磁分離技術(shù)是借助磁場(chǎng)力的作用，對磁性不同的物質(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(mén)比較古老、較成熟的技術(shù)，最早應用于選礦和瓷土工業(yè)。1845年，美國發(fā)表了工業(yè)磁選機的專(zhuān)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)域得到了廣泛的應用。磁分離技術(shù)用于水處理工程，它又可以稱(chēng)得上是一門(mén)新興技術(shù)。從上世紀60年代開(kāi)始，蘇聯(lián)用磁凝聚法處理鋼廠(chǎng)除塵廢水，60年代末，美國MIT教授科姆發(fā)明高梯度磁過(guò)濾器，70年代美國應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(pán)法處理軋鋼廢水，隨后的75年日本開(kāi)發(fā)盤(pán)式“兩秒分離機”。我國從70年代中期到80年代初，將磁聚凝法、磁盤(pán)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用。

2磁分離技術(shù)在水處理中的應用與研究情況

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%以上都是強磁性物質(zhì)，另外還含有部分油類(lèi)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)廢水的報道較多的。該裝置是由鋼毛類(lèi)微型聚磁介質(zhì)與鐵鎧線(xiàn)圈相結合的Kolm—Marston型現代高梯度磁分器（High Gradient Magnetic Separator）。其一經(jīng)出現，就以其體積小、效率高、投資省、運行費用低、操作簡(jiǎn)便、處理量大、模擬放大性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，使傳統的磁分離（或磁分選）裝置發(fā)生了重大的變革。故其廣泛應用于鋼鐵行業(yè)及污水處理行業(yè)等。下表是鋼鐵企業(yè)典型廢水處理結果。

對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)與磁種結合在一起，然后單獨利用磁分離技術(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(lèi)技術(shù)被人們稱(chēng)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具有比較強的磁性；②易于回收重復利用。下圖是一種常見(jiàn)的此類(lèi)廢水的處理工藝（CoMagTM）流程，運用了HGMS技術(shù)。因為HGMS裝置需要反洗，負荷不能過(guò)重，否則反洗頻繁，故在前面設置澄清池，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的混凝劑，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、細菌等。美國麻省理工學(xué)院的研究者對城市污水投加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)區別，只不過(guò)是利用了磁分離來(lái)代替了沉降重力分離，對氨氮的去除率低。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)與現有的生物處理技術(shù)相結合，才可能達到比較好的效果。如BioMag工藝將CoMagTM工藝與活性污泥法結合，可以達到脫氮除磷的效果。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。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具有較強的磁性。2利用磁場(chǎng)作用易于回收重復利用。根據以上基本條件我們直接可以選擇常見(jiàn)的Fe粉，Fe2O3，Fe 3 O 4及其鐵和鐵的氧化物的復合材料。當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，鐵氧化物及其相應的復合物，因為鈷鎳及其相應合金價(jià)格遠高于鐵及其鐵氧化物的價(jià)格。

除了經(jīng)濟性方面的因素，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到最大值，使企業(yè)公司的生產(chǎn)效益達到最佳水平。

3.2選取實(shí)例

在目前國內的磁種選取方面，鄭學(xué)海等學(xué)者采用煉鋼廠(chǎng)排放的煙塵和氣溶膠凝聚物通過(guò)靜電除塵后的“紅土”狀細粉作為磁種。其效果與商品磁粉相當，但價(jià)格僅為其1/20，用于有機廢水、印染廢水、含油廢水、重金屬廢水等的處理。該細粉經(jīng)電子顯微鏡掃描，觀(guān)察到微粒形狀以圓球形為主 ,粒徑在 0.5左右，在接種過(guò)程中顯現良好的分散性,配制與混凝反應時(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(zhù)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)參數也能達到國家 SJ 285—77 標準。測試結果見(jiàn)下表（“紅土”制鐵氧體的磁性能）。

平行比較試驗與大量使用結果表明 , 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(zhù)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)，其比較結果見(jiàn)下表（商品磁粉與“紅土”對 COD、SS 去除比較）。

還有國內的趙愛(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, 它屬于強磁性物, 一般以 < 38Lm 為主導粒級, 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)境保護及污水治理上都具有較大的現實(shí)意義。下表是關(guān)于淮南洛河電廠(chǎng)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磁性礦物比磁化率的界限值() , 屬強磁性物, 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)濟效益高 ；2原料無(wú)需復雜制備工藝，易獲取研制；3性能高效, 適宜各類(lèi)工業(yè)廢水 ；4易于回收利用，二次污染少。

國內外學(xué)者也有選用納米類(lèi)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(cháng)度處于納米級別，因此其能夠表現出有別于常規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)域具有巨大的應用潛力。例如利用納米磁性材料和傳統絮凝劑聯(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)對磁性材料進(jìn)行高效回收，進(jìn)而實(shí)現資源的有效利用。如氧化鐵類(lèi)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。且在外加磁場(chǎng)的作用下能被較易回收，表現了巨大的應用潛力。

