收稿日期:2004-09-21
基金项目：天津市自然科学基金(项目编号:033603611)。作者简介：贾 亮(1980-)，男，河北石家庄人，硕士研究生。联系人：贾绍义，电话:(022)87401961。
文章编号:1004-9533(2006)01-0059-06
贾 亮，李 真，贾绍义
(天津大学化工学院，天津300072)
摘要：磁化技术是一门新兴的科学技术，将磁化技术应用于工业水的处理，是近年来的热门研究课
题。本文在介绍了磁化分离技术的原理及分类、磁化水的性质和磁化分离特点的基础上，对近年来所研究开发的磁化处理工业水技术及其应用作了较为详细的介绍与评述。关键词：磁化技术；水处理；磁场中图分类号:T Q02818 文献标识码:A Applications of Magnetization T echnology in the T reatment
of I ndustrial W aste w ater
J I A Liang ,LI Zhen ,J I A Shao 2yi
(School of Chemical Engineering and T echnology ,T ianjin University ,T ianjin 300072,China )
Abstract :Magnetization technology is a newly arisen technology.Applying the magnetization technology in the processing of industrial wastewater is a popular research topic in recent years.The m ore detailed introduction and comments are given in this paper to the technology of magnetic treatment of industrial wastewater and its applications in recent years ,through introducing the principle and classification of technology of magnetic separation ,property of magnetic water and characterstics of magnetic separation.K ey w ords :magnetization technology ;water treatment ;magnetic field
随着工农业生产的发展，对水的用量以惊人的速度增长。合理地节约用水、，降低水耗和污水处理并回用，是综合利用水资源的一项重大课题。处理水的传统化学方法，不仅消耗化学药品，而且化学反应产物还可能造成二次污染，采取强磁技术处理工业用水则显示出突出的优点和强大的生命力。
磁场处理水的技术是近代发展起来的一门新兴科学技术，磁处理水的研究始于20世纪40年代。1945年比利时人Vermefiven T 应用水的磁化处理锅炉用水，并且获得了专利[1]
。20世纪中叶起，美国、原苏联及日本等国掀起了“磁处理研究”热潮。磁分
离技术首先应用于选矿和瓷土工业。20世纪60年
代末，前苏联开始用磁凝聚法处理钢铁厂的除尘废水。1970年美国研究用磁絮凝法处理钢铁、食品、
化工和造纸等工业废水[2]
。纽约的倍谢姆钢铁厂安装了磁分离设备。1974年瑞典等国开始用磁盘法处理轧钢废水。1976年日本用磁盘法处理平炉、转炉除尘污水，均取得良好效果。1977年美国和日本等国用高梯度磁过滤器处理钢铁工业废水，在滤速达170m Πh 的情况下，出水悬浮物<15mg ΠL 。近几年来，我国在这方面的研究也很活跃。
2006年1月Jan.2006 化 学 工 业 与 工 程CHE MIC A L I NDUSTRY AND E NGI NEERI NG 第23卷 第1期
V ol.23 N o.1
1 磁化分离技术的原理及分类
利用元素或组分磁敏感性的差异，借助强磁场来强化分离操作是近几年发展起来的一种新兴分离技术。随着强磁场、高梯度磁分离技术的进展，磁分离技术的应用范围日益扩大。诸如用于矿物分选、乳浊液分离、反应触媒氧化钴和镍的分离回收、磁性制氧以及传质单元操作中的吸收、吸附、萃取、结晶、精馏等[3]。
