（环境工程专业论文）磁种混凝与高梯度磁分离相耦合的废水处理技术研究.pdf

摘要 摘要 与传统的液固分离方法相比， 磁分离技术具有处理速度快、 处理效率高、处 理 f r - 大 、适用范围广 、占地面积小、能耗低 、操作管理方便等优点，备受国内外 学者关注2 。多年来，国内外环保科技 作者对高梯度磁分离技术在废水处理 中的应用进行了不断的研究， 然而， 迄今为止，除了主要含磁性污染物的钢铁废 水获得成功应用外， 高梯度磁分离技术在其它废水处理中的应用仍很少， 其潜在 的优势难以发挥作用。 本文将对高梯度磁分离技术在废水处理中的推厂应用展开 全面系统的研究， 以期为高梯度磁分离技术在废水处理中的推) 一 应用提供科学参 考依据。研究内容包括:磁性絮团形成的最佳参数及机理， 高梯度磁分离装置设 计，;布梯度磁分离特性，高梯度磁分离技术应用于处理不同类型废水。 废水中的污染物大部分是非磁性的，直接实施磁分离处理效果甚微，通过磁 种混凝使污染物与磁种形成磁性絮团是保证磁分离技术应用于废水处理的基本 前提， 磁性絮团形成的最佳参数及机理的研究对促进高梯度磁分离技术在废水处 理中的推厂应用具有重要的意义。 研究表明: 磁性絮团形成的最佳参数为:磁粉 粒度应小于 t o p m:加料顺序和搅拌条件为:在 2 5 0 r / m i n的搅拌条件 卜 ，同时 加入凝聚剂 ( p f c)和磁粉，继续搅拌 2 m i n ,然后将搅拌速度降至 7 0 r / m i n ，加 入絮凝剂 ( p a m) ,搅拌 3 m i n ,磁种与其它细微悬浮颗粒一样，磁种混凝反应与 混凝反应没有本质区别， 磁种的加入没有改变混凝剂的作用机理。 通过投加磁粉 和混凝剂于废水中进行磁种混凝反应 以形成磁性絮团的磁性接种工艺操作方便， 效果稳定: 高梯度磁分离装置是废水处理实施磁分离工艺的基础设施， 其结构、 功能的 合理 与否对磁分离技术在废水处埋中的应用效果具有决定性的影响。 本研究在深 入分析了磁场梯度的产生原理以及不同磁体结构的性能特点的基础上， 通过严格 的科学设计计算， 设计 厂 一套磁系结构合理、 操作简便的磁种混凝与高梯度磁分 离相藕合的一体化装置，主要技术参数为:分离罐横截面直径 d = 5 6 m m,高 l = 6 0 m m,螺线管励磁线圈匝数 lv = 3 0 0 0匝:包铁的横截面尺寸为 8 5 x 4 0 m m; 填充介质选用截面尺寸为4 0 x1 5 0 u m的不锈钢丝，既能获得高的磁场梯度，又 能满足力学和化学性能的要求;直流电源的输出电流在 0 - 1 2 a 之间。实验结果 表明: 整套装置的分离空间的磁场特性合理、 处理能力大、 结构紧凑， 操作方便。 高梯度磁分离特性的研究旨在探讨磁分离过程的工艺参数对废水处理效果 影啊的普遍规律性影a n 磁分离效果的主要工艺参数包括磁场强度 ( 电流强度) 、 磁场梯度 厂 介质填允率 ) 、废水流速、污染物磁胜 ( 磁粉加入量)等 研究表明. 华南理工大学工学博士学位论文 磁种混凝一高梯度磁分离过程各工艺参数之间相互制约， 关系复杂， 选用时应根 据废水水质状况、 设各容量和出水水质要求，综合考虑质量、 产量和能耗等经济 技术指标，力争做到保质、低耗、高产。介质填充率可尽量选高，但应避免太高 以致介质丝之间相互紧迫挤压在起: 磁粉加入量以不导致磁粉絮凝率明显下降 为宜: 水样流速的选用原则是保证出水符合要求的前提下尽量选大:电流强度的 选用应保证设备使用安全，同时，注意降低能耗。在本实验条件下，适宜的工艺 参数为:电流强度1 = 8 a ， 水样流速u = 2 . 4 2 0 l / m i n , 磁粉加入量w = 2 0 0 m g / l ， 不 锈钢丝绒填充率 r介 = 0 . 7 8 % 一 1 .4 3 %. 分别以牛活污水和印染废水为处理对象， 研究高梯度磁分离技术应用 于 废水 处理的普遍规律性。 研究结果表明:对于生活污水， 应用磁种混凝一高梯度磁分 离技术处理，效果良好，在适宜的工艺条件下，浊度、c o d c r , s s , n h 3 - n和 t p的去除率分别达到 8 6 . 4 %, 7 0 . 7 %, 7 7 . 9 %, 7 8 . 4 %和 6 3 . 3 %。对于难处理的印 染废水， 应用 f e n t o n 氧化一磁种混凝一 高梯度磁分离组合工艺处理， 色度和 c o d 的去除率分别达到 9 6 .2 %和 8 3 . 7 %. 以上研究结果表明: 高梯度磁分离伎术在废水处理中的应用前景厂阔， 只要 _ 艺组合合理，高梯度磁分离技术便能在废水处理中发挥其潜在的优越性。 