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，但按其在外磁場作用下的特性可分為三類。

①鐵磁性物質，這類物質在外磁場作用下能迅速達到磁飽和，磁化率大于零并和外磁場強度呈復雜的函數關系，離開外磁場后有剩磁。

②順磁性物質，磁化率大于零，但磁化強度小于鐵磁性物質，在外磁場作用下，表現出較弱的磁性，磁化強度和外磁場強度呈線性關系，只有在溫度低于4K時才可能出現磁飽和現象。

③反磁性物質，磁化率小于零，在外磁場作用下逆磁場磁化，使磁場減弱。各種物質的磁性差異正是磁分離技術的基礎。

2.6.2　技術與裝備

水中顆粒狀物質在磁場里要受磁力、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；按產生磁場的方法可分為永磁磁分離和電磁磁分離（包括超導電磁磁分離）；按工作方式可分為連續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處理方法。

當介質的物性一定時，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。當顆粒在水中以50cm/s的速度運動時，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磁場，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，當廢水通過磁場后，由于磁性顆粒有一定的矯頑力，因此能繼續產生凝聚作用。

磁凝聚裝置由磁體和磁路構成。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動的磁盤上，隨著磁盤的轉動，將泥渣帶出水面，經刮泥板除去，盤面又進入水中，重新吸著水中的顆粒。

磁盤吸著水中顆粒的條件是：a.顆粒磁性物質或以磁性物質為核心的凝聚體，進入磁盤磁場即被磁化，或進入磁盤磁場之前先經過預磁化；b.磁盤磁場有一定的磁力梯度。

作用在磁性顆粒上的力除磁力外，還有粒子在水中運動時受到運動方向上的阻力。

為了提高處理效果，應提高磁場強度、磁力梯度和顆粒粒徑。磁盤設計時，當磁場強度和磁力梯度確定后，只有依靠增加顆粒的直徑來提高去除效率。因此，磁盤經常和磁凝聚或藥劑絮凝聯合使用。廢水在進入磁盤前先投加絮凝劑或預磁化，或者兩者同時使用。同時使用時，應先加絮凝劑，再預磁化，預磁時間0.5～1s，預磁磁場強度0.05～0.1T（500～1000Gs）。

磁盤的構造如圖2-27所示。

（3）高梯度磁過濾法

磁過濾是靠磁場和磁偶極間的相互作用。磁偶極本身會使磁場內的磁力線發生取向，當與磁力線不平行時，磁偶極就受到轉矩的作用，如果磁場存在梯度，偶極的一端會比另一端處于更強的磁場中并受到較大的力，其大小和磁偶極距及磁場梯度成正比。

磁場中磁通變化越大，也就是磁力線密度變化越大，梯度也就越高。高梯度磁過渡分離就是在均勻磁場內，裝填表面曲率半徑極小的磁性介質，靠近其表面就產生局部性的疏密磁力線，從而構成高梯度磁場。因此，產生高梯度磁場不僅需要高的磁場強度，而且要有適當的磁性介質。可用作介質的材料有不銹鋼毛及軟鐵制的齒板、鐵球、鐵釘、多孔板等。

對介質的要求是：a.可以產生高的磁力梯度；b.可提供大量的顆粒捕集點；c.孔隙率大，阻力小，廢水方便通過，不銹鋼毛一般可使孔隙率達到95%；d.矯頑力小，剩磁強度低，退磁快，在除去外磁場后介質上的顆粒易于沖洗下來；e.具有一定的機械強度和耐腐蝕性，沖洗后不應產生妨礙正常工作的形變，如折斷、壓實等。

高梯度磁分離器是一個空心線圈，內部裝一個圓筒狀容器，容器中裝有填充介質用以封閉磁路，在線圈外有作為磁路的軛鐵，軛鐵用厚軟鐵板制成，以減少直流磁場產生的渦流。為使圓筒容器內部形成均勻磁場固定填充介質，在介質上下兩端設置磁片。高梯度磁分離器的構造如圖2-28所示。

（4）超導磁分離裝置

超導體在某一臨界溫度下，具有完全的導電性，也就是電阻為零，沒有熱損耗，因此可以用大電流從而得到很高的磁場強度，如用超導可獲得磁場強度為2T的電磁體。此外，超導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獲得外，還可以利用電流分布不同得到。

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

超導磁過濾器的構造如圖2-29所示。

水從下方進入裝有介質的濾筒，濾速180m/h，磁體由液氮制冷系統冷卻。

特點：a.可獲得很高的磁場強度和磁力梯度；b.電磁體不發熱，電耗少，運行費用低，可制成連續工作的磁過濾器。

2.6.3　應用與設計

（1）磁凝聚法

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

磁凝聚裝置每一側的磁塊同極性排列，一側為N極，另一側為S極，構成均勻的磁場。為了防止磁體表面大面積積污，堵塞通路，廢水通過磁場的速度應大于1m/s。廢水在磁場中的停留時間僅需1s。停留時間與剩余懸浮物的關系如圖2-31所示。

（2）磁盤法

①磁盤設計要求如下。

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

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

3）磁盤表面磁場強度應在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）磁盤每兩片間的間距取決于磁力作用深度。磁盤表面的磁場強度為0.065T時，作用深度為25mm；0.095T時，為35～40mm；0.1～0.115T時，為40～50mm。因此，磁盤表面磁場強度為0.05～0.08T時，盤間距為50mm；0.08～0.1T時為60～70mm；0.11～0.15T時，為70～80mm。設計時可用試驗確定。

5）磁盤轉速為0.5～2r/min，轉速過快，泥的含水率增加，處理率降低。

②磁盤法的特點如下。

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

2）占地面積小，污泥含水率低，易脫水。

（3）高梯度磁過濾法

高梯度磁分離器設計注意事項如下。

①磁場強度　所需磁場強度根據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，磁場強度至少達到0.5T以上，如果投加磁性種子，則要求達到0.3T左右。

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

③介質的懸浮物（SS）負荷　分離器隨著工作時間的增長，磁性顆粒會逐漸聚積在介質內，堵塞水流通道，減少捕集點，使分離效率下降。分離效果降到允許的下限值時，捕集顆粒的總量（干燥時的質量）和介質的體積比稱為介質的SS負荷Q：

當顆粒為強磁性物質時，Q為5～7g/cm³；顆粒為順磁體時，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強度決定。

物質的磁性強度可由磁化率表示，一些物質的磁化率見表2-7。