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发表时间:2011-5-15 12:12:35 IP:58.20.139.61 |
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主题:磁分离技术及应用 |
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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，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。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。
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。
1.磁凝聚法
磁凝聚法是促使固液分离的一种手段,是提高沉淀池或磁盘工作效率的一种预处理方法。
根据斯托克斯定律,利用磁盘吸引磁性颗粒,颗粒越大所受到的磁力越大,越易被磁盘吸着去除。废水通过磁场,水中磁性颗粒被磁化,形成如同具有南北极的小磁体。由于磁场梯度为零,因此它受到的大小相等方向相反的力的作用,合力为零,颗粒不被磁场捕集,但颗粒之间却相互吸引,聚集成大颗粒。当废水通过磁场以后,由于磁性颗粒具有一定的矫顽力,因此能继续产生凝聚作用。对于钢铁废水,通过预磁处理,一般沉降效率可提高40%—80%。
磁凝聚法的特点是:
(1)可节省大量用于化学絮凝的药剂以及相应的贮存、制备和投加设备。
(2)用永久磁铁时,只需一次投资,不需日常管理费用,不消耗能源。用电磁处理每m3废水也只需0.001—0.003 kWh,电耗甚少。
(3)效果稳定,不需要复杂的操作管理。
(4)没有二次污染,不增加废水的含盐量,有利于水的循环利用。
(5)与用化学药剂比,污泥体积较少,容易脱水,污泥可回收利用。
2.磁盘法
磁盘法是借助磁盘的磁力将污水中的磁性悬浮颗粒吸着在缓慢转动的磁盘上,随着磁盘的转动,将泥渣带出水面,经刮泥板除去,盘面又进入水中,重新吸着水中的颗粒,如此周而复始。
为提高处理效果,应提高磁场强度、磁力梯度和颗粒粒径。因而,磁盘常常与磁凝聚或药剂絮凝联合使用。
磁盘法的特点是:
(1)效率高,净化时间短。处理钢铁废水时,废水在磁盘工作区间仅需停留2—5s,通过全部流程仅需2 min左右,净化效率可达到94%—99.5%。
(2)占地面积小,只需一般沉淀池的5%左右。
(3)处理后污泥含水率低,易脱水。
(4)磁盘及其附属设备构造简单,运行可靠,维护方便,但刮泥方法尚需改进。
3.高梯度磁分离法
高梯度磁分离器以高饱和磁密不锈钢聚磁钢毛为介质,当废水中的污染物对钢毛的磁力作用大于其粘性阻力和重力作用时,污染物被截留在钢毛介质上,在切断磁路后,磁力消失,被钢毛介质捕集到的污染物用水或气水反冲洗下来,从而达到从废水中去除污染物的目的。
产生高梯度磁场不仅需要高的磁场强度,而且要有恰当的磁性介质。可作介质的有:不锈钢毛、软铁制的齿板、铁球、铁钉和多孔板等。
与传统的磁分离器相比,高梯度磁过滤装置的分离速度快,分离效率高,在水处理、大气除尘等环境保护领域应用广泛,对水中各种悬浮物、重金属离子、油污、细菌、藻类、色度、浊度、有机物以及放射性污染物等的去除都比较有效。
4.超导磁分离法
超导体在某一临界温度下,具有完全的导电性,也就是电阻为零,没有热损耗,因而可以用大电流,从而得到很高的磁场强度。如用超导可获得磁场强度为2 T的电磁体。此外,超导体还可获得很高的磁力梯度。
超导电磁过滤器的特点是：可以获得很高的磁场强度和磁力梯度,电磁体不发热,电耗较少,运行费较低,能制成可以连续工作的磁过滤器。
磁分离技术应用于废水处理有三种方法: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。
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。
绝大多数工业废水所含污染物都是非铁磁性的，迄今为止，国内外试验过的磁种按其使用方法可归为三类。
1.铁粉、磁铁矿粉。使用这类磁种的方法称接种—混凝法。纯铁粉含Fe、磁铁矿粉主要含Fe3O4，都属强磁性物，且易得到。