关键词:高梯度磁分离;磁种混凝:分离效果;废水处理;生活污水;印染废水 abs tract abs tract a s c o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a l m e t h o d s s e p a r a t i n g s o l i d f r o m l i q u i d , h g ms ( h i g h g r a d i e n t ma g n e t i c s e p a r a t i o n ) i s s p e e d y , e f f i c i e n t , b i g y i e l d , s m a l l s p a c e a n d c o n v e n i e n t o p e r a t i o n . i n m o r e t h a n 2 0 y e a r s , s c i e n t i f i c a n d t e c h n i c a l w o r k e r o f e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a t h o m e a n d a b r o a d h a s s t u d i e d t r e a t i n g w a s t e w a t e r w i t h h g ms . h o w e v e r , i t h a s s o f a r b e e n f o u n d v e r y l i t t l e t h a t h g ms w a s s u c c e s s f u l l y u s e d i n t r e a t m e n t o f w a s t e w a t e r b e s i d e s s t e e l mi l l w a s t e w a t e r . t h e p o t e n t i a l a d v a n t a g e o f h g ms c a n t b e g i v e n f u l l p l a y t o . i n o r d e r t o p o p u l a r i z e h g ms i n w a s t e w a t e r t r e a t m e n t , a s e r i e s o f t h e o r e t i c a l a n d a p p l i c a b l e i s s u e s o n h g ms w e r e d i s c u s s e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . t h e y i n c l u d e : o p t i m u m p a r a m e t e r s a n d m e c h a n i s m o f f o r m i n g m a g n e t i c f l o c s , d e s i g n o f h g ms d e v i c e , c h a r a c t e r i s t i c s o f h g ms , t r e a t i n g d i f f e r e n t k i n d s o f wa s t e wa t e r wi t h hgm s b e c a u s e p o l l u t a n t i n w a s t e w a t e r w e r e m o s t l y n o n - m a g n e t i c , i t w o u l d n o t b e v e r y e f f e c t i v e t h a t t h e w a s t e w a t e r w a s d i r e c t l y t r e a t e d w i t h h g ms . i t i s p r e r e q u i s i t e f o r g u a r a n t e e i n g t o a p p l y h gms t o w a s t e w a t e r t r e a t m e n t t h a t p o l l u t a n t a n d m a g n e t i c s e e d c o m b i n e t o f o r m m a g n e t i c fl o c s b y m a g n e t i c s e e d f l o c c u l a t i o n . i t c o u l d p r o m o t e p o p u l a r i z i n g h g ms i n w a s t e w a t e r t r e a t m e n t s t u d y i n g o n o p t i m u m p a r a m e t e r s a n d m e c h a n i s m o f f o r m i n g m a g n e t i c fl o e s . t h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e o p t i m u m p a r a m e t e r s o f f o r m i n g m a g n e t i c fl o c s w e r e t h a t t h e s i z e o f m a g n e t i c p a r t i c l e s h