磁分离技术在重金属废水处理中的应用及前景Application and Pros

磁分离技术在重金属废水处理中的应用及前景Application and Pros

这项工作是在（CC BY）下进行的。

：2014年7月26日； ：2014年8月25日； : 2014 年 9 月 3 日

随着，废气、废弃物、废水等也从现场产生。 作为一种新型水，高（HGMS）已在 和 COD5 中。 高、中、小尺寸和重金属离子等的研究一直是热门话题。 本文以此为基础，针对国内的重金属音乐，而做出了。

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磁分离技术在重金属废水处理中的应用及展望

李绿源 1,2、陈阳 2*、殷连清 1、刘丽源 2、贾宝军 2、冯钦忠 2、吴晓霞 1,2

1华北电力大学，保定

2中国科学院高能物理研究所，北京

电子邮件： *

收稿日期：2014年7月26日； 修订日期：2014年8月25日； 受理日期：2014年9月3日

概括

随着磁选技术的发展，磁选已从传统的选矿应用扩展到废气、废渣、废水处理等环保领域。 高梯度磁分离（HGMS）技术作为一种新型水处理技术，已广泛应用于废水中磁性物质和COD5等有机污染物的分离。 超导高梯度磁分离技术应用于重金属离子等的分离，对具有粒径的非磁性污染物的研究也成为热点，具有污染物去除效率高、节能环保等优点，和简单的设备。 本文介绍了该技术的基本原理，综述了国内外学者应用该技术处理重金属废水的研究现状，并做出了展望。

关键词

磁分离、重金属、水处理、超导

一、前言

《中国水资源公报》显示，2010年我国污水排放总量达617.3亿立方米，其中工业废水排放量为379.8立方米，占2/3。 水污染对社会经济发展的制衡作用日益严重。 作为世界公认的严重工业污染源之一，废水中含有的重金属长期危害环境和人体健康。 重金属废水的传统处理方法包括：化学沉淀、离子交换、吸附、膜分离、氧化还原、电解和萃取。 但这些方法往往受水温、pH值、水质等变化影响较大，对某些可溶性物质有害。 去除率低，存在二次污染。

超导高梯度磁分离技术因其独特的分离原理和诸多优点，已成为最有前途的新型污水处理技术之一。 随着技术理论和设备的不断发展，其应用领域日益扩大，已成功应用于工业废水、生活污水、受污染的河水、湖水。 在处理废水中弱磁性和非磁性污染物方面具有独特的优势。 本文对超导HGMS技术的发展及其在重金属废水处理中的应用进行了简要综述。

2、磁选技术的发展历史

磁选技术首先应用于选矿领域。 1792年，英国首次获得磁选技术专利，用于选别铁矿石。 1845年，美国发明了工业磁选机。 到了20年代，各种类型的磁选机相继问世。 磁选技术在选矿领域发挥了重要作用。 不断发展和完善。 然而，此时的磁分离技术只能分离具有强磁性的大颗粒，而对分离大量顺磁性和较小磁性较弱的颗粒却无能为力。 磁选技术的应用受到很大限制。

20世纪70年代初，美国开发出高梯度磁分离（HGMS）技术，该技术利用不同磁性颗粒与过滤器中的填充介质（一般为铁磁性金属纤维）在磁场中的相互作用——即磁场力的作用不同，使铁磁纤维在磁场中形成磁场强度分布不均匀的高梯度磁场区域。 该区域中的磁性颗粒受到磁力的作用，从而将磁性颗粒与非磁性颗粒分离。 HGMS 可以快速、大规模地分离磁性颗粒。 因此，HGMS的应用范围已经超越了传统的磁选矿，进入了废气废渣处理、供水处理、废水处理等环保领域。 但由于磁场的限制，一般水流速度较低，处理的废水量较小。 一些非磁性和弱磁性污染物难以分离。

经过一系列探索，超导HGMS技术应运而生。 超导HGMS技术是在传统强磁技术的基础上发展起来的。 它用超导线圈代替传统的铜线圈，获得10T以上的高梯度磁场。超导磁场梯度的引入和磁场梯度的增加，大大扩展了其应用范围。 它不仅可以处理强磁性污染物，还可以吸附分离弱磁性甚至非磁性污染物。

超导HGMS技术的发展使得磁分离应用于重金属废水处理成为可能。 超导操作零电阻、功耗极低、占用空间小、操作方便。 是节能减排背景下最具发展潜力的新型产品。 技术具有环境友好、节能降耗等优点，因此在重金属废水处理领域将具有良好的发展前景和工业化应用潜力。

