基于水处理的磁分离技术研究进展

基于水处理的磁分离技术研究进展班云霄1，李得花2（1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730030；2.唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山063035）［摘要］磁分离技术具有独特的分离原理，在水处理领域中具有较好的经济性和实用价值。随着超导磁材、等离子体技术、催化改性技术、生物技术等的发展，磁分离技术已在水处理领域获得广泛应用。对磁种、磁分离工艺的研究现状进行综述，并简述其在水处理行业的应用情况，探讨了磁分离技术未来的应用前景。［关键词］磁种；磁分离；吸附［中图分类号］X703；TQ028.8［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2012）09-0010-03ProgressinmagneticseparationtechnologyresearchforwatertreatmentBanYunxiao1，LiDehua2（1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，LanzhouJiaotongUniversity，Lanzhou730030，China；2.TangshanRailwayVehicleCo.，Ltd.，Tangshan063035，China）Abstract：Magneticseparationtechnologyhasparticularseparationprinciples，havinggoodeconomicalandpracticalvalueinwatertreatmentfield.Withthedevelopmentofsuperconductingmagneticmaterials，plasmatechnology，catalyticmodificationtechnology，bio-technology，etc.，magneticseparationtechnologyhaswidelybeenappliedtowatertreatment.Theresearchstatusquoaboutmagneticseedsandmagneticseparationtechnologyisreviewed，itsapplicationtowatertreatmentissummarizedbriefly，andtheprospectofmagneticseparationtechnologyisdiscussed.Keywords：magneticseed；magneticseparation；adsorption磁分离技术主要通过独特的磁分离原理对水中的污染物进行去除。磁分离时强磁性污染物被直接分离去除，弱磁性污染物或非磁性污染物则通过提高磁场强度或投加磁种而被去除。悬浮于水中的稳定污染物胶体颗粒符合DLVO理论，由于势能壁垒而不能发生絮凝（见图1）。而磁分离技术可利用磁场力使得吸附状态处于势能的极小值点处（见图2）图1粒子间距离与势能的关系从而处于稳定状态〔1〕。污染物被去除后，一旦去除磁场则污染物发生解吸附，磁种可再生。笔者对近期基于水处理的磁分离技术研究进展进行归纳总结，并探讨其发展前景，为研究人员提供一定参考。图2加磁场后粒子间距离和势能的关系1磁分离技术研究现状磁分离技术主要是对磁性污染物、弱磁性及非磁性污染物进行处理，因而磁种和磁分离工艺是磁［基金项目］国家自然基金项目（51168026）第32卷第9期2012年9月工业水处理IndustrialWaterTreatmentVol．32No．9Sep.，201210分离技术发展的核心。1.1磁种磁种主要是为处理弱磁性和非磁性污染物而向水中添加的磁性材料，有絮凝磁种、生物磁种和催化磁种。1.1.1絮凝磁种（1）廉价絮凝磁种。王龙贵〔2〕从粉煤灰中回收磁珠并用于含磷废水处理，可达到以废治废的目的。郑学海等〔3〕利用炼钢厂排放的烟尘和气溶胶凝聚物，研制成廉价“红土”磁种，其对COD、SS、Pb2+、活性染料的色度、油有较好的净化效果，且无需回收。（2）改性絮凝磁种。改性磁种主要是对磁性颗粒表面进行改性，增强其对污染物的吸附性能，经磁盘磁分离、高梯度或超导高梯度磁分离技术而达到去除目的，回收后的磁种经再生可重复利用。改性方法主要有化学改性和等离子体改性。JiZhang等〔4〕用树脂、壳聚糖和铁氧体通过交联法制得具有较强吸附性能的磁性颗粒载体。YalingLiu等〔5〕用化学方法制得磁性十八烷基硅烷，可用以去除水中的雌激素。GuangyuLiu等〔6〕用化学方法制得中空的磁性颗粒，以降低密度。M.Namdeo等〔7〕用化学共沉淀法制得壳聚糖磁性颗粒，用于吸附去除水中的铁离子。T.Ishiwata等〔8〕用化学方法制得的锆铁氧体可有效去除水中的磷。采用等离子技术对磁性颗粒进行表面有机改性，可与污水中的有机物、无机盐等目标污染物链接并发生絮凝沉淀〔9-11〕。改性单体主要为丙烯酸、吡咯、乙酸乙烯酯。1.1.2生物磁种通过化学方法研制磁种，使之对微生物有吸附作用，再根据微生物在不同条件下具有的富集各种金属离子或去除污染物能力对水体进行净化。A.S.巴哈伊等〔12〕采用磁化脱硫菌处理含Cu、Zn、Ni、Pb及贵金属的工业废水，取得良好效果。孙飞龙等〔13〕用液相共沉淀法制备了Fe3O4纳米磁颗粒吸附材料，可富集水中细菌。郑必胜等〔14〕用化学方法制备了具有表面疏水性的聚苯乙烯磁性微球，用于吸附水中的盐藻，磁性微球可多次重复使用。S.Liu等〔15〕将粉煤灰与磁铁粉复配并用酸改性制成磁控改性复配物治理水华。GuangliangQiu等〔16〕通过化学方法制得多孔磁珠，可作为水处理的生物载体。国外研究者开发出磁性生物载体，其具有普通生物膜法中载体的性能，如多孔、吸附性能与生物挂膜性能优良、耐冲刷、对生物无毒性，易曝气形成流化态，同时还具有顺磁性，易于磁分离。