磁介質(zhì)易磁化特性在水處理中的應(yīng)用

陳 立，易 洋，唐珍建，任成全

（中建環(huán)能科技股份有限公司，四川 成都 610045）

引言

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)是在傳統(tǒng)混凝沉淀、高密沉淀和加沙沉淀等傳統(tǒng)處理工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。通過引入比重大、可高效回收的磁性微粒（磁介質(zhì)），先利用混凝劑改變?cè)心z體的表面性質(zhì)，促進(jìn)以磁介質(zhì)作為晶核進(jìn)行凝聚，并在助凝劑的作用下使絮團(tuán)聚集增大[1]。比重為4.5～5的磁介質(zhì)會(huì)使生成的絮體密度更大，起到重力助沉的作用，使其在沉淀池中快速沉降，從而實(shí)現(xiàn)固液快速分離、凈化污水的目的。

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)因具有速度快、效率高、占地面積小、投資小等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，在市政污水處理廠提標(biāo)改造和工業(yè)除磷等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。

磁介質(zhì)是一種具有穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)的鐵磁性微米級(jí)顆粒物，其主要成分為四氧化三鐵（Fe3O4）[3]，作為實(shí)施磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的重要載體，其特性對(duì)于磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的應(yīng)用效果具有決定性作用。目前人們對(duì)磁介質(zhì)的特性多關(guān)注于磁性物含量和粒徑等參數(shù)，而對(duì)于磁介質(zhì)易磁化特性及其應(yīng)用尚未進(jìn)行研究。

1 磁介質(zhì)易磁化特性的研究

不同粒徑的磁介質(zhì)粉末通常具有不同的性質(zhì)，一般來說，納米級(jí)磁介質(zhì)具有超順磁性，超順磁性就是當(dāng)撤去背景磁場(chǎng)后，納米顆粒的剩余磁化強(qiáng)度也就趨于零。這是因?yàn)椋?dāng)磁介質(zhì)尺寸較小時(shí)，各方向異性減弱到與熱運(yùn)動(dòng)能可以相比擬，磁化方向也就沒有固定的易磁化方向，從而做無規(guī)律變化，因此也就有了超順磁性。

當(dāng)微米級(jí)磁介質(zhì)的尺寸大于超順磁性的臨界尺寸時(shí)，一般情況下會(huì)呈現(xiàn)出較大的矯頑力，因此會(huì)具有磁滯效應(yīng)，簡(jiǎn)稱為磁滯[4]。

鐵磁性物質(zhì)的磁化存在明顯的不可逆性，當(dāng)微米級(jí)磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中達(dá)到飽和狀態(tài)后，如果將背景磁場(chǎng)強(qiáng)度由最大值逐漸減小，鐵磁性物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度并不會(huì)按照原來的途徑返回，而是比原來的曲線略高，即鐵磁性物質(zhì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化會(huì)滯后于外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。也就是說，當(dāng)背景磁場(chǎng)施加于鐵磁性物質(zhì)時(shí)，其原子的偶極子將按照外加場(chǎng)自行排列，即使當(dāng)背景磁場(chǎng)被撤離后，部分排列仍然會(huì)保持原來的狀態(tài)，即鐵磁性物質(zhì)被磁化后，其磁性會(huì)繼續(xù)保留一段時(shí)間，而且鐵磁性物質(zhì)的磁化程度也與背景磁場(chǎng)和磁化時(shí)間成正比[5]。

從理論上分析，對(duì)于結(jié)構(gòu)固定的磁回收機(jī)，其背景磁場(chǎng)越高，所提供的磁場(chǎng)力越大，得以回收的細(xì)顆粒磁介質(zhì)也就越多，磁介質(zhì)的回收率也就會(huì)越高。

因此，在混凝過程中，微米級(jí)磁介質(zhì)被磁化后的剩余磁化強(qiáng)度能夠促使磁介質(zhì)顆粒之間相互吸引，這種現(xiàn)象對(duì)混凝效果及節(jié)省藥劑是非常有利的。

但是從另一方面看，如果外加磁場(chǎng)過大，或者磁化時(shí)間過長(zhǎng)，將會(huì)導(dǎo)致鐵磁性物質(zhì)經(jīng)磁化后的剩余磁化強(qiáng)度過大（表征為鐵磁性物質(zhì)相互吸引力過大），這樣又會(huì)形成混凝攪拌提供的能量不足以破壞“磁鏈”的現(xiàn)象[6]，這種現(xiàn)象如圖1所示，因而使磁介質(zhì)出現(xiàn)“抱團(tuán)”現(xiàn)象，不能充分分散與微小絮團(tuán)的結(jié)合，這對(duì)混凝效果非常不利。所以確保磁介質(zhì)回收率、降低磁介質(zhì)的損失，同時(shí)合理控制磁介質(zhì)的磁化，使之形成磁滯而又不會(huì)形成磁鏈，并強(qiáng)化混凝的效果，將是我們今后研究的重點(diǎn)。

