磁分離技術(shù)是借助磁場力的作用，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年代開始，蘇聯(lián)用磁凝聚法處理鋼廠除塵廢水，60年代末，美國MIT教授科姆發(fā)明高梯度磁過濾器，70年代美國應(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年瑞典開始用磁盤法處理軋鋼廢水，隨后的75年日本開發(fā)盤式“兩秒分離機(jī)”。我國從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，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、運行費用低、操作簡便、處理量大、模擬放大性好等一系列優(yōu)點，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。

對于非磁性或弱磁性污染物污水，一般通過投加磁種，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(fù)利用。下圖是一種常見的此類廢水的處理工藝（CoMagTM）流程，運用了HGMS技術(shù)。因為HGMS裝置需要反洗，負(fù)荷不能過重，否則反洗頻繁，故在前面設(shè)置澄清池，工藝實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)與混凝沉降沒有實質(zhì)區(qū)別，只不過是利用了磁分離來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(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實現(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具有較強的磁性。2利用磁場作用易于回收重復(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)生磁性的鈷鎳等過渡金屬及其合金。不過從技術(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，因為鈷鎳及其相應(yīng)合金價格遠(yuǎn)高于鐵及其鐵氧化物的價格。

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，我們就可以通過磁場作用，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選取實例

在目前國內(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)，但價格僅為其1/20，用于有機(jī)廢水、印染廢水、含油廢水、重金屬廢水等的處理。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，在接種過程中顯現(xiàn)良好的分散性,配制與混凝反應(yīng)時更顯均勻。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)到國家 SJ 285—77 標(biāo)準(zhǔn)。測試結(jié)果見下表（“紅土”制鐵氧體的磁性能）。

平行比較試驗與大量使用結(jié)果表明 , 所開發(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差別 ,而在分散性、無需回收、價格低廉等方面更具有明顯特點，其比較結(jié)果見下表（商品磁粉與“紅土”對 COD、SS 去除比較）。

還有國內(nèi)的趙愛武學(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, 它屬于強磁性物, 一般以 < 38Lm 為主導(dǎo)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(hù)及污水治理上都具有較大的現(xiàn)實意義。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。

總的來說，該兩位學(xué)者選取的此種具有以下特點：1以廢治廢，原料來源豐富，經(jīng)濟(jì)效益高 ；2原料無需復(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)的特征物理長度處于納米級別，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，且可通過外界磁場對磁性材料進(jìn)行高效回收，進(jìn)而實現(xiàn)資源的有效利用。如氧化鐵類納米微粒：其成本低廉，來源廣泛，且具有磁性可控、低毒性和高比表面積等優(yōu)點，在水處理方面具有天然優(yōu)勢。且在外加磁場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)來實現(xiàn)（也有少些是通過添加具有絮凝功能的特異性磁種，通過磁種表面的特異性基團(tuán)實現(xiàn)絮凝，來實現(xiàn)該吸附結(jié)合過程。）。基本操作就是通過對處理的水體進(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(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，均能強烈吸附膠體微粒。當(dāng)吸附的微粒增多時，上述線型分子會彎曲變形和成網(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)，其正離子就會擠入擴(kuò)散層而使之變?。贿M(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降低。當(dāng)降至小于顆粒布朗運動的動能時，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，這一作用實際上也可以看成是動電吸引作用，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投加磁種和混凝劑來實現(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，用于微生物生長棲息，接著通過微生物的生命活動形成具有較強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、對生物無毒性、比重略大于1，易于曝氣形成流化態(tài)，同時還具有順磁性，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中通過時包裹磁種的磁絮體被吸著在緩慢轉(zhuǎn)動的盤表面，隨著轉(zhuǎn)動將污泥帶出水面，同時開始瀝水,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 逐級被永磁體吸著, 流動過程中污水逐級變清。其工作原理圖見下圖。

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)，也就是通過加堿，破壞膠體顆?；蛘呤切躞w的脫穩(wěn)狀態(tài)。在通過永磁體等相應(yīng)磁場作用，將磁種吸附聚集，而其他非磁性物質(zhì)通過洗滌方式去除，并通過干燥方式去除磁種所夾帶的水分。通過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)特點和優(yōu)勢。

? a、停留時間短。

能實現(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?？梢詫崿F(xiàn)設(shè)備的復(fù)成，制作成車載式移動處理設(shè)備，提高利用率。

? c、處理水量大。

單臺設(shè)備可實現(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、 運行費用低。

作為對常規(guī)混凝沉淀過濾工藝的革新，除了藥劑的運行費用外，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。

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

不過隨著社會需求的增加，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)接近電子的相干長度，且都有高比表面積，因此其所表現(xiàn)出來的特性（例如熔點、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，在水處理方面具有天然優(yōu)勢。再如納米零價鐵微粒在處理氯化有機(jī)物，聚氯聯(lián)苯、無機(jī)非金屬離子，重金屬離子等污染物時表現(xiàn)出良好的處理效果 。納米零價鐵在除污方面有顯著優(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(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題。例如大規(guī)模工程化應(yīng)用中的磁種回收問題，相對于實驗室級別的回收技術(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單一廢水的處理效果較好，但在處理多組分高濃度廢水時，會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是日后研究的重點之一。

因為納米磁性材料的這些問題，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。將另一種看似沒有任何價值的“廢物”，經(jīng)過不算復(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的基本營養(yǎng)物質(zhì)，必須要妥善解決這些問題，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。