磁场作为一种场，几乎对一切处于磁场内部的物质都产生磁化作用，产生了附加磁场，附加磁场与原磁场的叠加，使得空间位置上的实际磁场发生了变化，而所谓磁场的叠加，就是磁感应强度作为矢量的相加，这种叠加的结果可以根据磁介质的相对磁导率来进行分类:1)顺磁质：分子的固有磁矩不为零(线性磁介质)———每个分子中的各电子的运动对外总的磁效应可等效一个小环形电流(形成分子固有磁矩)。顺磁质的相对磁导率稍微大于1。2)抗磁质：分子的固有磁矩为零(线性磁介质)———每个分子中的各电子的运动对外总的磁效应为零(形成分子固有磁矩为零)。抗磁质的相对磁导率稍微小于1。3)铁磁质：铁磁质的相对磁导率极大。
磁化分离法按装置原理可分为磁凝聚分离、磁盘分离和高梯度磁分离法3种。按产生磁场的方法可分为永磁磁分离和电磁分离(包括超导电磁磁分离)；按工作方式可分为连续式磁分离和间断式磁分离；按颗粒物去除方式可分为磁凝聚沉降分离和磁力吸着分离。
2 磁化水的性质和磁化分离的特点
大量的研究结果表明，经过磁化处理可使水的物化性质(如折射率、电导率、介电常数、表面张力、离子水合作用、粘度以及红外吸光谱等)发生变化[4]；磁化处理对溶解、结晶、聚合作用、湿润性、凝聚作用、，蒸发以及凝固也有影响[5]；磁化处理可使水系统显著活化，并能影响化学反应的动力学过程[6]；磁处理对杀菌、促进植物生长、心血管系统疾病等效果更为明显[7]。实验研究还发现，磁场对水系统的作用具有明显的记忆效应[8]。
磁化分离技术的特点[9,10]是:1)处理废水速度快，能力大，效率高，出水水质稳定。其过滤速度通常为100mΠh～500m/h，有时可达到1000m/h。处理量是快速过滤法的20倍～40倍，是混凝沉淀法的400倍～700倍。每小时废水处理量可达几十至几百立方米。2)设备简单，建造和运行费用低，操作容易，维修管理方便，占地面积小。3)适宜处理悬浮粒径为微米级的低浓度废水，且水温及气候变化不影响处理效果。4)磁化处理可以减少或者不使用化学药品，消除二次污染。
3 磁化技术在工业水处理中的应用
311 在除垢、防垢方面的应用
国外，磁化水防垢处理技术开始于上世纪40年代。而在我国,50年前就开始了这方面的研究工作。
自从Vermedven T于1945年获得第一个使用磁技术以减少锅炉水垢生成的专利(NO1460560)以来，磁
化技术除垢、防垢的技术和设备已普遍用于锅炉用水处理、各种热交换器等许多方面。通常所用磁处理系统有永磁式和电磁式两种类型。永磁式因其不需消耗能源，使用简便，且运行成本较低，因而被较多地用于工业及民用给水系统中。目前，英、美等国家的很多公司均生产磁处理装置。挪威的P olar 公司已为全球400多家船务公司的20000多艘船舶及日本、欧洲等国家的各种工厂水系统提供了优质的磁气式水处理器(P.W.C)[11]。Baker J S等人的研究发现，只改善磁处理效果有时并不明显[12]。
G rutsch J F等研究发现，利用磁处理能成功地控制CaC O3和CaS O4垢的沉积[13]。前苏联的研究者将磁技术用于供暖系统等许多装置的冷凝器，发现不再形成污垢，早先形成的锅垢，则会溶解而被排出[14]。Paul Skeldon[15],Lucija Lipus[16]也分别就磁场对工业用水防垢做了研究。此外，国外学者对于磁场对金属管的防腐、防锈还作了不少研究。
1959年，我国生产出第一台永磁水处理器，随后经过多年研究和实践，磁处理水设备目前已在许多部门研究和使用。王瑞金报道了有关PMWP强磁水处理器的实验结果，发现其在一定条件下的阻垢能力明显优于电磁式和高频电场式阻垢器[17]。罗漫等[18]研究表明，磁场处理水阻垢率，随着硬度和碱度升高而下降，且存在最佳流速。中国科学院金属研究所等单位研制的BHC型磁防垢除垢器，集防垢、除垢功能于一体，也已成功用于热水锅炉等许
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化 学 工 业 与 工 程2006年1月
多方面。
杨祖荣等人对磁场除垢、防垢进行了研究，试验表明水经过高梯度磁场作用后，其水垢晶体结构变化较大。未经磁场作用的正交晶系占54%，单斜晶系占46%。而经磁场处理后，正交晶系明显下降，仅占17%，单斜晶系占83%，且其数值随磁场梯度的变化而变化。磁化的结果可以导致水垢结构疏松，易于除垢、防垢。此技术广泛用于锅炉供水。
赵国俊等人研究了一种新型磁化水装置，将其串联在软化水装置的阴阳树脂床前，使阴阳树脂的离子交换能力提高30%左右。产生这种效果的原因如下:1)通过适当强度及行程的磁场处理，由于受到洛仑兹力的作用，水分子链变小，活性增大，渗透能力提高，水和树脂的接触面增大，导致树脂的离子交换能力提高。2)水中的铁磁物质经过磁场处理之后被分离出来，相对增强了树脂离子交换能力。
