磁分离技术在水处理中的研究现状及开发钢渣磁种的可行性

汪玉娇 高国才 郭 华

（北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京100029）

1 引言

磁分离技术作为一门新兴的水处理技术，已在城市工业废水和生活污水、废料、污染的河水、湖水以及饮用水的处理中被成功应用。磁分离技术处理的效率高、设备体积小、结构简单、占地少，成本低廉，相比传统的水处理方法，显示出了很多优点。本文介绍了磁分离技术的原理、研究现状，并就新型廉价磁种的开发进行了总结和探索分析。

2 磁分离技术的基本原理

磁分离技术是借助外部磁场力的作用，对不同磁性的物质进行选择性分离的一种技术。

一切宏观的物体，都具有一定程度的磁性，按其在外磁场作用下的特性，可分为三类：铁磁性物质、顺磁性物质和抗磁性物质。其中铁磁性物质是通常可利用的磁种。各种物质磁性差异正是磁分离技术的基础。

利用磁技术处理废水主要利用污染物的凝聚性和对污染物的加种性。具有铁磁性或顺磁性的污染物，在磁场作用下由于磁力作用凝聚成表面直径增大的粒子，由于磁场力大于磁性颗粒受到的各种阻力，磁性颗粒在合力作用下产生定向运动，加速沉降过程，完成固液分离，而后除去。弱顺磁性或非磁性污染物在外加磁性种子的作用下，受到外加磁场力作用而凝聚成较大团块，便于用磁分离法除去，或借助外加微生物来吸附废水中顺磁性离子，再用磁分离法除去离子态顺磁性污染物。

3 磁分离技术在污水处理中的研究现状

磁分离技术的手段发展至今，已经有磁凝聚法、磁盘法、高梯度磁分离法、超导磁分离法，在水处理中单独研究的不是很多，研究人员在磁分离法的基础上，结合絮凝、混凝沉淀提出了“磁絮凝法”、“磁混凝法”水处理，即在絮凝剂或者混凝剂中加入磁粉，依靠颗粒间的吸附作用，机械搅拌使其强制混合。水处理过程中，磁粉的加入强化了絮凝反应，一方面加载的磁粉增加了絮体的密度，另一方面，在外部磁场的作用下，磁性絮团受到磁场力的作用，加快了沉降速度，从而提高了固液分离的效果。

3.1 含油废水

含油废水主要来源于石油、石油化工、钢铁、焦化、煤气发生站、机械加工等工业部门。废水中油类污染物质，除重焦油的相对密度为1.1以上外，其余的相对密度都小于1。磁分离法是将磁性颗粒与含油废水混合，油珠被磁性粒子吸附，然后用磁分离装置将含油磁粒分离，污水便可得到净化。

姚晔栋、钱学玲等人［1］以化学纯的四氧化三铁为磁粉，以化学纯硫酸亚铁为絮凝剂，对上海交通大学食堂的含油废水进行了高梯度磁分离法处理，实验验证了磁粉的疏水性和亲油滴性，研究了磁粉加入量对除油效果的影响，磁感应强度、搅拌时间、添加絮凝剂、调节pH 值对除油效果的影响，废水处理量、进水含油量与除油效果的关系，高梯度磁分离法对废水COD 的去除效果，磁粉与油相互吸附的稳定性，实验表明磁种具有良好的除油效果。

王利平，何又庆等人［2］以四氧化三铁为磁种，聚合氯化铁为絮凝剂，聚丙烯酰胺为助凝剂，通过投加磁粉和絮凝剂进行磁絮凝分离反应来处理某炼油厂污水处理站经隔油池后的含油废水，添加磁种和絮凝剂的处理效果比只加絮凝剂的效果要好，因为磁粉的加入使得絮团形成更快，絮团的质量也会增大，这样就加快了絮团的沉降分离。

3.2 印染废水

印染行业是工业废水排放大户，据不完全统计，全国印染废水每天排放量为3×106～4×106m3。印染废水具有水量大、有机污染物含量高、色度深、碱性大、水质变化大等特点，属难处理的工业废水。

韩虹，陈文松等［3］向印染废水中先后按一定比例投加四氧化三铁，硫酸亚铁，聚丙烯酰胺，以利于形成磁性絮团，使用自制的高梯度磁分离器进行磁分离实验，研究磁性絮团的磁化率、磁场强度、磁场梯度以及流速等因素对废水处理结果的影响，并得到最佳的工艺参数，实验中印染废水经处理后达到国家二级排放标准。

