磁分离技术在污水处理中的应用孙巍

6JMagnMaterDevicesVol37No4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：1001-3830(2006)04-0006-05ApplicationofMagneticSeparatingTechnologyinPollutedWaterTreatmentSUNWei,LIZhen,WUSong-hai,JIAShao-yiSchoolofChemicalEngineeringandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,ChinaAbstract:Fundamentalprinciple,separatingmethod,equipmentandcharacteristicsofmagneticseparationtechnologyappliedinpollutedwatertreatmentareintroduced.Applicationsarediscussedandforegroundisprospectedinmagneticseparatingtreatmentofindustrialpollutedwaters.Keywords:pollutedwatertreatment;magneticseparatingtechnology;highgradientmagneticseparation;magneticdiscseparation1引言水是一种不可再生的资源，它在社会循环中，不可避免地会混入许多杂质，从而丧失了使用价值，导致地球上的水资源日益减少。为了把这种危害降到昀低程度，人类采取了种种措施，其中磁力分离法就是比较先进的一种方法。国外自1970年代开始进行研究以来，磁分离技术作为物理处理技术已在高岭土的脱色增白、煤的脱硫、矿石的精选、生物工程、酶反应工程等领域得到了广泛应用，并成功地应用于城市工业废水和生活污水、废料、污染的河水、湖水以及饮用水的处理。我国从1980年代起开始这一领域的研究。特别是近年来，在电镀废水、含酚废水、湖水、食品发酵废水、含油废水、钢铁废水和厨房污水等处理方面取得不少的成果，有的已应用于实际废水处理[1]。2磁分离技术简介磁场本身是一种具有特殊能量的场，经磁场处理收稿日期：2005-11-28修回日期：2006-04-05基金项目：天津市自然科学基金项目（033603611）作者通信：E-mail:[e-mail]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[2]，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[3]。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，从昀初的矿物分选、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[4]。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。磁性材料及器件2006年8月7借助外力磁场的作用，将废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，它不但已成功应用于高炉煤气洗涤水、炼钢烟尘净化废水，轧钢废水和烧结废水的净化，而且在其它工业废水、城市污水和地皮水的净化方面也很有发展前途[5]。3磁分离技术的基本原理与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[6]。4磁分离设备目前具有代表性的磁分离设备是高梯度磁分离器和磁盘分离器[7]。4.1高梯度磁分离器高梯度磁分离（HighGradientMagneticSeparation，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1μm）、弱磁性颗粒（磁化率低到10－6）的分离等[8]。高梯度磁分离器(磁滤器)是一种过滤操作单元，在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[9]。4.1.1高梯度磁分离技术处理废水的机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，然后用高梯度磁分离技术除去。废水中的悬浮颗粒在磁场中受到的力有本身的重力、磁场力、流体粘滞力、流体惯性力以及分子间的引力等，其中除了磁场力对分离有贡献外，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、流体阻力等的合力作用。也就是说，颗粒受到的磁场力越大，则被磁分离器抓住分离的可能性也就会越大，分离效率也就越高。对于微细颗粒而言，主要考虑流体阻力的影响。