o u l d b e l e s s t h a n 1 0 u m . c o a g u l a n t ( p f c ) a n d m a g n e t i c p a r t i c l e w e r e p u t i n a t s t i r r i n g s p e e d o f 2 5 0 r / m i n a n d t h e s t i r r i n g s p e e d l a s t e d 2 m i n u t e . s o o n a f t e r w a r d s , c o a g u l a n t ( p a m) w a s p u t i n a t s t i r r i n g s p e e d o f 7 0 r / m i n a n d t h e s t i r r i n g s p e e d l a s t e d 3 m i n u t e . ma g n e t i c s e e d s a r e l i k e o t h e r t i n y s u s p e n d e d p a r t i c l e . t h e r e i s n o a n e s s e n t i a l d i s t i n c t i o n b e t w e e n m a g n e t i c s e e d fl o c c u l a t i o n a n d fl o c c u l a t i o n w i t h o u t m a g n e t i c s e e d . ma g n e t i c s e e d s d o n t c h a n g e t h e fl o c c u l a t i n g m e c h a n i s m o f c o a g u l a n t . t h e m a g n e t i c s e e d i n g t e c h n o l o g y f o r m i n g m a g n e t i c fl o c s b y m a g n e t i c s e e d fl o c c u l a t i o n i s c o n v e n i e n t o p e r a t i o n a n d s t a b l e e f f e c t . h g ms d e v i c e i s ma i n t e c h n o l o g i c a l e q u i p m e n t t h a t t r e a t s w a s t e w a t e r b y m a g n e t i c s e p a r a t i o n . wh e t h e r i t s s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n a r e r e a s o n a b l e e x e r t s d e c i s i v e e f f e c t o n a p p l y i n g h g ms t o w a s t e w a t e r t r e a t m e n t . i n t h e r e s e a r c h , b a s e d o n a n a l y s i s o f t h e p r i n c i p l e f o r m i n g m a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t. a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f 山f f e r e n t m a g n e t s t r u c t u r e , a m a g n e t i c s e e d f l o c c u l a t i o n 一 h g ms d e v i c e o f r e a s o n a b l e i i i 华南理工大学 i _ 学博士学位论文 m a g n e t s t r u c t u r e a n d c o n v e n i e n t o p e r a t i o n i s d e s i g n e d b y s t r i c t s c i e n t i f i c c a l c u l a t i o n s . t h e m a i n t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s o f d e v i c e i n c l u d e : t h e d i a m e t e r a n d h e i g h t o f s e p a r a t i o n j a r a r e 5 6 m i l l i m e t e r a n d 6 0 m i l l i m e t e r r e s p e c t i v e l y . s