磁分離技術(shù)是借助磁場(chǎng)力的作用，對(duì)磁性不同的物質(zhì)進(jìn)行分離的一種物理分離方法。磁分離技術(shù)可以說(shuō)是一門比較古老、較成熟的技術(shù)，最早應(yīng)用于選礦和瓷土工業(yè)。1845年，美國(guó)發(fā)表了工業(yè)磁選機(jī)的專利。磁分離技術(shù)作為有磁性差異的兩種及多種物質(zhì)的選別手段，在礦石的精選、煤的脫硫、玻璃及水泥等原料的除鐵、高嶺土的提純、生物工程中的細(xì)胞分離、石化行業(yè)的催化劑回收等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。磁分離技術(shù)用于水處理工程，它又可以稱得上是一門新興技術(shù)。從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，蘇聯(lián)用磁凝聚法處理鋼廠除塵廢水，60年代末，美國(guó)MIT教授科姆發(fā)明高梯度磁過(guò)濾器，70年代美國(guó)應(yīng)用磁絮凝法和高梯度磁分離法處理鋼鐵、食品、化工、造紙等廢水。1974年瑞典開(kāi)始用磁盤法處理軋鋼廢水，隨后的75年日本開(kāi)發(fā)盤式“兩秒分離機(jī)”。我國(guó)從70年代中期到80年代初，將磁聚凝法、磁盤法、高梯度磁分離法用于煉鋼、軋鋼廢水的處理。近年來(lái)，磁分離技術(shù)在電鍍廢水、含酚廢水、湖泊水、食品發(fā)酵廢水、市政廢水、鋼鐵廢水、廚房污水、屠宰廢水、石油采出水等處理方面都取得了一定的研究成果，有的已經(jīng)在實(shí)際廢水處理中得到了很好的應(yīng)用。

2磁分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用與研究情況

利用磁分離技術(shù)處理污水，其前提是污水中的顆粒需具有一定的磁性。所以該技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋼鐵熱軋、連鑄廢水、冷軋乳化液等鋼鐵行業(yè)廢水的處理，其污染物98%以上都是強(qiáng)磁性物質(zhì)，另外還含有部分油類和少量非磁性物質(zhì)，非常適合用磁分離的方式凈化。其工藝簡(jiǎn)單，占地面積小，處理效果好。下圖為一種典型含磁性污染物廢水處理工藝流程。

有一種高梯度磁分離技術(shù)（HGMS技術(shù)）是目前處理鋼鐵工業(yè)廢水的報(bào)道較多的。該裝置是由鋼毛類微型聚磁介質(zhì)與鐵鎧線圈相結(jié)合的Kolm—Marston型現(xiàn)代高梯度磁分器（High Gradient Magnetic Separator）。其一經(jīng)出現(xiàn)，就以其體積小、效率高、投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)便、處理量大、模擬放大性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，使傳統(tǒng)的磁分離（或磁分選）裝置發(fā)生了重大的變革。故其廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)及污水處理行業(yè)等。下表是鋼鐵企業(yè)典型廢水處理結(jié)果。

對(duì)于非磁性或弱磁性污染物污水，一般通過(guò)投加磁種，然后利用絮凝技術(shù)使非磁性物質(zhì)與磁種結(jié)合在一起，然后單獨(dú)利用磁分離技術(shù)或絮凝沉降聯(lián)合高梯度磁分離技術(shù)分離凈化廢水。這類技術(shù)被人們稱為“磁種混凝磁分離”或者“磁加載磁分離”技術(shù)。在廢水處理領(lǐng)域，磁種沒(méi)有選擇性的要求，一般只要求其：①具有比較強(qiáng)的磁性；②易于回收重復(fù)利用。下圖是一種常見(jiàn)的此類廢水的處理工藝（CoMagTM）流程，運(yùn)用了HGMS技術(shù)。因?yàn)镠GMS裝置需要反洗，負(fù)荷不能過(guò)重，否則反洗頻繁，故在前面設(shè)置澄清池，工藝實(shí)為磁粉加載絮凝沉降，磁粉起的作用大部分是加速澄清的“配重”作用以及方便磁鼓回收的“磁種”作用。

