2.6　磁分離

2.6.1　原理與功能

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(chǎng)作用下的特性可分為三類。

①鐵磁性物質(zhì)，這類物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下能迅速達(dá)到磁飽和，磁化率大于零并和外磁場(chǎng)強(qiáng)度呈復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，離開外磁場(chǎng)后有剩磁。

②順磁性物質(zhì)，磁化率大于零，但磁化強(qiáng)度小于鐵磁性物質(zhì)，在外磁場(chǎng)作用下，表現(xiàn)出較弱的磁性，磁化強(qiáng)度和外磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，只有在溫度低于4K時(shí)才可能出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。

③反磁性物質(zhì)，磁化率小于零，在外磁場(chǎng)作用下逆磁場(chǎng)磁化，使磁場(chǎng)減弱。各種物質(zhì)的磁性差異正是磁分離技術(shù)的基礎(chǔ)。

2.6.2　技術(shù)與裝備

水中顆粒狀物質(zhì)在磁場(chǎng)里要受磁力、重力、慣性力、黏滯力以及顆粒間相互作用力的作用。磁分離技術(shù)就是有效地利用磁力，克服與其抗衡的重力、慣性力、黏滯力（磁過(guò)濾、磁盤）或利用磁力和重力使顆粒凝聚后沉降分離（磁凝聚）。

磁分離按裝置原理可分為磁凝聚分離、磁盤分離和高梯度磁分離三種；按產(chǎn)生磁場(chǎng)的方法可分為永磁磁分離和電磁磁分離（包括超導(dǎo)電磁磁分離）；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。

當(dāng)介質(zhì)的物性一定時(shí)，廢水中懸浮顆粒的沉降速度與顆粒直徑的平方成正比。所以，增大顆粒直徑可以提高沉淀效率。

利用磁盤吸引磁性顆粒，顆粒越大，受到的磁力越大，越容易被去除。當(dāng)顆粒在水中以50cm/s的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁盤吸引直徑1mm的粒子需0.03N/g的磁力，吸引直徑0.4mm的粒子需0.1N/g的磁力。

磁凝聚就是使廢水通過(guò)磁場(chǎng)，水中磁性顆粒物被磁化，形成如同具有南北極的磁體。由于磁場(chǎng)梯度為零，因此，它受大小相等、方向相反的力的作用，合力為零，顆粒不被磁體捕集。顆粒之間相互吸引，聚集成大顆粒，當(dāng)廢水通過(guò)磁場(chǎng)后，由于磁性顆粒有一定的矯頑力，因此能繼續(xù)產(chǎn)生凝聚作用。

磁凝聚裝置由磁體和磁路構(gòu)成。磁體可以是永磁鐵或電磁線圈。

（2）磁盤法

磁盤法是借助磁盤的磁力將廢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。

磁盤吸著水中顆粒的條件是：a.顆粒磁性物質(zhì)或以磁性物質(zhì)為核心的凝聚體，進(jìn)入磁盤磁場(chǎng)即被磁化，或進(jìn)入磁盤磁場(chǎng)之前先經(jīng)過(guò)預(yù)磁化；b.磁盤磁場(chǎng)有一定的磁力梯度。

作用在磁性顆粒上的力除磁力外，還有粒子在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到運(yùn)動(dòng)方向上的阻力。

為了提高處理效果，應(yīng)提高磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁力梯度和顆粒粒徑。磁盤設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁力梯度確定后，只有依靠增加顆粒的直徑來(lái)提高去除效率。因此，磁盤經(jīng)常和磁凝聚或藥劑絮凝聯(lián)合使用。廢水在進(jìn)入磁盤前先投加絮凝劑或預(yù)磁化，或者兩者同時(shí)使用。同時(shí)使用時(shí)，應(yīng)先加絮凝劑，再預(yù)磁化，預(yù)磁時(shí)間0.5～1s，預(yù)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度0.05～0.1T（500～1000Gs）。

磁盤的構(gòu)造如圖2-27所示。

（3）高梯度磁過(guò)濾法

磁過(guò)濾是靠磁場(chǎng)和磁偶極間的相互作用。磁偶極本身會(huì)使磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線發(fā)生取向，當(dāng)與磁力線不平行時(shí)，磁偶極就受到轉(zhuǎn)矩的作用，如果磁場(chǎng)存在梯度，偶極的一端會(huì)比另一端處于更強(qiáng)的磁場(chǎng)中并受到較大的力，其大小和磁偶極距及磁場(chǎng)梯度成正比。

磁場(chǎng)中磁通變化越大，也就是磁力線密度變化越大，梯度也就越高。高梯度磁過(guò)渡分離就是在均勻磁場(chǎng)內(nèi)，裝填表面曲率半徑極小的磁性介質(zhì)，靠近其表面就產(chǎn)生局部性的疏密磁力線，從而構(gòu)成高梯度磁場(chǎng)。因此，產(chǎn)生高梯度磁場(chǎng)不僅需要高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而且要有適當(dāng)?shù)拇判越橘|(zhì)?？捎米鹘橘|(zhì)的材料有不銹鋼毛及軟鐵制的齒板、鐵球、鐵釘、多孔板等。

對(duì)介質(zhì)的要求是：a.可以產(chǎn)生高的磁力梯度；b.可提供大量的顆粒捕集點(diǎn)；c.孔隙率大，阻力小，廢水方便通過(guò)，不銹鋼毛一般可使孔隙率達(dá)到95%；d.矯頑力小，剩磁強(qiáng)度低，退磁快，在除去外磁場(chǎng)后介質(zhì)上的顆粒易于沖洗下來(lái)；e.具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性，沖洗后不應(yīng)產(chǎn)生妨礙正常工作的形變，如折斷、壓實(shí)等。

