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發表時間:2011-5-15 12:12:35 IP:58.20.139.61 |
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主題:磁分離技術及應用 |
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磁場本身是一種具有特殊能量的場，經磁場處理過的水或水溶液，其光學性質、導電率、介電常數、粘度、化學反應及表面張力和吸附、凝聚作用及電化學效應等方面的特性都產生了可測量的變化，并且當撤掉磁場后，這種變化能保持數小時或數天，具有記憶效應。由于這些現象的存在，多年來磁技術一直是研究熱點。
磁分離技術是將物質進行磁場處理的一種技術，該技術的應用已經滲透到各個領域，該技術是利用元素或組分磁敏感性的差異，借助外磁場將物質進行磁場處理，從而達到強化分離過程的一種新興技術。隨著強磁場、高梯度磁分離技術的問世，磁分離技術的應用已經從分離強磁性大顆粒到去除弱磁性及反磁性的細小顆粒，從最初的礦物分選、煤脫硫發展到工業水處理，從磁性與非磁性元素的分離發展到抗磁性流體均相混合物組分間的分離。作為潔凈、節能的新興技術，磁分離將顯示出誘人的開發前景。
磁分離法按裝置原理可分為磁凝聚分離、磁盤分離和高梯度磁分離法三種。按產生磁場的方法可分為永磁分離和電磁分離（包括超導電磁分離）。按工作方式可分為連續式磁分離和間斷式磁分離。按顆粒物去除方式可分為磁凝聚沉降分離和磁力吸著分離。
1.磁凝聚法
磁凝聚法是促使固液分離的一種手段,是提高沉淀池或磁盤工作效率的一種預處理方法。
根據斯托克斯定律,利用磁盤吸引磁性顆粒,顆粒越大所受到的磁力越大,越易被磁盤吸著去除。廢水通過磁場,水中磁性顆粒被磁化,形成如同具有南北極的小磁體。由于磁場梯度為零,因此它受到的大小相等方向相反的力的作用,合力為零,顆粒不被磁場捕集,但顆粒之間卻相互吸引,聚集成大顆粒。當廢水通過磁場以后,由于磁性顆粒具有一定的矯頑力,因此能繼續產生凝聚作用。對于鋼鐵廢水,通過預磁處理,一般沉降效率可提高40%—80%。
磁凝聚法的特點是:
(1)可節省大量用于化學絮凝的藥劑以及相應的貯存、制備和投加設備。
(2)用永久磁鐵時,只需一次投資,不需日常管理費用,不消耗能源。用電磁處理每m3廢水也只需0.001—0.003 kWh,電耗甚少。
(3)效果穩定,不需要復雜的操作管理。
(4)沒有二次污染,不增加廢水的含鹽量,有利于水的循環利用。
(5)與用化學藥劑比,污泥體積較少,容易脫水,污泥可回收利用。
2.磁盤法
磁盤法是借助磁盤的磁力將污水中的磁性懸浮顆粒吸著在緩慢轉動的磁盤上,隨著磁盤的轉動,將泥渣帶出水面,經刮泥板除去,盤面又進入水中,重新吸著水中的顆粒,如此周而復始。
為提高處理效果,應提高磁場強度、磁力梯度和顆粒粒徑。因而,磁盤常常與磁凝聚或藥劑絮凝聯合使用。
磁盤法的特點是:
(1)效率高,凈化時間短。處理鋼鐵廢水時,廢水在磁盤工作區間僅需停留2—5s,通過全部流程僅需2 min左右,凈化效率可達到94%—99.5%。
(2)占地面積小,只需一般沉淀池的5%左右。
(3)處理后污泥含水率低,易脫水。
(4)磁盤及其附屬設備構造簡單,運行可靠,維護方便,但刮泥方法尚需改進。
3.高梯度磁分離法