p i r a l e x c i t i n g c o i l h a s 3 0 0 0 c i r c l e s . t h e c r o s s s e c t i o n o f i r o n i s 8 5 x 4 0 mi l l i m e t e r . f i l l i n g m e d i u m i s s t a i n l e s s s t e e l w i r e o f 4 0 x 1 5 0 u m. t h e m e d i u m c a n b o t h o b t a i n h i g h m a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t a n d m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f m e c h a n i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s . t h e o u 印u t c u r r e n t o f p o w e r s u p p l y i s b e t w e e n 0 a n d 1 2 a m p e r e . e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e v i c e i s r e a s o n a b l e m a g n e t i c f i e l d s c h a r a c t e r i s t i c s , b i g y i e l d , c o m p a c t s t r u c t u r e a n d c o n v e n i e n t o p e r a t i o n . h g ms p r o c e s s w a s r e s e a r c h e d i n o r d e r t o p r o b e t h e g e n e r a l l a w a c c o r d i n g t o w h i c h t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r i n h g ms p r o c e s s a f f e c t s r e s u l t s o f w a s t e w a t e r t r e a t m e n t . t h e m a i n p a r a m e t e r a f f e c t i n g r e s u l t s o f w a s t e w a t e r t r e a t m e n t i n c l u d e s m a g n e t i c f i e l d i n t e n s i t y ( c u r r e n t i n t e n s i t y ) , m a g n e t i c f i e l d g r a d i e n t ( p a c k i n g d e n s i t y o f m e d i u m) , c u r r e n t v e l o c i t y a n d m a g n e t i s m o f p o l l u t a n t ( d o s e o f m a g n e t i c p a r t i c l e ) . r e s e a r c h r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r e w e r e c o m p l e x r e l a t i o n s a m o n g t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s i n ma g n e t i c s e e d fl o c c u la t i o n - h gms . i n o r d e r t o m e e t t h e n e e d s o f q u a l i t y , l o w e n e r g y a n d b i g o u t p u t s i m u l t a n e o u s l y , s e l e c t i n g t h e t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r m u s t s y n t h e t i c a l l y c o n s i d e r q u a l i t y , o u t p u t a n d e n e r g y i n d e x a c c o r d i n g t o i n fl u e n t c h a r a c t e r i s t i c s , d e v i c e a n d e f fl u e n t r e q u i r e m e n t s . t h