3、磁分离技术在重金属废水处理中的应用现状

目前，利用磁分离技术处理含重金属废水的研究方向主要是在废水中的重金属离子中添加药物形成水合金属离子，然后添加不同性质的磁性物种。 磁性物种具有铁磁性，表面经不同官能团修饰后，可将水合金属氧化物吸附在表面，形成絮凝基团，通过磁场力吸附，达到处理重金属的目的。

随着磁分离技术的发展，国内外学者的相关研究经历了永磁分离、高梯度磁分离和超导高梯度磁分离三个阶段。

3.1. 永磁装置处理重金属废水

永磁体是自然界中广泛存在且容易获得的天然磁铁矿。 它们也被称为天然磁铁，也可以人工制造。 永磁体应用广泛且生产成本低廉。 它们在正常情况下具有磁性，但磁场的强度和方向是不变的，其应用范围受到限制。

付贤书等[1]等提出了化学沉淀-铁氧体法与天然磁黄铁矿处理法相结合的处理重金属废水的新工艺。 通过向废水中添加铁盐并控制工艺条件，使废水中的重金属离子被铁氧体包裹、夹带进入铁氧体晶格，形成复合铁氧体，然后采用固液分离的方法，可以去除多种铁氧体。一次去除重金属离子。 在最佳实验条件下，该技术可去除废水中90%以上的重金属离子。 但该方法对pH值、温度、反应时间等条件要求严格，无法单独回收有用金属，消耗大量烧碱，处理成本过高。

赵进[2]等. 利用重金属离子能够吸附在水合金属氧化物和氢氧化物矿物表面的原理，开展了天然磁铁矿处理含Hg2+废水的实验研究。 结果表明：当温度为25℃、吸附平衡时间为60min、样品用量为20g/L、样品粒径小于200目、pH值为6.4、离子强度为0，Hg2+初始浓度为1.12 mg/L溶液吸附率可达98%，使废水中Hg2+浓度达到国家排放标准。 该技术适用于处理低浓度重金属废水，但技术流程复杂，与传统化学处理方法相比没有经济优势。

舒浩华等[3]等应用趋磁细菌-磁场技术处理含镍废水，发现具有吸附重金属能力的微生物在磁场作用下生物活性大大提高。 对比实验中，磁场组的铜去除率比对照组高13.24%，并且磁场在高温下仍然促进应变的生长。

3.2. 高梯度磁分离装置处理重金属废水

磁性颗粒通过分离器时，受到磁场力、自重力、流体粘度、浮力、流体惯性力、离心力、分子间吸引力等力的影响。

在非均匀磁场中，施加在粒子上的磁力大小为：

式中，H：磁场强度； V：颗粒体积； Xm：磁化率； dH/dx：磁场强度梯度。

由上式可以看出，磁性粒子所受到的磁场力（Fm）的大小主要与磁场强度（H）、磁场强度梯度（dH/dx）和磁化率成正比。粒子本身 (Xm)。 对于一定尺寸的颗粒（V 为常数），增加这三个参数中的任何一个都可以增加磁场力。

HGMS是一种充满磁性介质的金属容器，通常填充有不锈钢丝绒。 由于钢丝棉的导磁率极高，当对容器施加磁场时，磁力线集中并穿过钢丝棉内部，在钢丝棉表面附近形成磁力线密度衰减，形成强磁场强度梯度。 当磁场力的分离效果大于其他几种合力的反作用时，磁性颗粒的运动轨迹将在磁力的作用下发生偏移，形成有效的颗粒捕获和聚集区域。

高磁场梯度的优点是磁场梯度很大。 即使外部磁场强度很小，磁性颗粒所受的磁场力仍然很大，足以克服许多力，获得良好的分离效果。 该技术适用于具有一定粒径和磁性的颗粒。 颗粒的多相分离。

对于含有重金属离子的废水，目前研究最广泛的方法是氢氧化亚铁共沉淀法、铁氧体法和“磁种-磁分离”化学沉淀法。 氢氧化亚铁共沉淀法是向废水中加入FeSO4·7H2O，溶解后迅速加入NaOH，Fe2+在pH为10时生成Fe(OH)2沉淀，最后与金属离子反应生成Fe3(OH)4 。 还原后的金属离子吸附在 Fe3(OH)4 上，然后磁分离。 沉晓丽等. 利用该方法对电镀含镍废水的处理进行了中间实验。 实验中添加NaOH或调节pH值至9~9.5，使镍离子产生氢氧化物并与预先添加的磁种沉淀并凝聚，形成明矾花，借助高磁力将明矾花去除。分离。 平均去除率可达95%[4]。

