗液且能去除藻类，出水水质优于砂滤池的出水;对细图1高梯度磁分离器结构示意图菌、有机物及重金属的去除效果更明显，出水水质4.1.3高梯度磁分离技术的特点符合饮用水的各项指标[25]。(1)处理废水速度快、能力大、效率高; (2)4.1.5高梯度磁分离技术在废水处理中的应用前景设备简易，操作容易，操作及维护费用低; (3)(1) HGMS技术和其它技术的结合。铁氧体磁处理可减少或避免使用化学药品，消除二次污法是日本电气公司(NEC)研究出来的一种从废水中染;(4)处理效果基本不受水温及气候变化影响。除去重金属的工艺技术[26]，因铁氧体具有较强磁4.1.4高梯度磁分离技术的应用1131性，因而可在高梯度磁场中将其分离出来，该方法高梯度磁分离技术在废水处理中的应用范围比用一般沉淀法效率要高许多。此外为了把絮凝阶非常广泛，几乎涉及到所有水处理领域，这是由于段高速化、高效化，可向废水中投加絮凝剂的同时它比传统的废水处理技术有许多独特的优点。该技投加磁种，从而形成包裹磁种的悬浮絮绒体，因具术广泛应用于造纸废水[14、糖蜜酒精废水5、城市有磁性，废水通过梯度磁场时，污染物就被分离出污水0、含油废水7、电镀废水[18]、放射性废水9、来。磁絮凝可改善絮凝效果，使出水剩余浊度得到食品工业废水、纺织印染废水、造纸废水[20、油漆进一步降低，絮体更紧密，尺寸和密度均增加。还工业废水、炼油厂废水、含酚废水、厨房污水、农可大大缩短沉降所需时间，提高絮凝效率，且易于药废水等处理以及去除水中藻类等方面。表1列出实现固液磁分离[27。了高梯度磁分离技术在水处理方面的应用效果(21。(2)廉价磁种的开发。有资料表明(28]，炼钢表1高梯度磁分离水处理效果厂排放的烟尘和气溶胶凝聚物通过静电除尘后的污染物种类处理方法去除率/%“红土”状细粉就是很好的磁种,实验证明这类磁藻类、细菌投加磁种及混凝剂)5种与商品磁粉在投加量、COD去除率、吸着分离病毒投加磁种、CaC2能力等方面均无差别，而在分散性、无需回收、价COD投加磁种及混凝剂51~95格低廉等方面更具有明显优势。所以使用廉价的顺BOD5投加磁种,及混凝剂60-80磁性材料代替强磁材料作磁种处理含非磁性物质TOC70-81的废水，用后与滤渣一并废弃， 省去了磁种回收工色度、浊度投加磁种75聚氯联苯投加磁种艺，可以大大节省费用。Pllail29]用 硝酸钴和硝酸铁油、酚s5配成W/O型微乳浊液，再与- -定 量的氨水混合，合成溶解磷投加磁种、蒙脱土混凝剂了具有高矫顽中国煤化工在50nm左重金属铁氧体法、磁种混凝法、氢氧化亚铁共右，为高效磁究方法。沉淀法YHCNMHGJ Magn Mater Devices Vol 37 No4.(3)超导磁分离技术。该技术是未来高梯度推出。被刮去渣的磁盘旋转重新进入流体，从而磁分离技术的发展方向。通常，提高磁场强度即可形成周而复始的稀土磁盘分离净化废水全过程，提高流速，在不影响高梯度磁分离器性能的情况下达到净化废水、废物回收和循环作用的目的31。可以提高废水处理量。但是，随着处理量的增加，在结构上，磁盘分离装置一般采用的是外构式磁分离器的成本与耗电量也显著增高，而且，若超过盘处理器，废水在磁盘间流动，如果对处理水质一定流速，高梯度磁分离器的分离能力就要下降。要求较高， 则需多台串联。新型内构式稀土磁盘超导磁分离器可克服上述缺陷，其磁场强度可达处理器132],采用圆筒形外壳(内置磁盘圆环)在电机14 T，由于超导体在临界温度以下无电阻，因此，拖动下旋转，水流垂直磁盘流动，该装置占地面积运行时耗电极低。它能在较大的空间范围内提供强小，节省投资。圆盘磁分离设备的工作原理是在非磁场及高梯度磁场，因而可提高处理量。由于超导磁性的圆板上嵌进永磁体,将数块同样的圆板以一磁分离器能够产生很高的磁场强度,可使废水中的定的间隔装在同一轴上。当废水进入装置时，废水悬浮状弱磁性颗粒充分磁化,从而可直接去除而不中的磁性粒子被圆盘板边上的磁体所吸附而被捕。需投加磁种[30]。