e p a c k i n g d e n s i t y o f m e d i u m s m a y a s f a r a s p o s s i b l e b i g u n l e s s m e d i u m s a r e p r e s s e d t o g e t h e r v e r y c l o s e l y e a c h o t h e r . t h e s u i t a b l e d o s e o f m a g n e t i c p a r t i c l e i s w h a t d o e s n t c a u s e u t i l i z a t i o n r a t i o o f m a g n e t i c p a r t i c l e d e c r e a s e e v i d e n t l y . c u r r e n t v e l o c i t y s h o u l d b e a s f a r a s p o s s i b l e l a r g e i n t h e c o n d i t i o n t h a t e f fl u e n t a c c o r d e d w i t h t h e d e m a n d s . c u r r e n t i n t e n s i t y s h o u l d m a k e t h e d e v i c e s a f e i n o p e r a t i o n a n d l o w e n e r g y . i n t h i s e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s , s u i t a b l e t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s a r e a s f o l l o w s : c u r r e n t i n t e n s i t y i = 8 a , c u r r e n t v e l o c i t y u = 2 . 4 2 0 l / m i n , d o s e o f m a g n e t i c p a r t i c l e w= 2 0 0 m g / l , p a c k i n g d e n s i t y o f s t a i n l e s s s t e e l w i r e r = 0 . 7 8 %一 1 . 4 2 %. t h e g e n e r a l l a w o f t r e a t i n g d o m e s t i c s e w a g e a n d p r i n t i n g a n d d y e i n g w a s t e w a t e r w i t h h g ms w a s s t u d i e d r e s p e c t i v e l y . r e s e a r c h r e s u l t s s h o w e d t h a t i t w a s v e r y e f f e c t i v e t r e a t i n g d o m e s t i c s e w a g e b y m a g n e t i c s e e d fl o c c u l a t i o n - h g ms . i n s u i t a b l e t e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n s , t h e r e m o v a l r a t e o f t u r b i d i t y , c o d , s s , n h 3 - n a n d t p c o m e u p t o 8 6 .4 %, 7 0 .7 %, 7 7 . 9 %, 7 8 . 4 % a n d 6 3 . 3 % r e s p e c t i v e l y . t r e a t i n g p r i n t i n g a n d d y e i n g w a s t e w a t e r w i t h f e n t o n o x i d a t i o n - m a g n e t i c s e e d fl o c c u l a t i o n - h g ms , t h e r e m o v a l r a t e o f c h r o m a t i c i t y a n d c o d c o m e u p t o 9 6 . 2 % a n d 8 3 . 