城市污水中的污染物絕大部分是非磁性的，在其中加入磁種和適當(dāng)?shù)幕炷齽?，再通過(guò)高梯度磁分離器，能去除污水中的懸浮物、色度、濁度、磷酸鹽、細(xì)菌等。美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究者對(duì)城市污水投加Fe 3 O 4 和硫酸鋁，進(jìn)行高梯度磁分離處理，獲得了良好的效果。但是，此種技術(shù)與混凝沉降沒(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別，只不過(guò)是利用了磁分離來(lái)代替了沉降重力分離，對(duì)氨氮的去除率低。為了更好地處理污水中的COD、BOD、氨氮、磷等污染物，只有將磁分離技術(shù)與現(xiàn)有的生物處理技術(shù)相結(jié)合，才可能達(dá)到比較好的效果。如BioMag工藝將CoMagTM工藝與活性污泥法結(jié)合，可以達(dá)到脫氮除磷的效果。該工藝的實(shí)質(zhì)為生物處理加上加藥化學(xué)除磷。除磷主要靠化學(xué)沉析及混凝磁分離來(lái)實(shí)現(xiàn)。如下圖工藝流程圖。

3磁性材料的選取

3.1考慮因素

磁種材料選取的最基本要求：1具有較強(qiáng)的磁性。2利用磁場(chǎng)作用易于回收重復(fù)利用。根據(jù)以上基本條件我們直接可以選擇常見(jiàn)的Fe粉，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e 3 O 4及其鐵和鐵的氧化物的復(fù)合材料。當(dāng)然我們還可以選擇能夠直接或者間接產(chǎn)生磁性的鈷鎳等過(guò)渡金屬及其合金。不過(guò)從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性角度上考慮，通常的磁性材料偏向于鐵，鐵氧化物及其相應(yīng)的復(fù)合物，因?yàn)殁掓嚰捌湎鄳?yīng)合金價(jià)格遠(yuǎn)高于鐵及其鐵氧化物的價(jià)格。

除了經(jīng)濟(jì)性方面的因素，我們還要考慮磁材料的吸附性能因素。如果我們的磁性材料價(jià)格優(yōu)廉，并能很好地吸附我們所要去除的污染物。這樣子，我們就可以通過(guò)磁場(chǎng)作用，加快污染物的沉淀速度，提高設(shè)備的沉降性能，從而提高污水處理的生產(chǎn)能力。最后還需要考慮的是就是我們所選取的磁性材料易于回收利用，使磁性材料的利用率達(dá)到最大值，使企業(yè)公司的生產(chǎn)效益達(dá)到最佳水平。

3.2選取實(shí)例

在目前國(guó)內(nèi)的磁種選取方面，鄭學(xué)海等學(xué)者采用煉鋼廠排放的煙塵和氣溶膠凝聚物通過(guò)靜電除塵后的“紅土”狀細(xì)粉作為磁種。其效果與商品磁粉相當(dāng)，但價(jià)格僅為其1/20，用于有機(jī)廢水、印染廢水、含油廢水、重金屬?gòu)U水等的處理。該細(xì)粉經(jīng)電子顯微鏡掃描，觀察到微粒形狀以圓球形為主 ,粒徑在 0.5左右，在接種過(guò)程中顯現(xiàn)良好的分散性,配制與混凝反應(yīng)時(shí)更顯均勻。其化學(xué)成分含鐵量高, 雜質(zhì)少 ,主晶相為r—Fe 2 O3,“紅土”有少量亞鐵離子以 FeO形態(tài)存在 ,但并不影響吸著性能。FeO的磁化率為7 200×10 -6 (293 ℃), Fe2O3為3586×10-6 (103℃)。若用此廢料直接加工成鐵氧體 , 其磁性主要技術(shù)參數(shù)也能達(dá)到國(guó)家 SJ 285—77 標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下表（“紅土”制鐵氧體的磁性能）。

平行比較試驗(yàn)與大量使用結(jié)果表明 , 所開(kāi)發(fā)的“紅土”磁種與商品磁粉在投加量、COD 去除率 、SS殘留 、吸著分離能力等方面均無(wú)差別 ,而在分散性、無(wú)需回收、價(jià)格低廉等方面更具有明顯特點(diǎn)，其比較結(jié)果見(jiàn)下表（商品磁粉與“紅土”對(duì) COD、SS 去除比較）。

還有國(guó)內(nèi)的趙愛(ài)武學(xué)者利用粉煤灰中的“磁珠”作為磁種，采用高梯度磁分離器處理含磷廢水，達(dá)到了以廢治廢的目的。粉煤灰中的磁珠易于分選，且其自然屬性較好地符合于用作磁種的基本條件, 它屬于強(qiáng)磁性物, 一般以 < 38Lm 為主導(dǎo)粒級(jí), 所以研究以粉煤灰磁珠作為磁種用于污水處理, 不論是在資源的合理利用上, 還是環(huán)境保護(hù)及污水治理上都具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。下表是關(guān)于淮南洛河電廠粉煤灰分選出“磁珠”的磁性和物理特性情況。