圖1 “磁鏈”現(xiàn)象

2 背景場(chǎng)強(qiáng)與磁介質(zhì)回收率之間的關(guān)系

為了考察磁介質(zhì)回收率與背景場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系，依據(jù)磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)工程應(yīng)用參數(shù)，采用磁性物含量為97.51%、粒徑范圍在120～200目、占75.81%的磁介質(zhì)，通過添加粉煤灰，按磁介質(zhì)：粉煤灰為2：1的比例配置成濃度為0.6%的漿料，采用不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的滾筒式磁選機(jī)考察磁介質(zhì)回收率。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 背景場(chǎng)強(qiáng)與磁介質(zhì)回收率之間的關(guān)系

通過圖2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)于滾筒式磁選機(jī)而言，背景場(chǎng)強(qiáng)由120 mT提高到600 mT時(shí)，磁介質(zhì)的回收均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，也就是說對(duì)于結(jié)構(gòu)相同的磁回收機(jī)結(jié)構(gòu)，其背景磁場(chǎng)越大，所能提供的用于吸附磁介質(zhì)的磁場(chǎng)力也越大，磁介質(zhì)回收率就越高。但是當(dāng)背景場(chǎng)強(qiáng)由120 mT提高到430 mT時(shí)，磁介質(zhì)回收明顯上升；磁回收機(jī)背景場(chǎng)強(qiáng)由430 mT提高到600 mT，磁介質(zhì)回收率的提升幅度很小，相對(duì)于永磁體的采購成本，性價(jià)比很低，因而確定對(duì)于回收特定物理特性的磁介質(zhì)最佳背景場(chǎng)強(qiáng)以430 mT為宜。

3 特定背景場(chǎng)強(qiáng)磁化時(shí)間對(duì)磁介質(zhì)磁化程度的影響

為了分析特定背景場(chǎng)強(qiáng)磁化時(shí)間與磁介質(zhì)磁化程度的關(guān)系，可以利用多維高精度數(shù)字化測(cè)磁系統(tǒng)對(duì)磁化之后磁介質(zhì)的剩余磁化強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)觀察是否會(huì)出現(xiàn)磁鏈現(xiàn)象。結(jié)果如表1所示。

表1 磁化時(shí)間與磁介質(zhì)剩余磁化強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

通過表1所示結(jié)果和現(xiàn)象，在背景場(chǎng)強(qiáng)為430 mT的條件下，磁介質(zhì)磁化時(shí)間為2.0 s、剩余磁化強(qiáng)度為1.43 mT時(shí)，磁介質(zhì)尚未出現(xiàn)磁鏈現(xiàn)象，但磁化時(shí)間為2.5 s，剩余磁化強(qiáng)度為2.87 mT時(shí)，磁介質(zhì)開始出現(xiàn)磁鏈現(xiàn)象，也就是說 在背景磁場(chǎng)為430 mT的條件下，磁介質(zhì)的最佳磁化時(shí)間為2 s，此時(shí)磁介質(zhì)剩余的磁化強(qiáng)度為1.43 mT，而磁介質(zhì)磁化時(shí)間超過2 s，剩余磁化強(qiáng)度就會(huì)導(dǎo)致磁鏈的形成。

4 磁回收設(shè)備對(duì)磁介質(zhì)的磁化控制

通過上述研究，磁介質(zhì)磁化條件為背景場(chǎng)強(qiáng)為4 300 Gs，磁化時(shí)間為2 s，結(jié)合磁回收機(jī)分選槽液位高低，確定磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)專用磁回收機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

4.1 磁回收機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)

確定磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)專用磁回收機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 磁回收機(jī)磁滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)專用磁回收機(jī)磁滾筒，環(huán)向上分為作用區(qū)、輸送一區(qū)、輸送二區(qū)、輸送三區(qū)和卸渣區(qū)，各區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度依次降低：作用區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度為430～450 mT，磁包角為120°，確保作用區(qū)覆蓋分選槽，有利于磁介質(zhì)的捕獲；輸送一區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度為320～350 mT，磁包角為60°；輸送二區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度在230～250 mT之間，磁包角為30°；輸送三區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度在140～160 mT之間，磁包角為30°，在磁介質(zhì)輸送至卸渣區(qū)的過程中，弱化背景磁場(chǎng)對(duì)磁介質(zhì)的磁化作用，防止磁介質(zhì)在再利用過程中由于磁化形成磁鏈；卸渣區(qū)零磁場(chǎng)區(qū)，有利于磁介質(zhì)的卸除，確?；厥沾沤橘|(zhì)過程中能對(duì)磁介質(zhì)進(jìn)行適當(dāng)磁化而又不會(huì)過度磁化，在降低磁介質(zhì)損耗的同時(shí)，利用磁介質(zhì)的磁化能夠保持部分“剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度”，在這部分“剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度”產(chǎn)生的磁場(chǎng)力作用下，促進(jìn)了含有磁介質(zhì)的微絮體聚集，有助于形成較大且致密的絮體，從而提高混凝效果。同時(shí)，磁滾筒永磁體采用磁體環(huán)向同極、軸向S-N交替布置或者磁體軸向同極、環(huán)向S-N交替布置，既能保證永磁體作用表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的均勻性，使得吸附于表面的磁介質(zhì)不被水力沖落，又能保證永磁體作用表面磁場(chǎng)強(qiáng)度的作用深度，從而有利于細(xì)粒級(jí)磁介質(zhì)的吸附。