铁氧体法是日本电气公司（NEC）开发的一种去除废水中重金属的工艺技术。 是指在废水中添加铁盐，在碱性条件下加热氧化，生成强磁性铁氧体沉淀。 由于铁氧体比重较高，大部分颗粒可通过自然沉淀析出。 使用高磁力过滤可以很好地分离剩余的细颗粒，去除率超过95%[5]。 铁氧体非常稳定，不会造成二次污染。 添加磁性种子的化学沉淀法是将均匀悬浮的磁性种子​​预先投入污水中，然后调节pH值，使金属离子形成沉淀。 吸附了磁性种子的沉淀物具有磁性并通过高梯度磁力分离器。 它可以被删除。

“磁籽-磁选”是一种选矿方法。 作为一种水处理技术，最早由澳大利亚国家工业研究组织（CSIRO）研发并注册为“”。 该工艺以磁铁矿粉为磁种，磁选去除饮用水中的色度和浊度。 随着磁选设备的发展，特别是高梯度设备的开发和应用，该工艺在城市给水、排水和工业废水处理方面的研究和应用国内外得到了很大的发展。

康晓红[6]等。 采用负载磁絮凝-高梯度磁分离技术对洗铜废水中铜离子的去除效果进行实验研究。 当添加PAC60 mg/L、磁粉500 mg/L、pH值为7.5时，铜离子去除率可达97%。 林峰[7]等人重点关注电镀废水中含有大量多种形态的重金属离子，一般化学处理成本高且不能稳定达标的特点。 采用脉冲电絮凝法分解电镀废水中的重金属具有独特的优势。 结合后续加载的磁​​絮凝技术，整个流程占地面积小，重金属处理效率高。 对车间镀锌、铬、铜等产品排放的废水综合处理效果显着。 通过本项目的应用，出水水质各项指标均满足《电镀污染物排放标准（-2008）》表2的要求。 六价铬离子、锌离子、铜离子去除率均在99%以上。

3.3. 超导高梯度磁分离技术处理重金属废水的研究现状

与其他普通磁分离技术相比，HGMS可以大规模、快速地分离磁性颗粒，解决了许多普通磁分离技术难以解决的问题。 然而，随着处理量的增加，分离器的成本和功耗也显着增加。 增加，如果超过一定的流量，HGMS的分离能力就会下降。 超导磁选机可以克服上述缺陷，其磁场强度可以达到14T，因为超导体在临界温度以下没有电阻。 因此，运算消耗极低，可以在大空间范围内提供强磁场和高梯度磁场，从而提高处理能力。 它还具有投资小、占地面积小、处理周期短、处理效果好等优点。 是一项未来具有巨大潜在应用价值的技术。

利用超导磁体分离矿石、煤、高岭土等固体物料中的磁性杂质，国内外已得到广泛应用，但在废水分离净化中应用较少。 近年来，超导磁分离技术已应用于钢厂、铝厂等废水中磁性金属杂质颗粒的分离净化，分离效果明显，但仍仅限于废水中磁性金属污染物的分离。 对于废水中的重金属离子等污染物，由于这些污染物本身不具有磁性，无法通过磁场产生的磁吸引力将其分离。 必须预先添加磁性物质（表面经过有机修饰的铁磁性颗粒），使其非磁性。 只有通过氢键、范德华力和表面官能团修饰的磁性物种来絮凝有害物质，才能实现污水的超导磁分离净化。 普通电磁铁尚未应用于污水处理领域，因为磁场强度太低，只有1T左右，分离效果不明显。 超导高梯度磁分离技术的发展极大拓展了磁分离在水处理领域的应用，使得利用磁分离净化废水中重金属等非磁性污染物成为研究热点。

重金属废水磁分离的实现涉及两个方面的工作，一是超导磁体，二是磁种子。 超导磁体的制备是一项非常成熟的技术，并且可以很容易地从商业产品中获得。 磁选的关键问题是如何制备高质量的磁种子。