7 % r e s p e c t i v e l y 硬 v abs tract a b o v e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t m g ms h a s b r o a d p r o s p e c t s o f a p p l i c a t i o n t o w a s t e w a t e r t r e a t m e n t . s o l o n g a s c o m b i n a t i o n o f t e c h n o l o g y i s r e a s o n a b l e , h g ms c a n g i v e f u l l p l a y t o p o t e n t i a l a d v a n t a g e i n w a s t e w a t e r t r e a t m e n t . k e y w o r d s : h i g h g r a d i e n t m a g n e t i c s e p a r a t i o n ; m a g n e t i c s e e d fl o c c u l a t i o n ; s e p a r a t i o n e f f e c t ; w a s t e w a t e r t r e a t m e n t ; d o m e s t i c s e w a g e ; p r i n t i n g a n d d y e i n g w a s t e w a t e r v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作 者 签 名 : ? 1 寸 :日 期: 泌了年， 2 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理上大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密cq o ( 清在以上相应方框内打 作 者 签 名 : 1 i女 浮 ; 导师签名: 11 协 “j” ) 口 期: 沁了 年 ， 月/日 日 期 : p 了 年1 2, 月 厂 日 华南理工大学工学博十学位论文 符 号 表 b b b c b b e 君 codc , d 颖粒半径，m 磁介质中的磁感强度，t 线圈贡献出的磁感应强度，t 磁化铁贡献出的磁感应强度，t 真空中的磁感强度，t 磁介质因磁化而产牛的磁感强度，t 重 铬 酸 钾 法 化 学 需 氧 量 ， m g .l - 分离罐横截面直径，m m 流体拉力，n 重力，n 磁场力，n 重力加速度， m s 一 - 磁场强度，a . m - 电流强度，a 铁的饱和磁化强度，t 分离罐高度，m 单位长度的线圈匝数，匝/ 米 线圈匝数，匝 分子磁矩， m 2 . a 需 处理的 废水 流量， m .h 一 线圈电阻，。 磁粉絮凝率，% 介质填充率，% 分离罐的横截面积，m - 包铁的截面积，m 工作隙 截面积， m z 悬浮固体， m g . l 时间，h 废水流速，m . h - 颗粒的 相对速度， m .h - 1顺粒体积，m sn r 凡凡肠9 v p . q r r ,e r个 s s. s p s s t u 符 号表 尸 w 劝 w .4 w j a口 夕 刀 月a k 磁 粉加 入 量， m g .l - 1 发热量，j 剩余磁粉量，m g 磁粉加入总量，皿 9 颗 粒密度， g .c m 3 流体密 度， g .c m 3 流体粘度，p , s 真空磁导率， h . m 颗粒磁化率，无量纲 附加磁矩，m z . a 磁场强度梯度，a . m 叭些dx 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 概述 磁分离就是通过外加磁场的作用使磁性物质得到分离。 早期的磁分离技术只 能分离磁性很强的大颗粒粒子， 而对那些大量的顺磁性和磁性更弱的细小颗粒的 分离显得无能为力。 所以， 一开始磁分离技术只是用于分离矿物中的磁性和非磁 性物质，以提高矿石的品位。二十世纪 6 0 年代末，第一台高梯度磁选设备由麻 省理_ 大学磁体实验室科姆 ( h . h . k o l m ) 教授研制成功d 1 ，它把铁骊包在线圈外 面构成磁路， 利用线圈内腔作为分离空间， 这就大大提高了单位重量磁分离机的 处理能力，另外，把不锈钢导磁材料作为聚磁介质置于分离空间中，从而产生高 的磁场梯度， 使弱磁性的微小颗粒得到高效去除高梯度磁分离器的出现，大大 提高 厂 磁分离技术的处理能力， 使弱磁性的微细颗粒得到高效去除， 传统的磁分 离技术从此发生了重大的变革， 应用范围迅速扩展， 从原先的矿 一 物分离迅速发展 到生物、化_ f _ 和环保领域 ， ” 。 卜 世纪 8 0年代以来，国内外环保界专家就开始对高梯度磁分离技术在废水 处理中的应用进行了不断的研究。 研究表明， 废水中的磁性污染物， 通过磁分离 可方便 、迅速得以分离;对于磁性很弱或根本没有磁性的污染物 ，可通过磁性接 种使巧染物获得磁性，然后实现磁分离 2 3 9 1 。由于磁分离过程磁力的加速作用， 所以，与传统的液固分离方法相比，磁分离技术具有处理速度快 、处理效率高、 处理履大、适用范围广、占地面积小、能耗低、操作管理方便等优点，各受国内 外学者关注。 