颗粒在磁场中受到的磁场力Fu为[10]：uddHFVHxγ=（1）式中，γ为颗粒本身的磁化率，V为颗粒体积，H为磁场强度，ddHx为磁场强度梯度。颗粒受到的流体阻力为DuFDπμ3=（2）式中，μ为水的动力粘滞系数，D为颗粒直径，u为颗粒相对于水流的速度。只有当FuFD时，颗粒才被磁场所吸引而从水中分离出来。从（1）式看出，颗粒受到的磁场力Fu的大小主要与磁场强度、磁场强度梯度以及颗粒本身的磁化率成正比。对于一定粒度的颗粒(体积一定)来说，增大这3个参数中的任何一个都可以增大磁场力。实际应用中，增大磁场强度要耗费大量电能，且受到材料特性的约束，因此，增大磁场力往往通过增大磁场强度梯度的方法来实现。磁场强度梯度是指单位距离的磁场强度变化，梯度的产生主要靠梯度磁分离器中的填料来实现，由于填料均选用磁化率很高的材料，磁力线基本上集中从其内通过，于是在填料表面附近的磁力线密度衰减，从而形成一个强的磁场强度梯度。废水流过梯度磁分离器的填料时，当填料对废水中污染物的磁力作用大于其他力的合力时，污染物被吸在填料上；切断磁场后，磁力消失，被填料捕集到的污染物用压缩空气或水反冲洗下来，从而达到从废水中去除污染物的目的。4.1.2高梯度磁分离器及其填料一个内部填充填料的容器外加一个磁场就构8JMagnMaterDevicesVol37No4成了高梯度磁分离器，如图1所示，磁场强度一般为0.1~1.5T。常见的填料有纤维状或棒状铁磁性非晶质合金、不锈钢毛、海绵状金属（如海绵镍）等[11]，其作用主要是形成强的磁场和磁场梯度。一般来说，填料的磁性越强，磁分离器的分离效果越好。对同一填料来说，填料越细，填充程度越高，磁分离效果越好。但是填充度提高，流体阻力增大，一般在5％左右为宜[12]。4.1.3高梯度磁分离技术的特点（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。4.1.4高梯度磁分离技术的应用[13]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[14]、糖蜜酒精废水[15]、城市污水[16]、含油废水[17]、电镀废水[18]、放射性废水[19]、食品工业废水、纺织印染废水、造纸废水[20]、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[21]。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51~95BOD5投加磁种及混凝剂60~80TOC投加磁种及混凝剂70~81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采用磁种凝聚-磁分离技术处理含Ni2+电镀废水，在废水中加入粒度小于10μm的Fe3O4，调节pH值，加入聚丙烯酰胺，使Ni(OH)2与磁种凝聚成磁性矾花，经磁分离器进行分离，Ni2+去除率达99％。实验证明用硫酸铝作混凝剂，采用磁种-高梯度磁分离器去除废水中的磷酸盐污染物，在pH值为4时，其去除率可达90％以上[22]。用高梯度磁性分离器处理炼油厂的含油废水，其分离效果较好。磁分离技术除油的突出优点在于，磁粉不仅对油有很好的吸附能力，而且可以依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[23,24]。将高梯度磁滤器应用于饮用水的处理方面，与传统工艺相比，有机物去除率平均提高34.21％，且能去除藻类，出水水质优于砂滤池的出水；对细菌、有机物及重金属的去除效果更明显，出水水质符合饮用水的各项指标[25]。4.1.5高梯度磁分离技术在废水处理中的应用前景（1）HGMS技术和其它技术的结合。铁氧体法是日本电气公司(NEC)研究出来的一种从废水中除去重金属的工艺技术[26]，因铁氧体具有较强磁性，因而可在高梯度磁场中将其分离出来，该方法比用一般沉淀法效率要高许多。此外为了把絮凝阶段高速化、高效化，可向废水中投加絮凝剂的同时投加磁种，从而形成包裹磁种的悬浮絮绒体，因具有磁性，废水通过梯度磁场时，污染物就被分离出来。磁絮凝可改善絮凝效果，使出水剩余浊度得到进一步降低，絮体更紧密，尺寸和密度均增加。还可大大缩短沉降所需时间，提高絮凝效率，且易于实现固液磁分离[27]。（2）廉价磁种的开发。有资料表明[28]，炼钢厂排放的烟尘和气溶胶凝聚物通过静电除尘后的“红土”状细粉就是很好的磁种，实验证明这类磁种与商品磁粉在投加量、COD去除率、吸着分离能力等方面均无差别，而在分散性、无需回收、价格低廉等方面更具有明显优势。所以使用廉价的顺磁性材料代替强磁材料作磁种处理含非磁性物质的废水，用后与滤渣一并废弃，省去了磁种回收工艺，可以大大节省费用。Pillai[29]用硝酸钴和硝酸铁配成W/O型微乳浊液，再与一定量的氨水混合，合成了具有高矫顽力的钴铁氧体颗粒，其直径在50nm左右，为高效磁种的开发提供了基本的研究方法。反洗用加压水反洗用空气净水电磁线圈内装填料反洗液废水图1高梯度磁分离器结构示意图磁性材料及器件