高梯度磁分離器以高飽和磁密不銹鋼聚磁鋼毛為介質,當廢水中的污染物對鋼毛的磁力作用大于其粘性阻力和重力作用時,污染物被截留在鋼毛介質上,在切斷磁路后,磁力消失,被鋼毛介質捕集到的污染物用水或氣水反沖洗下來,從而達到從廢水中去除污染物的目的。
產生高梯度磁場不僅需要高的磁場強度,而且要有恰當的磁性介質。可作介質的有:不銹鋼毛、軟鐵制的齒板、鐵球、鐵釘和多孔板等。
與傳統的磁分離器相比,高梯度磁過濾裝置的分離速度快,分離效率高,在水處理、大氣除塵等環境保護領域應用廣泛,對水中各種懸浮物、重金屬離子、油污、細菌、藻類、色度、濁度、有機物以及放射性污染物等的去除都比較有效。
4.超導磁分離法
超導體在某一臨界溫度下,具有完全的導電性,也就是電阻為零,沒有熱損耗,因而可以用大電流,從而得到很高的磁場強度。如用超導可獲得磁場強度為2 T的電磁體。此外,超導體還可獲得很高的磁力梯度。
超導電磁過濾器的特點是：可以獲得很高的磁場強度和磁力梯度,電磁體不發熱,電耗較少,運行費較低,能制成可以連續工作的磁過濾器。
磁分離技術應用于廢水處理有三種方法:直接磁分離法、間接磁分離法和微生物—磁分離法。利用磁技術處理廢水主要利用污染物的凝聚性和對污染物的加種性。凝聚性是指具有鐵磁性或順磁性的污染物,在磁場作用下由于磁力作用凝聚成表面直徑增大的粒子而后除去。加種性是指借助于外加磁性種子以增強弱順磁性或非磁性污染物的磁性而便于用磁分離法除去;或借助外加微生物來吸附廢水中順磁性離子,再用磁分離法除去離子態順磁性污染物。
磁分離技術是借助磁場力的作用，對不同磁性的物質進行分離的一種技術。一切宏觀的物體，在某種程度上都具有磁性，但按其在外磁場作用下的特性，可分為三類：鐵磁性物質、順磁性物質和反磁性物質。其中鐵磁性物質是我們通常可利用的磁種。各種物質磁性差異正是磁分離技術的基礎。
絕大多數工業廢水所含污染物都是非鐵磁性的，迄今為止，國內外試驗過的磁種按其使用方法可歸為三類。
1.鐵粉、磁鐵礦粉。使用這類磁種的方法稱接種—混凝法。純鐵粉含Fe、磁鐵礦粉主要含Fe3O4，都屬強磁性物，且易得到。
使用方法是在廢水中投加磁種和混凝劑，使生成以磁種為核心的磁性網狀絮體沉淀物，通過磁分離器時，磁性絮體被捕捉，使水得到凈化。
磁鐵粉的回收在應用問題，國外采用三種方法。一是用大離心力的旋流分離器可回收75-98%的磁鐵粉；二是利用超聲裝置，用強剪力使磁鐵粉與絮凝體分離，但運轉費用高；三是用泵使反洗水高速送入另一套高磁分離裝置，磁鐵粉即被捕捉與反洗水分離，使磁鐵粉能循環使用。該系統包括絮凝、磁分離、反洗、濃縮、磁種回收等，可全部自動化。
2.硫酸亞鐵FeSO4·7H2O。該法實際上是鐵氧體法，對處理廢水中的重金屬離子特別有效。廢水中的重金屬離子在一定條件下與硫酸亞鐵作用，轉化成鐵氧體結晶而被沉淀析出。鐵氧體是一種尖晶石型微型結晶體，只有0.05～1微米，不溶于酸、堿、鹽和水，磁性強，導磁率高，表面積大，自由能高，易吸附染料及其它懸浮物一起沉淀，所以可以同時處理各種金屬離子和非磁性污染物。通過HGMS時，可瞬間分離。
3.氫氧化鐵和氫氧化亞鐵。這類磁種是由日本物化研究所提出的。
對Fe(OH)3，已發現它具有強磁性，因而可作磁種使用，同時又是很好的混凝劑，能去除多種可溶性金屬離子。作用原理主要是吸附作用。Fe(OH)3是非晶態的，顆粒很細，直徑約40埃，其結構是一個八面體，以共價鍵結合。這種結構具有大小不等的孔隙，因此不同離子半徑的金屬離子都能被吸附在上面。通過HGMS時，一起被捕捉與水分離。