随着圆盘的旋转，被捕集的磁性粒子从水中进入空4.2磁盘分离器间，再由刮板刮下来。圆盘磁分离器装置简单，所需磁盘分离法是借助磁盘的磁力,将废水中的磁要的电力仅仅是圆板旋转的动力，具有耗电小的优性悬浮颗粒吸附在缓慢转动的磁盘上,随着磁盘的点。但由于磁场弱、磁场梯度小，因而分离弱磁性转动，将泥渣带出水面，经刮泥板除去，磁盘盘面或直径为微米级的颗粒就有困难。圆盘磁分离器与又进入水中,重新吸附水中的颗粒,如此周而复始。高梯度磁分离器相比在添加强磁性粒子作为磁种油轮、机械厂、轧钢厂等排出的含油废水可用磁性时，必须添加更多的磁性粒子。粉末和磁盘分离相结合的方法处理。4.2.2磁盘分离技术的应用4.2.1稀土磁盘分离净化机理磁盘分离技术可广泛应用于钢铁企业的轧钢、(1)流体磁分离原理。当流体流经磁分离设炼钢、炼铁、烧结等除尘废水处理，尾矿再选，各备时，流体中所含的磁性悬浮颗粒，除受流体阻力种废水浓缩脱水，以及矿山废水、有色金属工业、和颗粒重力等机械力的作用外,还受到磁场力的作机械加工、化工、食品、造纸、纺织印染等工业废用。当磁场力大于机械合力的反方向分量时，悬浮水的处理。此设备是-种理想的处理铁磁性和非铁于流体中的颗粒将逐渐从流体中分离出来,吸附在磁性颗粒的固液分离设备。磁极上而被除去，达到净化废水、废物回收和循环在目前国内外市场上,各种永磁材料的磁性能使用的目的。最高的当属稀土(钕铁硼)永磁体。利用稀土永磁材钢铁厂大多数废水中的悬浮物含70%以上的料制成的永磁磁盘称之为稀土磁盘。稀土磁盘分离铁磁性物质，可以直接通过磁力作用去除。对于非技术也和其它废水处理技术一样， 并非是万能的，.磁性物质和油污，采用絮凝技术、预磁技术，使其在其应用中必须根据废水的特点及介质的特性来决与非磁性物质结合在一起，也可采用磁力吸附去定相适应的处理工艺。其工艺主要有以下几种:除。所以利用磁力分离净化技术可以有效地处理这(1)当80%以上粒度大于lum， 磁化率大于类废水。零的物质所占比率大于80%时，可选用直接磁分(2)稀土磁盘分离净化设备。稀土磁盘分离离的工艺;净化设备由一组强磁力稀土磁盘打捞分离机构组(2) 当20%以上粒度小于lum， 磁化率大于成。当流体流经磁盘之间的流道时，流体中所含的零的物质所占比率大于80%时，可选用磁聚-磁分磁性悬浮絮团，除受流体阻力、絮团重力等机械力的作用之外，还受到强磁场力的作用。当磁场力大(3)当铁磁性物质所占比例小于80%时，可于机械合力的反方向分量时，悬浮于流体中的絮团选用絮凝磁聚磁分离的工艺;将逐渐从流体中分离出来，吸附在磁盘上。磁盘以(4)当废水中含乳化油较多时，较完整的工1r/min的速度旋转，让悬浮物脱去大部分水分，运艺流程如下:” 中国煤化工质+预磁→转到刮泥板时，形成隔磁卸渣带，渣被“渣轮带”磁盘分离-净1fYHCNMHG磁性材料及器件2006年8月.以上工艺流程中，如果处理含油废水时，都应或基于实现强化磁场的磁性材料的选择与研制、可变多或少添加一些铁磁性物质。其作用为:可吸附和粘磁场的控制及磁絮凝反应动力学行为等方面的基附大量的乳化油( 饱和油泥重量比为20%左右) ,础理论研究是本领域未来的主攻方向，吸收相关学有利于磁絮凝磁分离，有利于进行回收利用(油渣科的知识，积累大量的科学研究数据,有可能在水经高温脱油脱水后,大多为磁化率相当高的四氧化处理领域里实现机电磁一体化的高效设备。相信随三铁粉，既可用于废水处理中的铁磁性物质，又可着 该技术的不断成熟，磁分离技术处理废水具有良作为铁原料进行回收) [33]。好的应用前景。稀土磁盘分离净化设备对轧钢废水有较好的处近几年来，磁分离技术在水处理中单独应用研理效果。钢厂处理热轧废水时，在不加絮凝剂的情究不是很 多。磁分离技术与其他水处理技术之间的况下，设备进水悬浮物浓度平均为300~ 000mg/ L结合是比较热门的领域。如用磁电组合电解处理古时，出水悬浮物达到小于70mg/ L的工业循环水铜工业废水试验研究结果表明，磁电解法比普通电质指标。投药后油脂含量会更低，长期运转其效果解处理有更好的效果;磁分离技术能有效地强化人会变好。