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發(fā)表時(shí)間:2011-5-15 12:12:35 IP:58.20.139.61 |
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主題:磁分離技術(shù)及應(yīng)用 |
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磁場本身是一種具有特殊能量的場，經(jīng)磁場處理過的水或水溶液，其光學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)電率、介電常數(shù)、粘度、化學(xué)反應(yīng)及表面張力和吸附、凝聚作用及電化學(xué)效應(yīng)等方面的特性都產(chǎn)生了可測量的變化，并且當(dāng)撤掉磁場后，這種變化能保持?jǐn)?shù)小時(shí)或數(shù)天，具有記憶效應(yīng)。由于這些現(xiàn)象的存在，多年來磁技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)。
磁分離技術(shù)是將物質(zhì)進(jìn)行磁場處理的一種技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，該技術(shù)是利用元素或組分磁敏感性的差異，借助外磁場將物質(zhì)進(jìn)行磁場處理，從而達(dá)到強(qiáng)化分離過程的一種新興技術(shù)。隨著強(qiáng)磁場、高梯度磁分離技術(shù)的問世，磁分離技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從分離強(qiáng)磁性大顆粒到去除弱磁性及反磁性的細(xì)小顆粒，從最初的礦物分選、煤脫硫發(fā)展到工業(yè)水處理，從磁性與非磁性元素的分離發(fā)展到抗磁性流體均相混合物組分間的分離。作為潔凈、節(jié)能的新興技術(shù)，磁分離將顯示出誘人的開發(fā)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(chǎn)生磁場的方法可分為永磁分離和電磁分離（包括超導(dǎo)電磁分離）。按工作方式可分為連續(xù)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(yù)處理方法。
根據(jù)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(dāng)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(xù)產(chǎn)生凝聚作用。對于鋼鐵廢水,通過預(yù)磁處理,一般沉降效率可提高40%—80%。
磁凝聚法的特點(diǎn)是:
(1)可節(jié)省大量用于化學(xué)絮凝的藥劑以及相應(yīng)的貯存、制備和投加設(shè)備。
(2)用永久磁鐵時(shí),只需一次投資,不需日常管理費(fèi)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(wěn)定,不需要復(fù)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(huán)利用。
(5)與用化學(xué)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(zhuǎn)動(dòng)的磁盤上,隨著磁盤的轉(zhuǎn)動(dòng),將泥渣帶出水面,經(jīng)刮泥板除去,盤面又進(jìn)入水中,重新吸著水中的顆粒,如此周而復(fù)始。
為提高處理效果,應(yīng)提高磁場強(qiáng)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(lián)合使用。
磁盤法的特點(diǎn)是:
(1)效率高,凈化時(shí)間短。處理鋼鐵廢水時(shí),廢水在磁盤工作區(qū)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(dá)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(shè)備構(gòu)造簡單,運(yùn)行可靠,維護(hù)方便,但刮泥方法尚需改進(jìn)。
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(zhì),當(dāng)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(shí),污染物被截留在鋼毛介質(zhì)上,在切斷磁路后,磁力消失,被鋼毛介質(zhì)捕集到的污染物用水或氣水反沖洗下來,從而達(dá)到從廢水中去除污染物的目的。
產(chǎn)生高梯度磁場不僅需要高的磁場強(qiáng)度,而且要有恰當(dāng)?shù)拇判越橘|(zhì)�？勺鹘橘|(zhì)的有:不銹鋼毛、軟鐵制的齒板、鐵球、鐵釘和多孔板等。
與傳統(tǒng)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(huán)境保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,對水中各種懸浮物、重金屬離子、油污、細(xì)菌、藻類、色度、濁度、有機(jī)物以及放射性污染物等的去除都比較有效。
4.超導(dǎo)磁分離法
超導(dǎo)體在某一臨界溫度下,具有完全的導(dǎo)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(qiáng)度。如用超導(dǎo)可獲得磁場強(qiáng)度為2 T的電磁體。此外,超導(dǎo)體還可獲得很高的磁力梯度。
超導(dǎo)電磁過濾器的特點(diǎn)是：可以獲得很高的磁場強(qiáng)度和磁力梯度,電磁體不發(fā)熱,電耗較少,運(yùn)行費(fèi)較低,能制成可以連續(xù)工作的磁過濾器。
磁分離技術(shù)應(yīng)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(shù)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(qiáng)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(tài)順磁性污染物。