如何进 一 步完善高梯度磁分离技术在废水处理中的应用的理论和实 际问题，至今仍是国内外学术界的研究热点之一: 1 . 2磁性接种工艺的研究进展 1 . 2 . 1物质的磁性 能够被磁体吸引的性质称为物质的磁性。世界上所有的物质都其有磁性 ， 但 是，山于其内部结构的不同，他们的磁性强弱表现出明显的不同。磁分离技术的 应用正是利用了物质具有不同磁性的这一特点。 所有物质( 磁介质) 置于磁场中， 都能够被磁化，而磁化 了的磁介质中的磁感强度 b ，可能大于也可能小于磁介质 不存在时 ( 真空中)的磁感强度 b o ,磁介质中的磁感强度 b是 b 。 和磁介质因磁 化而产生的磁感强度 b叠加的结果: b = b . + b( l 一 1 ) 华南理工大学工学博上学位论文 物质呈现不同磁性就在于 b ， 的不同，已经知道，磁性的根源在于电荷的运 动，b 的产生是由物质的分子磁矩 p .( 由环绕原子核的轨道运动和电子自旋运 动产生)和附加磁矩a p . 由外磁场引起的电子的进动产生) 构成的，ap . 始终 与 b 。 的方向相反 根据物质在磁场被磁化情况的不同，物质可分为三类:抗磁质、顺磁质和铁磁质。 ( 1 )抗磁质 杭磁质的侮个分子的分子磁矩为零， 所以抗磁质在外磁场中的磁化作用， 完 个取决上 抗磁质中的分子在有外磁场 b 。 时所产生的附加磁矩p .，由于p . 的 方向总是与 b 。 的方向相反，大小与 b 。 成正比，所以，经磁化后抗磁质所产生的 附加磁场 b ， 的方向与 b 。 的方向相反，表现出抗磁化的特性抗磁质的物质磁性 很弱。 2 )顺磁质 顺磁质的每个分子的分子磁矩有 一定的量值，而且要比附加磁矩大得很多， 以致附加磁矩可以略去不计，所以分子磁矩是顺磁质物质产生磁效应的主要原 因。顺磁质在外磁场 b 。 的作用下，外磁场 b 。 对分子磁矩 p . 有取向作用，即p . 的 方向趋向与 b o 致，但是，由于分子的热运动，分子磁矩的取同不可能完全一 致，只是在外磁场作用 下，分子磁矩的排列较没有外磁场时整齐。顺磁质经磁化 后所产生的附加磁场 b 。 的方向与 b 。 的方向相同，表现出顺磁化的特性，顺磁性 的物质的磁性也较弱。 3 )铁磁质 与磁性弱的抗磁质和顺磁质不同， 铁磁质在外磁场的作用 f ， 产生很大的附 加磁场，表现出很强的磁性。铁磁质的这一特点需用磁畴理论进行解释。 近代科 学实践表明，铁磁质的磁性主要来源于电子自旋磁矩。在没有外磁场的条件下， 铁磁质中电子 自旋磁矩可以在小范围内自发地形成一个个小的 自发磁化区， 这种 自发磁化区叫磁畴。由卜 在每个磁畴中的元磁矩己完全排列起来， 所以磁畴的磁 矩非常大磁畴的方向随外磁场的变化而变化，如图 1 - 1 所示。在无外磁场作用 时，各磁畴的自发磁化方向不同，宏观_ l 不显出磁性来，见图( a ) 。在外磁场作 川下，磁畴将发生变化，当外磁场较弱时， 磁畴中磁矩与外磁场相同或接近的那 此子区域的边界向外扩展，体积增大，磁性增强，此现象叫壁移，如图( b ) 所示。 当外磁场较强时， 磁畴的磁矩方向将发生沿外磁场方向的转动，外磁场越强， 这 种取向作用也越强，从而产生一个很大的附加磁场，见图( c ) o当所有的磁畴的 磁矩都转到与外磁场相同的方向时，铁磁质的磁化即达到饱和，如图( d ) 所示 第 一 章 绪论 产/ /厂产 、 七 、 盯价 口阵 图 卜1 磁畴的方向随外磁场的变化 f i g . 1 一 l ma g n e t i c d o m a i n c h a n g e i n d i f fe r e n t m a g n e t i c i n t e n s i t y 另外，各磁畴之问具有某种阻碍磁畴转向的 “ 磨擦作用” ，使得在外磁场减 弱或消失时，磁畴不按原来变化规律退回原状，从而出现磁滞和剩磁现象 阳 3 。 物质磁性差别是由其内部结构决定的， 这种差别正是应用磁分离技术解决实 际问题的荃础。 1 ， 2 . 2改变物质磁性的方法 磁分离是利用物质的磁性差别而实现分离净化的， 当需要分离的物质不存在 磁性差别或差别很小时， 磁分离法将不起作用。 为了扩大磁分离技术的应用范围， 需人为地进行某此调节， 扩大被分离物质间的磁性差异。 改变物质磁性的方法可 分为两类:容积磁性的改变和表面磁性的改变l 川 。 改变物质容积磁性的方法是磁化焙烧。 实质 卜 是 一 个冶金反应过程 ， 它是利 用一定的温度和气氛 ( 还原或氧化) 把弱磁性物质转变为磁性物质。该法虽然技 术上可行，但经济_ l 不合算。因此，其应用受到很大的限制。 改变物质表血磁性的方法， 根据作用原理不同可分为:化学、电化学法和表 面化学法两类。化学、电化学法的实质是通过一定的化学、电化学处理，使原来 弱磁性物质表面生成一些新的强磁性成分， 从而增强磁性。 表面化学法的实质是 通过添加一些表而活性药剂， 使强磁性物质附着在目的物质表面，目的物质因此 获得磁性。属于化学、电化学法的有碱浸磁化、电化学处理等;属 r 表面化学法 的有 磁种磁化和磁化剂磁化等。 ( 1 )碱浸磁化 f e c 氏颗粒的比磁化率低，通过碱浸磁化，可获强磁性。碱浸磁化过程分为 两个连续阶段:用 n a o h的水溶液将 凡c o 。 