1845年，美國發表了工業磁選機的專利。磁分離技術作為有磁性差異的兩種及多種物質的選別手段，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、石化行業的催化劑回收等領域得到了廣泛的應用。
近幾年磁分離法已成為一門新興的水處理技術。磁分離作為物理處理技術在水處理中獲得了許多成功應用，顯示出許多優點。磁分離利用廢水中雜質顆粒的磁性進行分離，對于水中非磁性或弱磁性的顆粒，利用磁性接種技術可使它們具有磁性。借助外力磁場的作用，將廢水中有磁性的懸浮固體分離出來，從而達到凈化水的目的。與沉降、過濾等常規方法相比較，磁力分離法具有處理能力大、效率高、能量消耗少、設備簡單緊湊等一系列優點。從上世紀60年代開始，蘇聯用磁凝聚法處理鋼廠除塵廢水，60年代末，美國MIT教授科姆發明高梯度磁過濾器，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年瑞典開始用磁盤法處理軋鋼廢水，隨后的1975年日本開發盤式“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，磁分離技術在電鍍廢水、含酚廢水、湖泊水、食品發酵廢水、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，有的已經在實際廢水處理中得到了很好的應用。近些年來，磁分離技術得以迅速發展，以美國和日本最為代表。
1999年，美國劍橋水務科技（CWT）以麻省理工學院的高梯度磁分離（HGMS）技術為基礎，開發出全新的水處理技術CoMag工藝，采用增強型化學助凝劑、絮凝劑和加載高效可回收的磁粉的方式，提高沉降速度、增加表面負荷、縮短水力停留時間，所以只需很小的占地面積，也因此降低了設置安裝費用。該工藝主要用來作為傳統污水處理的預處理和三級處理。具體流程如圖1所示。
圖1 CoMag工藝流程
圖2 BioMag工藝流程
BioMag工藝是是繼CoMag工藝之后推出的一項通過向生物絮體添加磁粉來提高污水生化處理的工藝。經BioMag工藝處理過的水，其懸浮物、生化需氧量、氮和磷的濃度都比較低，且所需的占地面積相對常規生化系統較小。BioMag工藝可以大大減小生物反應器的容積，顯著降低去除BOD以及脫氮所需的占地面積。BioMag工藝的首要特點是，它在增加二沉池內的沉降速度和濃縮污泥層方面能力顯著。具體流程如圖2。
目前，美國劍橋水技術已與麻省的Sturbridge市簽訂合約，在三個活性污泥處理成套設備中的一個系統上進行BioMag工藝全規模試驗。與膜生物反應器技術相比，BioMag工藝是成本更低且處理效果較好的優化升級工藝。BioMag工藝有著更為簡易的控制系統；且在施工安裝和運行期間，分期擴建更為簡易。
2007年，日本首都大學東京大學院開發出利用磁性吸附劑去除廢水中磷的技術。日本首都大學的伊藤大佐教授等組成的研究小組開發出了有效去除廢水中磷的技術。利用超導磁體可以得到10特斯拉的磁場強度，再利用具有磁力的名為“鋯磁體”的金屬微粒，可去除99%以上的磷。可將磷的濃度由0.86mg/L降到0.006mg/L。磁分離裝置原理圖見圖3。該技術目前用于小規模生活污水處理、霞浦湖富營養化治理、屠宰場廢水處理。
圖3 超導磁分離裝置原理
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