高梯度磁分離法的工業(yè)應(yīng)用研究

王軍，郭軍剛，范崢

(1.陜西華光實(shí)業(yè)有限公司，陜西華縣714102)

(2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西西安710077)

(3.西北大學(xué)化工系，陜西西安710069)

高梯度磁分離法是指利用磁場中磁化基質(zhì)的感應(yīng)磁場和高梯度磁場所產(chǎn)生的磁力從反應(yīng)體系中分離出目標(biāo)產(chǎn)物的一種方法。高梯度磁分離法最早出現(xiàn)在20世紀(jì)早期，但是由于在當(dāng)時(shí)的條件下磁分離器所能達(dá)到的磁場強(qiáng)度和梯度還比較低、磁場強(qiáng)度也不能改變等缺點(diǎn)使得高梯度磁分離法的應(yīng)用受到了一定程度的限制，發(fā)展比較緩慢。然而，隨著高梯度磁分離技術(shù)的改進(jìn)和完善，電磁分離器的磁場梯度得到了大大提高，分離能力也得到了明顯的增強(qiáng)，高梯度磁分離法開始逐漸受到世界各國的普遍關(guān)注和高度重視，理論研究不斷深化。由于與傳統(tǒng)的分離方法相比，高梯度磁分離法具有工藝簡便、設(shè)備緊湊、效率高、速度快、成本低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此，它被廣泛地應(yīng)用于能源、化工、生物、醫(yī)藥、冶煉、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。

1 研究背景

磁是一種非常普遍的現(xiàn)象，在我們的日常生活中隨處可見，無論是電子元件、通訊器材，還是電氣設(shè)備、工業(yè)裝置，都可以看到磁效應(yīng)和磁性材料的身影。磁分離作為磁技術(shù)的重要應(yīng)用，一直以來便是人們爭先研究的焦點(diǎn)。

有關(guān)磁分離的第一項(xiàng)英國專利是1792年富拉頓用來精選鐵礦的，不久，美國也發(fā)表了一項(xiàng)工業(yè)磁選機(jī)專利［1］。從電磁式弱磁場選礦過渡到永磁式選礦這一歷史性跨越標(biāo)志著磁分離技術(shù)在發(fā)達(dá)國家選礦領(lǐng)域已經(jīng)日臻成熟，感應(yīng)輥式強(qiáng)磁選機(jī)作為上世紀(jì)20年代強(qiáng)磁選機(jī)家族的杰出代表，應(yīng)用最為廣泛，但遺憾的是這種強(qiáng)磁選機(jī)只有一個(gè)分選面，結(jié)構(gòu)笨重且成本較高。60年代末，麻省理工學(xué)院磁體實(shí)驗(yàn)室科姆教授成功研制了第一臺(tái)高梯度磁選設(shè)備，并提出了無鐵芯高梯度磁選專利［2］，它巧妙地把鐵軛包在線圈外部從而構(gòu)成磁路，利用線圈內(nèi)腔作為分離空間，這就極大地提高了單位重量磁分離器的處理能力，此外，它還把不銹鋼導(dǎo)磁材料作為聚磁介質(zhì)，使其在微小空間中出現(xiàn)較高的磁場梯度，使得弱磁性的微細(xì)顆粒甚至半膠體顆粒得到高效去除。70年代初，科姆和馬斯頓合作研制的世界上第一臺(tái)工業(yè)生產(chǎn)用高梯度分離器一經(jīng)出現(xiàn)［3］，就以其體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、處理量大、維護(hù)容易、適應(yīng)范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)，使傳統(tǒng)的磁分離技術(shù)發(fā)生了重大變革。迄今為止，科姆－馬斯頓型高梯度磁分離器已被成功地應(yīng)用于諸多科學(xué)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中，取得了令人滿意的效果。

2 基本原理

高梯度磁分離器通常由軛鐵、電磁線圈和裝填不銹鋼毛的分離容器組成。通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁場，流過分離器的磁性顆粒在磁場中受到磁力的作用，被鋼毛基質(zhì)捕獲。分離器的磁場力愈強(qiáng)，捕獲磁性顆粒的可能性就愈大。理論上，磁性顆粒所受的磁場力Fm同磁場強(qiáng)度H、磁場強(qiáng)度梯度磁性顆粒的磁化率x和體積V等呈正相關(guān)關(guān)系［4］：

從上式可以看出，對于一定粒度的顆粒(V一定)來說，增大這3個(gè)參數(shù)中的任何一個(gè)都可以增大磁場力Fm。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，由于增大磁場強(qiáng)度H要耗費(fèi)大量電能，而提高磁性顆粒的磁化率x則受到材料特性的約束，因此，增大磁場力Fm往往通過增大磁場強(qiáng)度梯度的方法來實(shí)現(xiàn)［5］。

磁場強(qiáng)度梯度是指單位距離的磁場強(qiáng)度變化，它的產(chǎn)生主要依靠分離器中的填料來實(shí)現(xiàn)［6］。其方法通常是在強(qiáng)磁場的N極和S極之間投加大量100 μm左右的不銹鋼毛，使磁力線的疏密程度發(fā)生較大變化，從而構(gòu)成高梯度磁分離空間［7］。當(dāng)含有磁性懸浮微粒的反應(yīng)體系通過高梯度磁分離器時(shí)，磁性顆粒便會(huì)被截留下來，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的分離。

3 工業(yè)應(yīng)用

3.1 在廢水處理中的應(yīng)用

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，對水的需求量也在以驚人的速度增加。因此，合理地節(jié)約用水、降低水消耗和進(jìn)行污水處理是解決目前水資源短缺、水資源利用率低的一項(xiàng)重大課題。由于傳統(tǒng)的化學(xué)水處理方法不僅需要消耗大量的化學(xué)藥品，而且其反應(yīng)產(chǎn)物還可能造成二次污染［8］，因此，高梯度磁分離法作為近代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，在處理工業(yè)用水方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和強(qiáng)大的生命力。