4.2 磁回收機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速

前已述及，磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)專用磁回收機(jī)磁滾筒作用區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為430～450 mT時(shí)，磁介質(zhì)最佳磁化時(shí)間為2 s，同時(shí)結(jié)合作用區(qū)磁包角為120°，即可確定磁回收機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速以10 r/min為宜。

5 磁介質(zhì)磁化對(duì)混凝效果的影響

為了考察磁介質(zhì)磁化對(duì)混凝效果的影響，我們采用未經(jīng)磁化、適度磁化和過度磁化三種磁介質(zhì)作為加載體，進(jìn)行燒杯試驗(yàn)，并采用絮體分形維數(shù)[7]作為混凝效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

取黑臭河原水水樣，在相同攪拌條件下，加入相同劑量的PAC，快速攪拌30 s，加入相同量的上述三種磁介質(zhì)，攪拌90 s，測(cè)量并計(jì)算相應(yīng)的分形維數(shù)df。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 磁介質(zhì)磁化對(duì)混凝效果的影響

通過表2試驗(yàn)結(jié)果分析，以適度磁化的磁介質(zhì)為加載體，絮體的分形維數(shù)最大，其原因可以將磁滯效應(yīng)與絮凝動(dòng)力學(xué)結(jié)合進(jìn)行分析：首先，主要是在攪拌作用下運(yùn)動(dòng)，磁介質(zhì)增強(qiáng)了水中顆粒間的碰撞機(jī)會(huì)，促進(jìn)了顆粒和膠體的互相吸引；其次，在磁場(chǎng)力的作用下，促進(jìn)了含有磁介質(zhì)的微絮體聚集，易于形成粒徑較大且致密的絮體；再次，磁介質(zhì)剩余磁化強(qiáng)度能使絮體結(jié)合更緊密、強(qiáng)度更大，使得絮體強(qiáng)度、密度和體積均大于非磁化混凝絮體，且絮體的穩(wěn)定分布階段，更耐水力剪切力，不易被打碎。而以過度磁化的磁介質(zhì)為加載體，相對(duì)于未經(jīng)磁化，絮體的分形維數(shù)還要小，可以理解為前者絕大部分磁介質(zhì)形成磁鏈，并未以分散狀態(tài)參與混凝反應(yīng)，反而減弱了水中顆粒間的碰撞機(jī)會(huì)，妨礙了顆粒和膠體的互相吸引，導(dǎo)致前者形成的絮體密度和體積較后者小。

6 結(jié)論與建議

（1）在磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)混凝過程中，微米級(jí)磁介質(zhì)適當(dāng)磁化后的剩余磁化強(qiáng)度能促使磁介質(zhì)顆粒相互吸引，可以提高混凝效果并節(jié)省藥劑。但是如果鐵磁性物質(zhì)經(jīng)磁化后的剩余磁化強(qiáng)度過大，又會(huì)形成混凝攪拌提供能量不足以破壞“磁鏈”的現(xiàn)象，使得磁介質(zhì)“抱團(tuán)”，不能充分分散與微小絮團(tuán)的結(jié)合，從而對(duì)混凝效果產(chǎn)生不利影響。

（2）對(duì)于磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)的磁介質(zhì)，性價(jià)比最佳的回收背景場(chǎng)強(qiáng)為430 mT左右。

（3）在背景磁場(chǎng)為430 mT的條件下，磁介質(zhì)最佳磁化時(shí)間為2 s，此時(shí)磁介質(zhì)的剩余磁化強(qiáng)度為2.87 mT，磁介質(zhì)磁化時(shí)間超過2 s，剩余磁化強(qiáng)度就會(huì)導(dǎo)致磁鏈的形成。

（4）結(jié)合磁回收機(jī)分選槽的結(jié)構(gòu)，確定作用區(qū)磁包角為120°，進(jìn)一步確定磁回收機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速以10 r/min為宜。

（5）在磁介質(zhì)混凝沉淀技術(shù)中，以適度磁化的磁介質(zhì)為加載體，可以起到強(qiáng)化混凝效果的作用。