4磁性材料與去除物的吸附

在目前運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（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實(shí)現絮凝，來(lái)實(shí)現該吸附結合過(guò)程。）?；静僮骶褪峭ㄟ^(guò)對處理的水體進(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，并且形成較穩定的磁性絮體，該反應的主要機理也就是混凝機理，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(xiàn)型結構的高分子混凝劑，以及金屬鹽類(lèi)混凝劑在水中形成線(xiàn)型高聚物后，均能強烈吸附膠體微粒。當吸附的微粒增多時(shí)，上述線(xiàn)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，逐漸形成粗大的絮凝體。這種作用稱(chēng)吸附架橋作用。

（3）壓縮雙電層作用

水中粘土膠團含有吸附層和擴散層，合稱(chēng)雙電層。雙電層中正離子濃度由內向外逐漸降低，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 )擠入擴散層而使之變??；進(jìn)而擠入吸附層，使膠核表面的負電性降低。這種作用稱(chēng)壓縮雙電層。當雙電層被壓縮，顆粒間的靜電斥能就會(huì )降低。當降至小于顆粒布朗運動(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(chēng)絨體或礬花)。絮凝體具有強大吸附力，不僅能吸附懸浮物，還能吸附部分細菌和溶解性物質(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)現磁性材料與去除物的結合的工藝。而是采用專(zhuān)門(mén)研制的一種專(zhuān)門(mén)負載微生物用的磁種，也即磁性生物載體。該方式類(lèi)似于污水生物處理中應用的生物膜技術(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(cháng)棲息，接著(zhù)通過(guò)微生物的生命活動(dòng)形成具有較強的吸附和生物降解性能的結構。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 。磁分離按磁場(chǎng)類(lèi)型可分為永磁分離 、電磁分離和超導磁分離。按結構原理可分為凝聚分離、磁盤(pán)分離和高梯度磁分離 。按工作方式可分為連續式或間歇式，凝聚沉降分離和磁力吸著(zhù)分離。下面以永磁連續吸著(zhù)式分離機為例進(jìn)行詳細介紹。

其裝置內的永久磁鐵按一定方式排列形成磁回路，污水在磁圓盤(pán)的梯度磁場(chǎng)中通過(guò)時(shí)包裹磁種的磁絮體被吸著(zhù)在緩慢轉動(dòng)的盤(pán)表面，隨著(zhù)轉動(dòng)將污泥帶出水面，同時(shí)開(kāi)始瀝水,轉至刮泥板口，污泥被刮除后,盤(pán)面又進(jìn)入水中，重新吸著(zhù)周而復始。原污水與磁盤(pán)旋轉方向成逆流，SS 逐級被永磁體吸著(zhù), 流動(dòng)過(guò)程中污水逐級變清。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)現這方面的內容并不豐富，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的脫穩狀態(tài)。在通過(guò)永磁體等相應磁場(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，成分穩定，能夠繼續使用。

6總結

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。

? a、停留時(shí)間短。

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

? b、占地面積小。

停留時(shí)間的縮短將大大縮小處理設備的容積，從而大大減小占地面積?？梢詫?shí)現設備的復成，制作成車(chē)載式移動(dòng)處理設備，提高利用率。

? c、處理水量大。

單臺設備可實(shí)現處理量1500m3/h。

? d、出水水質(zhì)好。

設備的處理出水懸浮物濃度低于8mglL，總磷低于0.3mg/L。

…e、 運行費用低。

作為對常規混凝沉淀過(guò)濾工藝的革新，除了藥劑的運行費用外，設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。

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，具有設備連續運行、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、運行費用低等優(yōu)勢。

不過(guò)隨著(zhù)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(cháng)度，且都有高比表面積，因此其所表現出來(lái)的特性（例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)和導熱等）往往和該物質(zhì)的宏觀(guān)整體狀態(tài)下的性質(zhì)有巨大差異，如有別于常規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(lèi)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。再如納米零價(jià)鐵微粒在處理氯化有機物，聚氯聯(lián)苯、無(wú)機非金屬離子，重金屬離子等污染物時(shí)表現出良好的處理效果 。納米零價(jià)鐵在除污方面有顯著(zhù)優(yōu)勢，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活性，可以和多種污染物發(fā)生化學(xué)反應，進(jìn)而達到除污的效果。

但是，現階段納米磁性材料技術(shù)存在著(zhù)許多亟待解決的問(wèn)題。例如大規模工程化應用中的磁種回收問(wèn)題，相對于實(shí)驗室級別的回收技術(shù)而言，大規模工業(yè)回收技術(shù)發(fā)展還不成熟，因此限制了該技術(shù)的大規模應用。此外，普通的納米磁性材料對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，處理結果不穩定的現象，因此開(kāi)發(fā)更高效的適用范圍更為廣泛的復合納米磁性材料將會(huì )是日后研究的重點(diǎn)之一。

因為納米磁性材料的這些問(wèn)題，人們更傾向于使用一些常規的磁性材料。但考慮到經(jīng)濟性，人們有用煉鋼廠(chǎng)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遠低于商品磁粉。

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(zhuān)門(mén)研制的一種專(zhuān)門(mén)負載微生物用的磁種，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，可以節省較多資金，并且該法的生化處理效果優(yōu)于常規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。