浸出，在颗粒表面形成 阮 ( 0 日 ): 和浸 化合物 1 了 e o h ): 氧化为 丫一 f e : 0 。 和 f e j o 浸出和氧化过程的化学反应如下: 华南理工大学l 学博士学位论文 f e c o , + 2 n a o h = f e( o h) , + n a , c o ,( 1 - 2 ) h e ( o h ) , ， 工 。 : 一 f e :,0 , ， 3 11 ,0( 1 一 3 ) 2 f e ( o h )十 生 。 : 二丫 - f e ,o , 十 2 h , 0( 1 一 l ) 经浸出和轨化后，f e c o , 颗粒表面覆盖了强磁性的 f e , o 、 和 x - f e , o , 。故磁化 率增加. ( 2 )电化学处理 磁性较弱的 a - f e 2 0 , 颗粒，经电化学处理，可使其表面变成强磁性的 f e , o , e 过程如 下:首先，a - f e _ 0 。 受阴极极化作用，产生亚稳态化合物 f e ( o h ) s 和 f e ( o h ) ，然后，f e ( o h ): 和 f e ( o h )。 相互作用形成 f e , o，化学反应式如下: 2 f e ( o h ) ,+f e ( o h ) , =f e , o , + 4 h , 0( 1 一 5 ) ( 3 )磁种磁化 吸附到门的颗粒表面上， 从而提高其磁性的微细分散的强磁性物质， 称为磁 种.简一言之，即在磁性上起种子作用的物质。 磁种磁化， 就是在 一定条件 下 加入磁种， 使其粘附于目的颗粒并提高日的颗 粒磁性的过程。 根据作用原理不同， 磁种磁化还可分为三种类型: 利用疏水团聚作用的磁 种磁化:利用凝聚作用的磁种磁化:利用高分子絮凝剂作用的磁种磁化。 利用疏水团聚作用的磁种磁化的原理是: 通过加入表面活性物质， 使 日的颗 粒和磁种表面生成疏水表膜， 并进 一 步形成团聚体，目的颗粒的磁性因此得到增 强 。 利用凝聚作用的磁种磁化的原理是: 微细粒磁种和目的颗粒在溶液中的凝聚 和分散状态，可通过外加电解质和溶液的p h值加以控制，当溶液体系相互作用 总能量降低时，磁种与目的颗粒间的凝聚就能产生。 利用高分子絮凝剂作用的磁种磁化的原理是:高分子絮凝剂的官能团通过 “ 桥连”作用使磁种与目的颗粒絮凝。 ( 4 )磁化剂磁化 磁化剂是具有双层表面活性物质的复极分子， 一端与磁性物质粘附， 而另一 端与目的颗粒粘附，目的颗粒因此获得磁性，磁化示意图见图 1 - 2 0 第一章 绪论 日的颗粒 微粒磁铁习 尸 / 一子 / 1 一 二 丁习磁化剂分子 厂产 图 卜 2 磁化剂磁化示意图 f i g . 1 一 2 as h e m a t i c d i a g r a mo f m a g n e t i z i n g w i t h m a g n e t i z i n g a g e n t 以上介绍的改变物质磁性的各种方法中， 磁化焙烧和化学、电化学法的应用 范围较窄，只适用于某些矿物的分离;而表面化学法的应用范围广泛，不仅适用 于 选征 一 ，而且在生物和环保领域都得到了广泛的应用。 改变物质磁性的表面化学法也叫磁性接种法 。 1 . 2 . 3石 兹 性接种方法及其特点 简吉之 ，磁性接种就是将磁性种子 “ 接入”非磁性或弱磁性的 目的物质，使 其获得磁性，从而便于实现磁分离的工艺手段不同的磁分离应用场合， 具体要 求不同，因此，对磁性接种的要求也不同。例如，对于矿物分离或生物分离提纯 而言，往往是要求将某类物质与其它物质分离，当它们的磁性差别不明显时，应 用磁分离技术时就需要增大它们的磁性差别。 也就是说，磁性接种时，磁种与要 分离的不同物质的结合必须具有选择性， 在这种情况下， 磁种与目的物质结合的 选择性至关重要，否则，磁性接种失去意义。但是对干废水处理而言，水中所有 的污染物都是要分离除去的对象， 应用磁分离法处理时需要所有的污染物都获得 磁性，这时，磁性接种的要求是使磁种 与所有污染物结合，磁种与 目的物质的结 合没有选择性的要求。 所以， 对于生物磁分离， 磁性接种时为了满足磁种与目的 物质结合的选择性要求， 需要对磁种进行预处理， 一 般是通过适当的方法使高分 护 材料包裹磁种而形成具有一定磁性且表面带有反应性官能团( 如一 o h 、 一 c o o h 、 一 n h : )的磁性载体，然后根据磁性载体表面所带的官能团，采取相应的配基引 入方法引入所期望的配基，使其表面活化以达到提高选择性的目的133一 川 应用 于 废水处理的磁分离技术，磁性接种时一般不需对磁种进行特殊处理 36一 川，大多是通过混凝处理使污染物与磁种直接形成磁性絮团，而完成磁性接 种，这过程称磁种混凝。在磁分离技术应用 于废水处理的研究中， 专门研究磁 种混凝的报道极少。大多是直接沿用混凝工艺理论进行处理 华南理 仁 大学工学博士学位论文 1 . 3磁分离技术的发展 1 . 3 . 1磁分离原理 磁分离是一种物理分离方法， 它是基于被分离物料中不同组分的磁性差异而 进行的。磁分离原理可用图 1 - 3 加以说明( 3 9 1 。在磁场中，物料同时受到磁力和 竟争力 ( 包括重力、 惯性力、 流体阻力和离心力