这是由于系统的水循环使用，增强了磁絮工生态系统来处理有机污水等等。另外，磁场与红凝的作用所致341。外线辐射、光、超声波等物理技术相互强化处理锅对中板轧钢废水处理系统进行改造,将2台稀炉用水,磁场与化学投药法共同作用处理工艺用水土磁盘分离净化处理器安装在旋流沉淀池之后、斜板以及与生物技术协同作用进行杀菌防毒净化饮用沉淀池之前。鉴定监测结果表明，中板轧钢废水中悬水等等，都是值得研究的课题。但磁场的生物效应浮物和油类平均浓度分别由处理前的359mg/ L、以及磁化水能脱垢等这些问题的作用机理仍然没28.48mg / L降低到处理后的36mg / L、12.35mg/L，有 研究清楚,影响着磁分离技术的广泛应用。因此,悬浮物和油类削减率分别达到89.97%、56.64%。有 效地利用磁场的能量,注重磁场的生物效应和磁运用稀土磁盘分离净化技术处理中板轧钢废水取场强化絮凝机理的研究，不断与其他技术相互渗得理想效果,而油类的去除则是此次应用该技术的透、共同作用来达到废水处理的基本要求，开展这最大发现。分析原因可能是由于絮凝作用，水中的方面的研究工作无疑具有重要的意义。分散油和一部分悬浮物与其他悬浮物相互吸附形成絮凝体被同时去除35]。参考文献:[1] 梅滨，王晓兰[J]. 四川环境, 2003, 22(3): 4-7.5磁技术在废水处理中应用的发展及展望2] B. 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[].华南理工大学学报, 1998, 26(10): 34-39.的形成及面向各种废水的普适性方面均存在诸多[13]韩永忠[D].污染防止技术, 2002, 15(3): 17-19.困难，如接磁种的方法、磁种的选择及磁种回收工[14] 周家宏,姜兰梅、王枫峰[n.北方环境. 2000, 25(4):42-44.中国煤化工艺需要研究改进,其理论亦有待发展和完善。因此，fYHCN MH G下转24页)10J Magn Mater Devices Vol 37 No 4.表2中交流电阻与Kr的关系示于图5。由图5参量出发的，使它不能反映具有相同换位情况而匝可知，与KR交流电阻也基本呈线性关系，KR可以间距离 发生变化的情况，也就是说，在这种情况下用来表征变压器绕组层内交叉换位程度对其参数邻近效应的影响被忽略了,从而对变压器参数的预影响的程度。测有一-定偏差。但对距离不变,只变化电流位置的300 r绕组它仍然是有效的。Kz和KR与变压器的外部电50 t✧-100kHz路参数如负载、端口特性等无关，只是从其尺寸、-一IMHz变比等结构参数出发，在只知道某一-结构变压器参00 t数的情况下就能预测在不同换位情况下的交流电阻-与漏感大小，可指导设计者在设计阶段选择比较合适的绕组安排方式。参考文献:020304(Kp[1] Prieto R, Cobos J A, Garcia O, et al. InterleavingTechniques in Magnetic Components[A]. APEC'97. [C].图5交流电阻随 KR的变化931-936.6小结[2] 罗恒廉. [D].福州:福州大学, 2000.本文从能量的角度出发,推导出了两个反映交[3] 罗恒廉, 李智华,陈为,等. [].电工电能新技术, 2000,19(2): 57-60.叉换位对线圈参数影响程度的系数Kp和K。其中[4] 李智华, 罗恒廉,等. [].电工电能新技术, 2005, 24:Kr以线圈导体上的磁场能量为基础，Kz以线圈窗口内的全部磁场能量为基础。由于Kr这个系数本作者简介:李智华(1970- ),女，汉族，河北人，博士，身出发点上的缺陷一-它 是从线圈导体上的磁场讲师，主要从事智能电器和电磁技术领域的研究。(.上接10页)版社, 1993.[15]郑必胜,郭祀远,李琳. 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