從該表可看出該磁珠的比磁化率大于強(qiáng)磁性礦物比磁化率的界限值() , 屬?gòu)?qiáng)磁性物, 其孔隙率也較高, 這有利于增大磁珠的比表面積, 從而增強(qiáng)它的粘附性。

總的來(lái)說(shuō)，該兩位學(xué)者選取的此種具有以下特點(diǎn)：1以廢治廢，原料來(lái)源豐富，經(jīng)濟(jì)效益高 ；2原料無(wú)需復(fù)雜制備工藝，易獲取研制；3性能高效, 適宜各類工業(yè)廢水 ；4易于回收利用，二次污染少。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者也有選用納米類磁性物質(zhì)作為磁種。納米磁性材料由于其磁相關(guān)的特征物理長(zhǎng)度處于納米級(jí)別，因此其能夠表現(xiàn)出有別于常規(guī)磁性材料的理化特性（例如超順磁，高吸附能力）使得其在環(huán)保領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。例如利用納米磁性材料和傳統(tǒng)絮凝劑聯(lián)用可以增加絮凝劑的聚沉效果進(jìn)而提高污水處理效率，且可通過(guò)外界磁場(chǎng)對(duì)磁性材料進(jìn)行高效回收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源的有效利用。如氧化鐵類納米微粒：其成本低廉，來(lái)源廣泛，且具有磁性可控、低毒性和高比表面積等優(yōu)點(diǎn)，在水處理方面具有天然優(yōu)勢(shì)。且在外加磁場(chǎng)的作用下能被較易回收，表現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。

4磁性材料與去除物的吸附

在目前運(yùn)用的磁分離水體凈化技術(shù)中，磁性材料和去除物的吸附基本上采用混凝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)（也有少些是通過(guò)添加具有絮凝功能的特異性磁種，通過(guò)磁種表面的特異性基團(tuán)實(shí)現(xiàn)絮凝，來(lái)實(shí)現(xiàn)該吸附結(jié)合過(guò)程。）?；静僮骶褪峭ㄟ^(guò)對(duì)處理的水體進(jìn)行相關(guān)最佳混凝條件的控制，使磁種和混凝劑能夠在投入到廢水中后，較快較高效地進(jìn)行磁性接種與混凝反應(yīng)，并且形成較穩(wěn)定的磁性絮體，該反應(yīng)的主要機(jī)理也就是混凝機(jī)理，主要有電中合作用，吸附架橋作用，壓縮雙電層作用。

（1）電中和作用

電中和作用，是指混凝劑在水中形成帶正電的膠粒，它能和水中帶負(fù)電的膠粒相互吸引從而使彼此的電性中和而凝聚。

（2）吸附架橋作用

一些呈線型結(jié)構(gòu)的高分子混凝劑，以及金屬鹽類混凝劑在水中形成線型高聚物后，均能強(qiáng)烈吸附膠體微粒。當(dāng)吸附的微粒增多時(shí)，上述線型分子會(huì)彎曲變形和成網(wǎng)。從而起到橋梁的作用，使微粒間的距離縮短而相互粘結(jié)，逐漸形成粗大的絮凝體。這種作用稱吸附架橋作用。

（3）壓縮雙電層作用

水中粘土膠團(tuán)含有吸附層和擴(kuò)散層，合稱雙電層。雙電層中正離子濃度由內(nèi)向外逐漸降低，最后與水中的正離子濃度人致相等。因此雙電層有一定的厚度。如向水中加入電解質(zhì)，其正離子就會(huì)擠入擴(kuò)散層而使之變薄；進(jìn)而擠入吸附層，使膠核表面的負(fù)電性降低。這種作用稱壓縮雙電層。當(dāng)雙電層被壓縮，顆粒間的靜電斥能就會(huì)降低。當(dāng)降至小于顆粒布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能時(shí)，顆粒相互吸附凝聚。凝聚顆粒在水的紊流中彼此碰撞吸附，形成絮凝體(亦稱絨體或礬花)。絮凝體具有強(qiáng)大吸附力，不僅能吸附懸浮物，還能吸附部分細(xì)菌和溶解性物質(zhì)。絮凝體通過(guò)吸附，體積增大而下沉。

磁粉成核的混凝機(jī)理主要是電中和作用，電中和作用與另外兩種截然不同，這一作用實(shí)際上也可以看成是動(dòng)電吸引作用，它主要取決于固體粒子與成核粒子本身的表面性質(zhì)，主要包括沉降性能以及表面電荷情況。