王红[8]等人在开展超导高梯度磁分离处理造纸厂污水的研究过程中，利用等离子体聚合改性技术，将有机物沉积在传统Fe3O4磁性物种表面，使其成为带电极性磁性物种。物种。 成功开发了氧化锌（ZnO）纳米粒子的表面聚合和沉积丙烯酸（Acid，简称AA）和吡咯（AA）薄膜。 当污水与磁性种子混合搅拌时，磁性种子可与污水中的可溶性离子、无机盐等发生反应。 有害成分的极性链接使其在通过高梯度超导磁力分离设备时能够得到更好的分离。 纳米粒子聚合涂覆等离子体反应装置如图所示。

这项研究还表明，覆盖 AA 膜的 ZnO 纳米颗粒可用于离子交换。 由于ZnO纳米颗粒比表面积大，其效率高于其他传统类型，并且与废水中的重金属具有良好的离子交换效果。 AA膜包覆ZnO纳米粒子的离子交换示意图。

4、技术特点及前景

4.1. 磁分离技术在重金属废水处理中的特点

磁分离技术在废水处理中的应用，特别是废水中弱磁性和非磁性污染物的处理，是近年来新兴的科研方法。

1. 为薄的

图1 纳米粒子聚合涂覆等离子体反应装置

2. ZnO纳米带AA膜和金属离子的制备

图2. AA膜覆盖的ZnO纳米粒子的离子交换示意图。

向。 磁分离技术，特别是超导高梯度磁分离技术在处理重金属废水方面有其独特的优势。

高梯度磁选技术可以在小范围内形成较强的磁场强度梯度。 当磁性吸附的重金属离子通过磁场区域时，磁性颗粒的运动轨迹将在磁力的作用下发生偏移，形成有效的颗粒捕获和聚集区域，该技术适用于颗粒的多相分离具有一定的粒径和磁性。 但由于磁场的限制，一般水流速度较低，处理的废水量较小。 一些非磁性和弱磁性污染物难以分离。

与高梯度磁分离技术相比，超导高梯度磁分离方法可以达到普通电磁铁3倍以上的磁场强度，在交大空间内提供强磁场和高磁场梯度，使废水中的弱磁性颗粒可被充分吸附 磁化可直接去除弱磁性颗粒，无需添加此类材料。 廉价的顺磁性材料也可以作为磁性种子代替强磁性材料来处理非磁性重金属废水。 从而提高磁选能力，具有投资小、占地少、处理周期短、处理效果好等优点。 是一项未来具有巨大潜在应用价值的技术。 整个系统结构紧凑，可灵活运输。 特别适用于中小企业污水处理。 处理。

4.2. 超导高梯度磁分离技术在重金属废水处理中的前景

利用超导高梯度磁分离分离污水中的非磁性污染物尚处于研究阶段，特别是超导高梯度磁分离处理重金属废水的研究才刚刚开始。 超导高梯度磁分离处理重金属废水仍有许多关键技术需要深入研究和突破，如磁性物种的表面修饰、磁性物种与废水中金属离子的相互作用规律以及磁性物种与废水中金属离子的相互作用规律等。磁性物质和污染物的结合强度。 有效控制、捕获率、磁性物种回收工艺、磁性过滤器设计与优化等，这些问题都影响着超导高梯度磁分离处理重金属废水的应用，迫切需要深入研究。

参考（）

[1] 付贤淑，李栋梁，黄琼玉，等． (1991)天然磁黄铁矿在重金属废水处理中的应用。 环境化学，10，63-70。

[2] 赵进，等． (2001)天然磁铁矿处理Hg(II)废水的实验研究。 岩石与矿物学杂志，1, 449-454。

[3]舒浩华，王艳红，孙金生，白明，等。 (2005)趋磁细菌与磁场处理含镍废水的研究。 离子交换和吸附，8, 9-16。

[4]沉晓丽(1988)应用高梯度分离处理重金属废水——镍电镀废水中试。 环境科学与技术，1, 37-40。

[5]，S.，Tad，I.，等人。 (2000) 使用高场氧化铁的藻类。 日本，9，661-663。

[6] 康晓红，杨云龙，等。 (2011) 磁絮凝去除工业废水中铜离子的实验研究。 工业用水和废水，1009-2455，24-27。

[7] 林峰，蒋素华，屠云鹏（2013）高压脉冲电絮凝+加载磁絮凝工艺处理电镀废水。 广州化学工业，8，149-150。

[8] 王红，黄传军，李来凤，等。 (2009) 超导高梯度磁分离造纸厂废水处理。 西南大学学报，3，61-66。

笔记

*通讯作者。