高梯度磁分離器是一個(gè)空心線圈，內(nèi)部裝一個(gè)圓筒狀容器，容器中裝有填充介質(zhì)用以封閉磁路，在線圈外有作為磁路的軛鐵，軛鐵用厚軟鐵板制成，以減少直流磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流。為使圓筒容器內(nèi)部形成均勻磁場(chǎng)固定填充介質(zhì)，在介質(zhì)上下兩端設(shè)置磁片。高梯度磁分離器的構(gòu)造如圖2-28所示。

（4）超導(dǎo)磁分離裝置

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(méi)有熱損耗，因此可以用大電流從而得到很高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，如用超導(dǎo)可獲得磁場(chǎng)強(qiáng)度為2T的電磁體。此外，超導(dǎo)體還可以獲得很高的磁力梯度。高磁力梯度除用剛毛等磁性介質(zhì)獲得外，還可以利用電流分布不同得到。

線表面的磁場(chǎng)與電流密度成正比，與表面的距離成反比，超導(dǎo)體可以在表層達(dá)到極高的電流密度，從而在其附近形成高梯度磁場(chǎng)。同時(shí)使用不銹鋼毛，就可以產(chǎn)生極高的磁力梯度。

超導(dǎo)磁過(guò)濾器的構(gòu)造如圖2-29所示。

水從下方進(jìn)入裝有介質(zhì)的濾筒，濾速180m/h，磁體由液氮制冷系統(tǒng)冷卻。

特點(diǎn)：a.可獲得很高的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁力梯度；b.電磁體不發(fā)熱，電耗少，運(yùn)行費(fèi)用低，可制成連續(xù)工作的磁過(guò)濾器。

2.6.3　應(yīng)用與設(shè)計(jì)

（1）磁凝聚法

處理鋼鐵行業(yè)廢水時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度可用0.06～0.15T（600～1500Gs），最佳范圍為0.08～0.10T（800～1000Gs）。磁場(chǎng)強(qiáng)度與剩余懸浮物的關(guān)系如圖2-30所示。

磁凝聚裝置每一側(cè)的磁塊同極性排列，一側(cè)為N極，另一側(cè)為S極，構(gòu)成均勻的磁場(chǎng)。為了防止磁體表面大面積積污，堵塞通路，廢水通過(guò)磁場(chǎng)的速度應(yīng)大于1m/s。廢水在磁場(chǎng)中的停留時(shí)間僅需1s。停留時(shí)間與剩余懸浮物的關(guān)系如圖2-31所示。

（2）磁盤法

①磁盤設(shè)計(jì)要求如下。

1）磁盤盤面、水槽、轉(zhuǎn)軸需用鋁、不銹鋼、銅、硬塑性等非導(dǎo)磁材料制作，防止磁力線短路。

2）磁盤內(nèi)磁塊的N極和S極交錯(cuò)排列，保證較高的磁力梯度。磁塊間可密排，當(dāng)直徑較大，如大于1.5m左右時(shí)磁塊間可保持5～20mm的間距。

3）磁盤表面磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)在0.05～0.15T之間，低于0.05T效果差，高于0.15T較難制作，且盤面吸著的泥難以刮凈。

4）磁盤每?jī)善g的間距取決于磁力作用深度。磁盤表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.065T時(shí)，作用深度為25mm；0.095T時(shí)，為35～40mm；0.1～0.115T時(shí)，為40～50mm。因此，磁盤表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.05～0.08T時(shí)，盤間距為50mm；0.08～0.1T時(shí)為60～70mm；0.11～0.15T時(shí)，為70～80mm。設(shè)計(jì)時(shí)可用試驗(yàn)確定。

5）磁盤轉(zhuǎn)速為0.5～2r/min，轉(zhuǎn)速過(guò)快，泥的含水率增加，處理率降低。

②磁盤法的特點(diǎn)如下。

1）效率高、凈化時(shí)間短。處理鋼鐵廢水，廢水在磁盤工作區(qū)僅需停留2～5s，通過(guò)全部流程僅需約2min，凈化效率達(dá)到了94%～99.5%。

2）占地面積小，污泥含水率低，易脫水。

（3）高梯度磁過(guò)濾法

高梯度磁分離器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)如下。

①磁場(chǎng)強(qiáng)度　所需磁場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)廢水中懸浮物的磁性確定。鋼鐵廢水約為0.3T，鑄造廠廢水約為0.1T。處理弱磁性物質(zhì)，磁場(chǎng)強(qiáng)度至少達(dá)到0.5T以上，如果投加磁性種子，則要求達(dá)到0.3T左右。

②介質(zhì)　按梯度大、吸附面積大、捕集點(diǎn)多、阻力小、剩磁低的要求，以鋼毛最好。鋼毛直徑為10～100μm。

③介質(zhì)的懸浮物（SS）負(fù)荷　分離器隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)，磁性顆粒會(huì)逐漸聚積在介質(zhì)內(nèi)，堵塞水流通道，減少捕集點(diǎn)，使分離效率下降。分離效果降到允許的下限值時(shí)，捕集顆粒的總量（干燥時(shí)的質(zhì)量）和介質(zhì)的體積比稱為介質(zhì)的SS負(fù)荷Q：

當(dāng)顆粒為強(qiáng)磁性物質(zhì)時(shí)，Q為5～7g/cm³；顆粒為順磁體時(shí)，Q為1～1.2g/cm³。

④濾速　一般可采用100～500m/h。

⑤電源　采用硅整流直流電源，電源功率由所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度決定。

物質(zhì)的磁性強(qiáng)度可由磁化率表示，一些物質(zhì)的磁化率見表2-7。