3)水经过强磁场处理之后，破坏了水中微生物及细菌的生态环境，抑制了它们的繁殖，从而减轻了对树脂的污染，有利于树脂离子交换能力的提高。
强磁防垢除垢磁水器的设计始于1994年，是在研制“印染用水磁化处理器”及其它磁化产品的基础上进行的。依照磁化水除垢的原理和设计原则，同时吸收目前国内外已有磁化器装置的优点，何兴华[19]等人对样机进行了优化设计，研制出磁路结构独特的强磁防垢除垢磁水器系列产品。
312 在处理有机废水方面的应用
磁化处理与人工生态系统相结合净化有机废水的方法，其中磁化处理是一项关键技术。污水瞬间磁化处理可使C OD(化学需氧量)的值可下降20%左右，其后磁化引起的生态效应，促进了食物链的转化过程，又显著加快了后来的净化效果。雒文生等人[20]对有机废水处理做了试验研究，并对试验结果做了分析，得出以下结论:
1)有机废水磁化处理，在水体有氧条件下，污水瞬间通过合适的磁场(01315T～01368T)后，视水质成分的差异,C OD的值可下降8%～25%，且不受水温的影响，但是连续反复磁化，每次的去除率会随磁化次数急剧下降。实际应用初步表明，磁处理器相隔的水力滞留时间以2～3天为宜。磁化处理使C OD值下降的原因，是污水被磁化中产生的H2O2等强氧化剂所致，并非生物酶作用或有机物分子结合键直接断裂的结果。
2)厌氧条件下，污水磁化对C OD值的降低也很显著，试验表明，水温40℃在上述适宜磁场下，可使C OD的值比不磁化的下降21%～28%，但其机理尚需进一步研究。
3)污水磁化，直接灭菌率可达70%～80%(可能是形体很小的病毒、细菌等)，但不能使所有的微生物死亡，尤其功能微生物，生存下来的还会被激活，以更大的活力提高污水净化能力(初步实验约17%)。
4)磁化处理的污水，有利于菌藻系统生长和光合作用，可使水体产氧率和藻类(绿藻)生产力增加一倍之多，从而促进生物链对污水的净化作用。
5)磁化处理宜与人工生态系统联合使用，处理效率高，运行费用低，污水资源化和变废为宝，为可持续发展和推广展示了广阔的应用前景。
王祥三等人[21]对磁化处理污水的抑菌和灭菌作用，选用蒸馏水、生活污水及造纸废水，分别做了实验分析。实验数据表明，相同的稀释水，一个经过磁化处理，一个不经过磁化处理，用它们测定同一污废水BOD(生化需氧量)指标，会有不同的结果。当用被磁感应强度为0125T的永久性磁铁块处理7天的稀释水测定时,BOD值比对照组均偏大，经分析，认为造成这种结果的主要原因在于稀释水中细菌活性的影响。长时间的经过磁场作用后，部分细菌适应了外界磁场作用，这种作用包括外界磁场对其机体内外水分子以及酶的影响，具有更强的代谢活力，这些具有更强活力的菌种可以“食用”原先不能降解掉的一小部分有机污染物质，因此造成BOD 指标偏高，外界磁场的处理起到了对菌种筛选的作用。磁化处理灭菌的原因，可归纳为：一是在磁场的直接作用下，引起BOD、C OD降低，使异养微生物的能源和C素营养物质减少，导致水体异养菌死亡速度大于增殖速度，于是出现负增长现象。二是磁场力直接作用于细菌细胞内的水和酶，使酶钝化或失活。磁化处理具有杀菌效果，当磁感应强度加大到0121T(4A)以上，可以使70%以上的细菌死亡。
罗漫等人[22]对各种影响因素在动态磁化处理过程中的杀菌效果进行了较为深入的研究。发现磁化处理的杀菌率随pH值和温度的上升而提高,pH 值从615上升到910，杀菌率从8715%上升到9812%；水温从20℃上升到45℃，杀菌率从9112%上升到9712%；随着磁化处理时间的增加，杀菌率也随之提高。磁化处理时间从110h增加到810h，杀菌率从8816%上升到9710%；对含菌量较低的水
爆破片16
第23卷第1期贾 亮等：磁化技术在工业水处理中的应用
样，磁化处理的效果较为明显，而对含菌量较高的水样，磁化处理的效果并不显著，因而还需要结合其它方法来控制水中的细菌。
313 在处理钢铁工业废水方面的应用
钢铁工业废水中具有大量磁性微粒，可以直接用高梯度磁化分离法去除。20世纪60年代末，第一台高梯度磁选设备由麻省理工学院磁体实验室科姆教授研制成功，并申请了无铁芯高梯度磁选专利[23]。它把铁轭包在线圈外面构成磁路，利用线圈内腔作为分离空间，这就较大地提高了单位重量磁分离器的处理能力。20世纪70年代初，钢毛类微型聚磁介质与铁铠线圈相结合的K olm2Marston型现代高梯度磁分离器一经出现，就以体积小、效率高、结构简单、处理量大、维护容易、适应范围广等一系列