磁分離技術(shù)是借助磁場力的作用，對不同磁性的物質(zhì)進(jìn)行分離的一種技術(shù)。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(zhì)、順磁性物質(zhì)和反磁性物質(zhì)。其中鐵磁性物質(zhì)是我們通�？衫玫拇欧N。各種物質(zhì)磁性差異正是磁分離技術(shù)的基礎(chǔ)。
絕大多數(shù)工業(yè)廢水所含污染物都是非鐵磁性的，迄今為止，國內(nèi)外試驗(yàn)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F(xiàn)e、磁鐵礦粉主要含F(xiàn)e3O4，都屬強(qiáng)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(wǎng)狀絮體沉淀物，通過磁分離器時(shí)，磁性絮體被捕捉，使水得到凈化。
磁鐵粉的回收在應(yīng)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(qiáng)剪力使磁鐵粉與絮凝體分離，但運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)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(huán)使用。該系統(tǒng)包括絮凝、磁分離、反洗、濃縮、磁種回收等，可全部自動(dòng)化。
2.硫酸亞鐵FeSO4·7H2O。該法實(shí)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(zhuǎn)化成鐵氧體結(jié)晶而被沉淀析出。鐵氧體是一種尖晶石型微型結(jié)晶體，只有0.05～1微米，不溶于酸、堿、鹽和水，磁性強(qiáng)，導(dǎo)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(shí)處理各種金屬離子和非磁性污染物。通過HGMS時(shí)，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(fā)現(xiàn)它具有強(qiáng)磁性，因而可作磁種使用，同時(shí)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(tài)的，顆粒很細(xì)，直徑約40埃，其結(jié)構(gòu)是一個(gè)八面體，以共價(jià)鍵結(jié)合。這種結(jié)構(gòu)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(shí)，一起被捕捉與水分離。
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。
近幾年磁分離法已成為一門新興的水處理技術(shù)。磁分離作為物理處理技術(shù)在水處理中獲得了許多成功應(yīng)用，顯示出許多優(yōu)點(diǎn)。磁分離利用廢水中雜質(zhì)顆粒的磁性進(jìn)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(shù)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(dá)到凈化水的目的。與沉降、過濾等常規(guī)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(shè)備簡單緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)。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1975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(shí)際廢水處理中得到了很好的應(yīng)用。近些年來，磁分離技術(shù)得以迅速發(fā)展，以美國和日本最為代表。
1999年，美國劍橋水務(wù)科技（CWT）以麻省理工學(xué)院的高梯度磁分離（HGMS）技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出全新的水處理技術(shù)CoMag工藝，采用增強(qiáng)型化學(xué)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(fù)荷、縮短水力停留時(shí)間，所以只需很小的占地面積，也因此降低了設(shè)置安裝費(fèi)用。該工藝主要用來作為傳統(tǒng)污水處理的預(yù)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(xiàng)通過向生物絮體添加磁粉來提高污水生化處理的工藝。經(jīng)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(guī)生化系統(tǒng)較小。BioMag工藝可以大大減小生物反應(yīng)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(diǎn)是，它在增加二沉池內(nèi)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(shù)已與麻省的Sturbridge市簽訂合約，在三個(gè)活性污泥處理成套設(shè)備中的一個(gè)系統(tǒng)上進(jìn)行BioMag工藝全規(guī)模試驗(yàn)。與膜生物反應(yīng)器技術(shù)相比，BioMag工藝是成本更低且處理效果較好的優(yōu)化升級工藝。BioMag工藝有著更為簡易的控制系統(tǒng)；且在施工安裝和運(yùn)行期間，分期擴(kuò)建更為簡易。
2007年，日本首都大學(xué)東京大學(xué)院開發(fā)出利用磁性吸附劑去除廢水中磷的技術(shù)。日本首都大學(xué)的伊藤大佐教授等組成的研究小組開發(fā)出了有效去除廢水中磷的技術(shù)。利用超導(dǎo)磁體可以得到10特斯拉的磁場強(qiáng)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�？蓪⒘椎臐舛扔�0.86mg/L降到0.006mg/L。磁分離裝置原理圖見圖3。該技術(shù)目前用于小規(guī)模生活污水處理、霞浦湖富營養(yǎng)化治理、屠宰場廢水處理。
圖3 超導(dǎo)磁分離裝置原理
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