另外，由于印染废水成分复杂，存在着大量水溶性污染物，陈文松等人［4］通过对印染废水进行低剂量Fenton氧化，再用磁种混凝－高梯度磁分离技术处理，处理后，色度、COD 的去除率分别达到92.6%和79.5%，出水色度和COD 都达到了国家二级排放标准。对磁种进行回收，回收率为90%以上，再次利用的效果与原磁种相当。

3.3 含重金属离子废水

重金属废水是指矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业生产过程中排出的含重金属的废水。重金属（如含镉、镍、汞、锌等）废水是对一环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水之一，其水质水量与生产工艺有关。废水中的重金属一般不能分解破坏，只能转移其存在位置和转变其物化形态。

湖北省环保研究所的沈晓鲤，李瑞璇等人［5］研究以铁氧体为磁种，利用高梯度电磁分离处理含铜电镀废水、含氰镀镉废水，相比传统的化学法，加快了处理速度，提高了处理效率。

将化学方法和磁分离技术结合，处理含重金属离子的废水，研究证明，处理效果良好，低浓度的废水经处理后能达到国家的排放标准，高浓度的废水需进一步处理。

3.4 含磷废水

王龙贵［6－8］在文章中提出“从粉煤灰中分选、回收磁种，加混凝剂以高梯度磁分离技术，分别用于含磷废水和多种工业废水处理的研究”，王龙贵以粉煤灰磁种替代γ－Fe2O3磁粉，对模拟含磷废水进行高梯度磁分离除磷实验。磷的去除率可达90%以上，COD 有机物都取得了较好的水质效果，且分离后的磁珠在非磁场中通过反冲水冲洗后可循环使用。

3.5 廉价磁种的开发

磁分离技术在水处理方面的研究和应用已经很多，也越来越受到更多学者的关注，并结合其它技术，研究磁分离的技术在水处理中的应用。

然而，从上述的研究中不难发现，磁种的选择是磁分离技术应用于水处理中的一大难题，大部分研究所用的磁种都是价格昂贵的四氧化三铁或者铁氧体，少部分研究人员利用废弃物中的磁性物质作为磁种。

开发新型廉价的磁种是磁分离技术广泛应用的一大技术重点，上面已经提到了用粉煤灰作为新型磁种用于含磷废水的处理，实验证明处理效果不亚于四氧化三铁和铁氧体，而成本却大大降低，所以开发新型廉价的磁种是未来的研究方向之一，下文列举出目前在磁种方面的一些研究进展，并提出了钢渣磁种的思路。

3.5.1 粉煤灰磁种

上节含磷废水处理中，王龙贵已经提出了将粉煤灰中的磁珠回收作为磁种。

另外，赵爱武［9－10］采用“粉煤灰磁珠＋碱铝＋HGMS”的方法对淮河水进行了净化处理，同时和“磁铁矿粉＋碱铝＋HGMS”法进行了对比实验。两种方法对水中大肠杆菌和酚类的去除效果相当，前者对于COD 和色度的去除效果较好，而铁的去除率稍低。该研究证明，粉煤灰磁珠可以较大程度上替代磁铁矿粉用作磁分离用磁粉。

3.5.2 红土磁种

郑学海，刘东方，杨彦涛［11］开发出了“红土”磁种做磁粉，该“红土”取自于炼钢厂排放的烟尘和气溶胶凝聚物，对DZA 废水、印染废水、含油废水、重金属废水等都进行了磁分离处理研究。在对DZA 废水的处理中，磁种需要微量MgSO4（调节硬度）做添加剂、PAM 助凝。该方案对DZA 废水的COD 去除率可达96%以上，同时还兼有工艺上的优势：占地面积为沉降分离的1／3到1／5。“红土”磁种的处理效果与商品磁粉相当，价格却为常规磁粉的1／60到1／100，大幅降低了运行费用，提高了磁分离处理的应用性。

3.5.3 其他

宋明在论文［12］中曾采用轴承厂车磨轴承后废弃的细粉来代替四氧化三铁作为磁分离技术研究用磁种。

而专利《一种磁性生物载体及其制备方法》［13］中将一种骨料、铁氧化物和还原剂混合，在低温下还原焙烧制得磁性载体。

4 开发钢渣磁种的可行性

上面是一些已经被研究的新型廉价磁种，而除了这些废弃物，在冶金行业产生的钢渣中，由于含有残留的铁元素含量达到15%～30%左右，目前钢渣作为水泥的掺杂料，只能得到很少的利用，能否利用钢渣的磁性质来开发新型磁种呢？