周彤等［9］通過高梯度磁分離法對開山屯化學(xué)纖維槳廠的紙漿廢水進(jìn)行處理，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。黃自力等［10］研究了通過添加磁種和混凝劑，用高梯度磁分離技術(shù)去除污水中正磷酸鹽污染物的方法，并對其一系列工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的討論。儲(chǔ)著瑋等［11］利用高梯度磁分離技術(shù)簡易、快速地回收酸性洗銅廢水中的有價(jià)金屬銅，并討論了萃取劑、酸度、填充密度以及流速對回收效率的影響。姚曄棟等［4］研究了利用高梯度磁分離法處理含油廢水的基本原理和工藝條件，并指出當(dāng)廢水含油量wo，in=(120～700)×10－6，wCOD，in=2.1×10－3時(shí)，利用高梯度磁分離法可使油和化學(xué)需氧量的去除率均達(dá)到80%左右。

糖蜜酒精廢水作為大型綜合性糖廠排放的主要污染物，一直以來便是制糖工業(yè)面臨的一個(gè)棘手問題。糖蜜酒精廢水是高濃度有機(jī)廢水，其污染物主要包括懸浮在廢水中的固體不溶物、油脂、蛋白質(zhì)、淀粉、膠體，溶解在水中的糖、酸、堿、鹽以及可能存在的病毒、病菌等。由于糖蜜酒精廢水中主要含有一些有機(jī)物質(zhì)，磁性很弱，幾乎不具有磁性，不能直接采用高梯度磁分離法對其進(jìn)行分離，因此，只有向溶液中投加適量的"磁種"才能增加體系的磁化率，有效地降低糖蜜酒精廢水的色度、濁度以及化學(xué)需氧量。鄭必勝等［12］通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，糖蜜酒精廢水的處理和"磁種"的再生可以通過調(diào)節(jié)溶液的pH值來進(jìn)行控制，并指出糖蜜酒精廢水處理的最佳pH值為5左右，而"磁種"再生的最佳pH值則為11左右，從而為糖廠解決廢水污染、促進(jìn)綜合利用提供了詳細(xì)的科學(xué)依據(jù)。

3.2 在礦產(chǎn)分選中的應(yīng)用

礦產(chǎn)資源作為人類社會(huì)最重要的物質(zhì)生產(chǎn)資料之一，一直以來便是國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈上最重要第一環(huán)。由于我國礦產(chǎn)資源普遍存在著單一礦少、綜合礦多的復(fù)雜局面，假如繼續(xù)沿用過去那種單一開發(fā)、丟棄其他的落后開采方式，必將導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染和自然資源的極大浪費(fèi)。因此，利用高梯度磁分離技術(shù)對礦產(chǎn)進(jìn)行有效的分選不僅能夠提高礦產(chǎn)資源的品位，同時(shí)，還可以變廢為寶，提高礦產(chǎn)資源的綜合利用率。

朱友益等［13］在原礦含鐵33.53%、細(xì)度小于0.074 mm占70%的條件下，通過永磁立環(huán)高梯度磁選機(jī)對酒鋼樺樹溝鐵礦的弱磁性鐵礦物進(jìn)行了分選，并使分選后的精礦品位達(dá)47.54%、回收率達(dá)71.50%。贛州精選廠使用高梯度磁分離法對黑、白鎢混合精礦進(jìn)行分離，使黑鎢精礦WO3品位達(dá)到62.41%，黑鎢礦的總回收率達(dá)到81.06%［14］。瑞典加爾彭貝里精選廠利用高梯度磁分離技術(shù)從鉛精礦中回收銅，韶關(guān)精選廠用高梯度磁選機(jī)從鉬精礦脫銅［15］，而墨西哥科拉韋拉州的赫爾庫萊斯鐵礦則使用高梯度永磁磁選機(jī)從尾礦中回收了大量的含鐵礦物［16］。

3.3 在固體廢料回收中的應(yīng)用

目前，工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中丟棄的固體廢料主要包括工業(yè)廢渣、廢機(jī)動(dòng)車輛、廢電子電器產(chǎn)品、城市垃圾及其焚燒渣等。利用高梯度磁分離技術(shù)對固體廢料中的有用部分進(jìn)行分離和回收，不僅能夠極大地節(jié)約成本，提高資源利用率，同時(shí)還可以起到保護(hù)環(huán)境、減少污染的重要作用。例如，德國Schmclzer［15］經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，城市廢料垃圾焚燒后產(chǎn)生的固體廢渣經(jīng)破碎、篩分和磁選后可以得到大量的磁性產(chǎn)物和有色金屬物料。

4 結(jié)論

高梯度磁分離法是一種新興的分離技術(shù)，它對于處理廢水中的磁性物質(zhì)而言，具有工藝簡便、設(shè)備緊湊、效率高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但由于其增加了"磁種"的投加、分離和再生等操作步驟，從而使得工藝過程復(fù)雜化，成本也相應(yīng)提高［6］。目前，超導(dǎo)高梯度磁分離法作為新一代的高梯度磁分離技術(shù)，正以其耗電少、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)吸引著人們的廣泛關(guān)注［17，18］。高梯度磁分離法作為分離科學(xué)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)之一，其主要的發(fā)展方向是開發(fā)新的"磁種"類型，探索"磁種"的分離和再生技術(shù)以及研究減少高梯度磁分離法電耗和提高處理效率的方法等［19］。相信在不遠(yuǎn)的未來，高梯度磁分離法必將迎來一個(gè)更加美好的明天。

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