目前也有不是直接通過(guò)投加磁種和混凝劑來(lái)實(shí)現(xiàn)磁性材料與去除物的結(jié)合的工藝。而是采用專門研制的一種專門負(fù)載微生物用的磁種，也即磁性生物載體。該方式類似于污水生物處理中應(yīng)用的生物膜技術(shù)。磁種的作用就等同于生物濾池中的濾料，用于微生物生長(zhǎng)棲息，接著通過(guò)微生物的生命活動(dòng)形成具有較強(qiáng)的吸附和生物降解性能的結(jié)構(gòu)。所以這種磁性生物載體具有普通生物膜法中載體的性能，如多孔、吸附性能與生物掛膜性能優(yōu)良、耐沖刷、對(duì)生物無(wú)毒性、比重略大于1，易于曝氣形成流化態(tài)，同時(shí)還具有順磁性，易于磁分離。使用磁性生物載體的比直接使用磁粉的，其生化處理效果更好。右圖為研制的磁性生物載體，粒徑規(guī)格按用途在0.3~0.8mm間。

5磁性材料的循環(huán)

要進(jìn)行磁性材料的循環(huán)，首先我們要先通過(guò)各種磁分離設(shè)備進(jìn)行分離操作獲得磁絮體，帶有磁種的磁絮體與水中其他物質(zhì)的磁性差異是磁分離基礎(chǔ) 。磁分離按磁場(chǎng)類型可分為永磁分離 、電磁分離和超導(dǎo)磁分離。按結(jié)構(gòu)原理可分為凝聚分離、磁盤分離和高梯度磁分離 。按工作方式可分為連續(xù)式或間歇式，凝聚沉降分離和磁力吸著分離。下面以永磁連續(xù)吸著式分離機(jī)為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

其裝置內(nèi)的永久磁鐵按一定方式排列形成磁回路，污水在磁圓盤的梯度磁場(chǎng)中通過(guò)時(shí)包裹磁種的磁絮體被吸著在緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的盤表面，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)將污泥帶出水面，同時(shí)開(kāi)始瀝水,轉(zhuǎn)至刮泥板口，污泥被刮除后,盤面又進(jìn)入水中，重新吸著周而復(fù)始。原污水與磁盤旋轉(zhuǎn)方向成逆流，SS 逐級(jí)被永磁體吸著, 流動(dòng)過(guò)程中污水逐級(jí)變清。其工作原理圖見(jiàn)下圖。

污水中大部分磁絮體都經(jīng)由刮泥板的刮泥操作收集在一起，我們現(xiàn)在要做的任務(wù)就是如何從污泥中分離磁種或者說(shuō)是仍具有良好吸附性能的磁性物質(zhì)混合物。從查閱各種資料發(fā)現(xiàn)這方面的內(nèi)容并不豐富，下面以某一關(guān)于納米磁種的回收研究進(jìn)行說(shuō)明——《磁絮凝耦合重金屬捕集劑EDTC對(duì)酸性絡(luò)合鎳的深度脫除及磁種回收利用的研究》。

在獲得磁絮體后，將磁絮體置于NaOH溶液中浸泡并攪拌(300r/min)—定時(shí)間后即得到Ni富集溶液和磁種。用去離子水洗滌磁種(至少3次),同時(shí)用磁鐵在燒杯底部吸附磁種(l-2min),防止磁種流失,最后將磁種置于真空干燥箱內(nèi)60℃恒溫干燥至恒重，回收干燥磁種。下圖展示了磁種回收流程。

從上述基本操作流程得出，想要磁絮體中的磁種與其他非磁性物質(zhì)進(jìn)行分離，得到含量較高的磁種。首先要破壞磁絮體狀態(tài)，也就是通過(guò)加堿，破壞膠體顆?；蛘呤切躞w的脫穩(wěn)狀態(tài)。在通過(guò)永磁體等相應(yīng)磁場(chǎng)作用，將磁種吸附聚集，而其他非磁性物質(zhì)通過(guò)洗滌方式去除，并通過(guò)干燥方式去除磁種所夾帶的水分。通過(guò)此法回收的磁種純度較高，成分穩(wěn)定，能夠繼續(xù)使用。

6總結(jié)

磁分離水體凈化技術(shù)的確具有異常明顯的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

? a、停留時(shí)間短。

能實(shí)現(xiàn)水體中污染物與水的快速分離，懸浮物、磷酸鹽和藻類從反應(yīng)到分離大約只需要3min。

? b、占地面積小。

停留時(shí)間的縮短將大大縮小處理設(shè)備的容積，從而大大減小占地面積?？梢詫?shí)現(xiàn)設(shè)備的復(fù)成，制作成車載式移動(dòng)處理設(shè)備，提高利用率。