使用方法是在废水中投加磁种和混凝剂，使生成以磁种为核心的磁性网状絮体沉淀物，通过磁分离器时，磁性絮体被捕捉，使水得到净化。
磁铁粉的回收在应用问题，国外采用三种方法。一是用大离心力的旋流分离器可回收75-98%的磁铁粉；二是利用超声装置，用强剪力使磁铁粉与絮凝体分离，但运转费用高；三是用泵使反洗水高速送入另一套高磁分离装置，磁铁粉即被捕捉与反洗水分离，使磁铁粉能循环使用。该系统包括絮凝、磁分离、反洗、浓缩、磁种回收等，可全部自动化。
2.硫酸亚铁FeSO4·7H2O。该法实际上是铁氧体法，对处理废水中的重金属离子特别有效。废水中的重金属离子在一定条件下与硫酸亚铁作用，转化成铁氧体结晶而被沉淀析出。铁氧体是一种尖晶石型微型结晶体，只有0.05～1微米，不溶于酸、碱、盐和水，磁性强，导磁率高，表面积大，自由能高，易吸附染料及其它悬浮物一起沉淀，所以可以同时处理各种金属离子和非磁性污染物。通过HGMS时，可瞬间分离。
3.氢氧化铁和氢氧化亚铁。这类磁种是由日本物化研究所提出的。
对Fe(OH)3，已发现它具有强磁性，因而可作磁种使用，同时又是很好的混凝剂，能去除多种可溶性金属离子。作用原理主要是吸附作用。Fe(OH)3是非晶态的，颗粒很细，直径约40埃，其结构是一个八面体，以共价键结合。这种结构具有大小不等的孔隙，因此不同离子半径的金属离子都能被吸附在上面。通过HGMS时，一起被捕捉与水分离。
1845年，美国发表了工业磁选机的专利。磁分离技术作为有磁性差异的两种及多种物质的选别手段，在矿石的精选、煤的脱硫、玻璃及水泥等原料的除铁、高岭土的提纯、生物工程中的细胞分离、石化行业的催化剂回收等领域得到了广泛的应用。
近几年磁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。从上世纪60年代开始，苏联用磁凝聚法处理钢厂除尘废水，60年代末，美国MIT教授科姆发明高梯度磁过滤器，70年代美国应用磁絮凝法和高梯度磁分离法处理钢铁、食品、化工、造纸等废水。1974年瑞典开始用磁盘法处理轧钢废水，随后的1975年日本开发盘式“两秒分离机”。我国从70年代中期到80年代初，将磁聚凝法、磁盘法、高梯度磁分离法用于炼钢、轧钢废水的处理。近年来，磁分离技术在电镀废水、含酚废水、湖泊水、食品发酵废水、市政废水、钢铁废水、厨房污水、屠宰废水、石油采出水等处理方面都取得了一定的研究成果，有的已经在实际废水处理中得到了很好的应用。近些年来，磁分离技术得以迅速发展，以美国和日本最为代表。
1999年，美国剑桥水务科技（CWT）以麻省理工学院的高梯度磁分离（HGMS）技术为基础，开发出全新的水处理技术CoMag工艺，采用增强型化学助凝剂、絮凝剂和加载高效可回收的磁粉的方式，提高沉降速度、增加表面负荷、缩短水力停留时间，所以只需很小的占地面积，也因此降低了设置安装费用。该工艺主要用来作为传统污水处理的预处理和三级处理。具体流程如图1所示。
图1 CoMag工艺流程
图2 BioMag工艺流程
BioMag工艺是是继CoMag工艺之后推出的一项通过向生物絮体添加磁粉来提高污水生化处理的工艺。经BioMag工艺处理过的水，其悬浮物、生化需氧量、氮和磷的浓度都比较低，且所需的占地面积相对常规生化系统较小。BioMag工艺可以大大减小生物反应器的容积，显著降低去除BOD以及脱氮所需的占地面积。BioMag工艺的首要特点是，它在增加二沉池内的沉降速度和浓缩污泥层方面能力显著。具体流程如图2。
目前，美国剑桥水技术已与麻省的Sturbridge市签订合约，在三个活性污泥处理成套设备中的一个系统上进行BioMag工艺全规模试验。与膜生物反应器技术相比，BioMag工艺是成本更低且处理效果较好的优化升级工艺。BioMag工艺有着更为简易的控制系统；且在施工安装和运行期间，分期扩建更为简易。
2007年，日本首都大学东京大学院开发出利用磁性吸附剂去除废水中磷的技术。日本首都大学的伊藤大佐教授等组成的研究小组开发出了有效去除废水中磷的技术。利用超导磁体可以得到10特斯拉的磁场强度，再利用具有磁力的名为“锆磁体”的金属微粒，可去除99%以上的磷。可将磷的浓度由0.86mg/L降到0.006mg/L。磁分离装置原理图见图3。该技术目前用于小规模生活污水处理、霞浦湖富营养化治理、屠宰场废水处理。
图3 超导磁分离装置原理
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