1.1.3催化磁种在水处理中，既有催化功能又可方便回收的磁性颗粒称为催化磁种。S.Tawkaewa等〔17〕利用化学共沉淀法制得SiO2/γ-Fe2O3，然后与TiO2煅烧，制得可降解亚甲基蓝的光催化磁种。储金宇等〔18〕则通过溶胶-凝胶法制备出三层结构的TiO2/SiO2/γ-Fe2O3复合光催化磁种，降解印染废水中的亚甲基蓝。全桂英等〔19〕利用水热法制备出纯六方相球形纳米α-Fe2O3粒子，用于光催化降解水中的甲基橙。1.2磁处理工艺应用研究1.2.1磁盘分离工艺磁盘分离主要是通过永久磁铁的磁盘吸附废水中的磁性粒子，常用于处理铁磁性污染物较高的水体。目前的研究主要是提高磁盘材料的磁效性能及改进磁盘分离工艺的构造〔20-21〕。胡相礼〔22〕采用絮凝剂与磁盘分离器处理热轧废水，出水SS为5mg/L，油＜1.0mg/L。1.2.2高梯度磁分离工艺高梯度磁分离工艺是利用高饱和磁介质（不锈钢毛、软铁制的齿板、铁球、铁钉和多孔板等）自身形成的高梯度磁场，对污染物进行强磁力吸附、过滤而净化污染水，其多与其他工艺进行联合处理。A.Merino-Martosa等〔23〕利用高梯度磁分离工艺去除湖泊水体中的磷，取得理想效果。王利平等〔24〕采用该工艺处理含油废水，除油率达85.9%。1.2.3超导高梯度磁分离工艺在磁分离技术中，磁场力是影响分离效果的重要因素。由于较小的颗粒不易在弱磁场中分离，而超导高梯度磁分离工艺采用超导磁材（励磁线圈），可提供强磁场并降低电耗，提高沉淀与分离细小颗粒的效率。超导高梯度磁分离工艺是目前研究的热点。M.Fang等〔25〕采用超导高梯度磁场处理有机染料废水，可达到高效去除的效果。陈显利等〔9〕利用低温超导磁分离技术处理造纸废水，处理效果较好。1.2.4磁分离与其他处理工艺的结合组合工艺主要是利用磁种的强化絮凝作用及高梯度磁分离工艺，与传统絮凝沉淀技术、生物技术相组合，从而提高处理效果〔26-27〕。如磁分离与现有的生物处理技术结合，构成BioMag工艺、Mag-BRTM工艺，可更好地去除水中的COD、BOD5、氨氮、磷等污染物〔27〕。工业水处理2012－09，32（9）班云霄，等：基于水处理的磁分离技术研究进展112磁分离技术的发展方向2.1磁种（1）易吸附、易再生磁种。磁分离对于强磁性污染物有较好的吸附-再生效应，但对弱磁性或非磁性污染物则需要借助磁种。磁种经过表面改性或材料改造，可较好地吸附水中的弱磁性或非磁性污染物；在加或减磁场（或电场）作用下，能对目标污染物进行较好的解吸附。（2）“特异功能”磁种。磁种可具有“特异功能”，能够高效降解水中的目标污染物，或对污染物“变废为宝”，或可“海捞”水中的痕量污染物。2.2磁分离工艺（1）磁膜处理。膜技术用于水处理时具有良好效果，但易受污染。而磁分离技术可让磁种聚集成膜，有利于过滤水中的目标污染物；此外还能更好地对磁种进行反冲洗和再生利用。（2）磁稳定床催化水处理。TiO2催化反应能降解水中的污染物，而磁种可作为TiO2的催化载体。参照磁稳定床在化工、生物等领域中的应用，预测催化磁种能在磁场下形成磁稳定床，通过降解水中的有机污染物获得能量，进而对污染物进行循环降解。［参考文献］［1］TsourisC，NoonanJ，YingTY，etal.Surfactanteffectsonthemechanismofparticlecaptureinhigh-gradientmagneticfiltration［J］.SeparationandPurificationTechnology，2006，51（2）：201-209.［2］王龙贵.粉煤灰中磁珠的回收及用于含磷废水的处理［J］.粉煤灰综合利用，1999（1）：21-22.［3］郑学海，刘东方.廉价磁种及磁絮凝分离装置的开发与应用［J］.中国给水排水，2000，16（8）：33-35.［4］ZhangJi，ZhangShengtang，WangYunpu，etal.Compositemagneticmicrospheres：preparationandcharacterization［J］.JournalofMagnetismandMagneticMaterials，2007，309（2）：197-201.［5］LiuYaling，LiJia.Analysisofestrogensinwaterbymagneticoctadecylsilaneparticlesextractionandsweepingmicellarelectrokineticchromatography［J］.MicrochemicalJournal，2008，89（1）：72-76.［6］LiuGuangyu，WangHui，YangXinlin.SynthesisofpH-sensitivehollowpolymermicrosphereswithmovablemagneticcore［J］.Polymer，2009，50（12）：2578-2586.［7］NamdeoM，BajpaiSK.Chitosan-magnetitenanocomposites（CMNs）asmagneticcarrierparticlesforremovalofFe（Ⅲ）fromaqueoussolutions［J］.ColloidsandSurfacesA：PhysicochemicalandEngineeringAspects，2008，320（1/2/3）：161-168.［8］IshiwataT，MiuraO，HosomiK，etal.Removalandrecoveryofphosphorusinwastewaterbysuperconductinghighgradientmagneticseparationwithferromagneticadsorbent［J］.PhysicaC：Superconductivity，2010，470（20）：1818-1821.［9］陈显利，焦雨红，张浩，等.超导磁分离工业废水处理技术研究［J］.低温工程