? c、處理水量大。

單臺(tái)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)處理量1500m3/h。

? d、出水水質(zhì)好。

設(shè)備的處理出水懸浮物濃度低于8mglL，總磷低于0.3mg/L。

…e、 運(yùn)行費(fèi)用低。

作為對(duì)常規(guī)混凝沉淀過(guò)濾工藝的革新，除了藥劑的運(yùn)行費(fèi)用外，設(shè)備本身的電耗成本極低，噸水處理電耗不到0.05元，在能耗上極具優(yōu)勢(shì)。

總體來(lái)說(shuō)，磁分離水體凈化技術(shù)是物化分離技術(shù)，與沉淀、過(guò)濾工藝相比，具有設(shè)備連續(xù)運(yùn)行、可高效去除水中懸浮物和磷酸鹽的特點(diǎn)，工藝上具有流程短、占地少、投資省、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)隨著社會(huì)需求的增加，自身利益的需求，人們渴望獲得高效吸附性能的磁種，于是出現(xiàn)了一些納米磁種。這些納米磁性材料由于它們的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長(zhǎng)度，且都有高比表面積，因此其所表現(xiàn)出來(lái)的特性（例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)和導(dǎo)熱等）往往和該物質(zhì)的宏觀整體狀態(tài)下的性質(zhì)有巨大差異，如有別于常規(guī)磁性材料的理化特性（例如超順磁，高吸附能力）。在具體點(diǎn)就如氧化鐵類納米微粒由于具有磁性可控、低毒性和高比表面積等優(yōu)點(diǎn)，在水處理方面具有天然優(yōu)勢(shì)。再如納米零價(jià)鐵微粒在處理氯化有機(jī)物，聚氯聯(lián)苯、無(wú)機(jī)非金屬離子，重金屬離子等污染物時(shí)表現(xiàn)出良好的處理效果 。納米零價(jià)鐵在除污方面有顯著優(yōu)勢(shì)，一方面得益于其高的比表面積，使得它能高效地吸附污染物；另一方面是由于其本身具有較高的反應(yīng)活性，可以和多種污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到除污的效果。

但是，現(xiàn)階段納米磁性材料技術(shù)存在著許多亟待解決的問(wèn)題。例如大規(guī)模工程化應(yīng)用中的磁種回收問(wèn)題，相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的回收技術(shù)而言，大規(guī)模工業(yè)回收技術(shù)發(fā)展還不成熟，因此限制了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。此外，普通的納米磁性材料對(duì)單一廢水的處理效果較好，但在處理多組分高濃度廢水時(shí)，會(huì)遇到處理效果不理想，處理結(jié)果不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此開(kāi)發(fā)更高效的適用范圍更為廣泛的復(fù)合納米磁性材料將會(huì)是日后研究的重點(diǎn)之一。

因?yàn)榧{米磁性材料的這些問(wèn)題，人們更傾向于使用一些常規(guī)的磁性材料。但考慮到經(jīng)濟(jì)性，人們有用煉鋼廠排放的煙塵和氣溶膠凝聚物通過(guò)靜電除塵后的“紅土”狀細(xì)粉作為磁種，也用粉煤灰中的“磁珠”作為磁種。將另一種看似沒(méi)有任何價(jià)值的“廢物”，經(jīng)過(guò)不算復(fù)雜的工藝，以廢治廢，變廢為寶。像這些大直徑的磁種在回收操作方面比納米磁種相比，顯得簡(jiǎn)單高效，最重要的是其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于商品磁粉。

關(guān)于磁種與去除物的吸附這方面的技術(shù)，個(gè)人更傾向于采用專門研制的一種專門負(fù)載微生物用的磁種，也即磁性生物載體。該方法可以減少混凝劑，助凝劑等化學(xué)試劑的添加量，可以節(jié)省較多資金，并且該法的生化處理效果優(yōu)于常規(guī)投加磁種和混凝劑法。不過(guò)該法中較關(guān)鍵的生物掛膜技術(shù)具有一定的生物周期，并且還要保證微生物維持其生命活動(dòng)的基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，必須要妥善解決這些問(wèn)題，才能更好地發(fā)揮該項(xiàng)技術(shù)。

總之，磁分離水體凈化技術(shù)具有較大的潛力，值得每一位環(huán)保工作者進(jìn)行深入研究。