物质的磁导率表征了物质的磁性质，钢渣中大部分是CaO·SiO2、2CaO·SiO2、Fe2O3等弱磁性的物质，但是磁性介质（氧化铁、铁）具有较高的磁导率。

有资料报道铁酸盐磁性比较强，并且硅酸盐中普遍包裹微细粒的铁酸盐，因而包裹铁酸盐的硅酸盐颗粒在弱磁选时容易磁选出。

铁酸盐的磁性强弱与Mg2＋、Ca2＋、Mn2＋取代Fe2＋的量有关；浮氏体（FeO）无磁性，硅酸盐常含Fe、Ca、Mg等。

就精矿中主要物相组成来看，无磁性相应为硅酸盐脉石和浮氏体，有磁性相为铁酸盐和金属铁。从铁在硅酸盐相的赋存状态看，多数硅酸盐脉石中普遍含铁，同时硅酸盐相内也普遍含有铁酸盐的析出物，从而导致硅酸盐脉石具有磁性。［14］

钢渣的成分和粉煤灰的相似，并且钢渣中磁性物质含量比粉煤灰高，从已有的研究来看，利用冶金废弃物钢渣开发新型廉价的磁种，结合磁分离技术应用于水处理，是一个可行的方向。

5 结语

1）磁分离技术在污水处理方面研究有了很多成功的应用，主要有含油废水、印染废水、含重金属离子废水、含磷废水等方面，相对于传统污水处理，磁分离技术的效率高、设备体积小、结构简单、占地少，成本低廉；

2）磁分离技术处理污水后磁种的回收是一大技术难点，且磁种的价格昂贵，不利于广泛应用；

3）新型廉价磁种的开发是未来磁分离技术发展的一个重要研究方向，目前已有的研究中包含了粉煤灰磁种，红土磁种等；

4）钢渣的产量大，利用率低，但是其具有良好的磁性质，所以开发钢渣磁种理论是可行的，这样既可以大大降低磁分离技术处理污水的成本，又能充分利用大量堆砌的钢渣，实现以废治废，一举两得。

［1］姚晔栋，钱学玲，李道堂等.高梯度磁分离法处理含油废水［J］.上海交通大学学报，2003，Vol.37（11）：1791－1794.

［2］王利平，何又庆，范洪波等.磁絮凝分离法处理含油废水的试验［J］.环境工程，2007，Vol.25（3）：12－15.

［3］韩虹，陈文松，韦朝海.印染废水处理的磁混凝－高梯度磁分离协同作用［J］.环境工程学报，2007，Vol.1（1）：64－67.

［4］陈文松，韦朝海.磁种混凝－高梯度磁分离技术的印染废水处理［J］.水处理技术，2006，Vol.32（11）58－65.

［5］沈晓鲤，李瑞璇，倪正珊等.高磁分离技术在重金属离子废水处理中的应用［J］.环境科学丛刊，1983（7）：59－61.

［6］王龙贵.粉煤灰中磁珠的回收及用于含磷废水的处理［J］.粉煤灰综合利用，1999（1）：21－22.

［7］王龙贵.回收粉煤灰中磁珠处理含磷废水［J］.煤炭科学技术，2003，Vol.31（1）：54－55.

［8］王龙贵.回收粉煤灰磁珠在废水处理中的应用［J］.环境污染治理技术与设备，2004，Vol.5（3）：88－89.

［9］赵爱武.粉煤灰磁珠在水处理技术中的应用［J］.煤炭科学技术，1997，Vol.25（5）：35－37.

［10］赵爱武.粉煤灰磁珠在含磷废水处理中的应用［J］.煤炭加工与综合利用，1997（3）：51－53.

［11］郑学海，刘东方，杨彦涛.廉价磁种及磁絮凝分离装置的开发与应用［J］.中国给水排水，2000，Vol.11（16）：33－35.

［12］宋明.磁化与混凝组合工艺设备研究［D］.硕士.大连交通大学，2008.

［13］谢晶晶，陈天虎，谢巧勤等.一种磁性生物载体及其制备方法［P］.专利201110134950.X.2011－05－24.

［14］范永平，王申，王延丙.钢渣中磁性矿物的赋存特性对分选效果的影响研究［J］.环境工程，2012，Vol.30（2）：82－84.