优点，使传统的磁分离发生了重大变革[24]。高梯度磁分离器以高饱和磁密不锈钢聚磁钢毛为基质。当废水中的污染物对钢毛的磁力作用大于其粘性阻力和重力作用时，污染物被截留在钢毛基质上，在切断磁路后，磁力消失，被钢毛基质捕集到的污染物用水或气反冲洗下来，从而达到从废水中去除污染物的目的。20世纪70年代末冶金部建筑研究总院环保所对高梯度磁分离处理轧钢废水进行了研究, 1980年完成了半工业试验后，于1982年开始工业化正式运行。主要参数为磁感应强度0185T，钢毛填充率约5%，滤筒内径0175m，水流速度813m/min，利用气水混合脉冲反冲洗，占地面积30m2，悬浮物的去除率为80%～90%，处理后的水质符合循环用水要求[25]。
田琰等[26]进行了高梯度磁分离技术应用于处理实际工业废水的小型模拟实验，分析了实验结果；通过简化模型对高梯度磁分离器中影响磁性颗粒捕获率韵因素进行了探讨；并将高梯度磁分离法与几种传统方法进行了利弊比较。
稀土磁盘也是在处理轧钢废水中经常用到的方法。稀土磁盘分离净化废水设备是由用稀土永磁材料做成的磁盘一片片串装而成。磁盘间为流水通道，通过对磁盘上磁极的布置，使磁盘间形成强磁场。当水流流经磁盘间的流道时，水中所含的磁性悬浮颗粒，受到磁场的吸引力F
m的作用，同时也受
到重力F
g 和水流阻力F
c
的作用，当F
m
大于(F
g
+
F c)在磁力方向上的分量时，颗粒向磁源方向移动，从流体中分离出来，吸附到磁盘上。磁盘以01125rΠmin～5r/min的转速运转，让悬浮物脱去大部分水份，运转到刮渣条时，形成隔磁卸渣带，由刮渣轮刮入螺旋输送机，渣被输入渣池。被刮去渣的磁盘又重新转入水中，就形成了周而复始的稀土磁盘分离净化废水过程，其工艺过程如图1所示。
图1 稀土磁盘工艺过程示意图
314 在其它方面的应用
熊德琪等人[27]探讨了将磁化效应与工业含酚废水的处理过程相结合，使含酚废水经过微弱磁场的磁化后，再运用絮凝氧化法进行处理的新途径，并研究了磁化效应在不同条件下对含酚废水处理效果影响规律。试验研究结果表明，应用磁化技术能够明显的改善絮凝氧化法处理含酚废水的效果，提高去酚率。
王龙贵[28]研究了从粉煤灰中回收磁珠，利用磁珠作磁种，加混凝剂，用高梯度磁分离技术处理含磷废水机理及方案实施的效果，提出了一种以废治废的措施。黄自力等[29]研究了通过添加磁种和混凝剂，用高梯度磁分离方法去除污水中正磷酸盐污染物，并对工艺参数进行了探讨。Matthias Franzreb和W olfgang H H oell[30]利用稀土永磁铁制造了一种除去城市污水中磷酸盐的装置，其处理能力比原有的设备提高的500%之多，出口浓度低于德国或者欧洲的排放标准，而且其成本比已有的脱除磷酸
盐的固液分离方法经济。
郑必胜等人[31]采用投磁种的方法进行强化，高梯度磁分离技术可以有效地用于处理糖蜜酒精废水。废水经处理后其浊度、度和C OD都大大降低。系统地研究了这一新方法应用于处理糖蜜酒精废水以及磁种再生的全过程，探讨了磁种的活性、处理效果及其影响因素。结果表明，废水磁种强化磁分离处理过程主要是一个pH值控制过程，最佳处理pH值为5左右，磁种再生pH值为11左右。
朱又春等人[32]采用磁分离法连续处理含油量为194mg/L的餐饮污水，仅投加混凝剂时出水含油量为20mg/L，而加入磁粉后可使出水含油量降至7 mg/L,。并且对磁粉破乳和磁絮凝除油的机理进行了探讨，比较了二氧化硅、硅胶和磁粉的比表面积大小。
孙水裕等人[33]研究了应用磁种凝聚2磁分离技
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化 学 工 业 与 工 程2006年1月
术处理Ni2+电镀废水。首先进行了磁种凝聚的试验，研究了pH值、磁种、聚丙烯酰胺对Ni(OH)
2沉淀物与磁种凝聚成“磁性矾花”过程的影响。其次进行了从废水中脱除磁性矾花的磁分离试验，考查
了磁分离器的磁感应强度对磁分离过程的影响。试验结果表明，经这种方法处理后，废水中Ni2+的去除率达到99%以上，出水中Ni2+质量浓度为0142 mg/L，而且Ni2+可以回收，磁种经酸泡后可以循环再用。
郭丽燕等人[34]针对煤气洗涤废水的絮凝氧化处理工艺，引入磁场处理技术对处理效能进行强化，并对回用作工业循环水进行探讨。实验结果表明，磁场虽然不利于溶液的抑泡，但磁场强化了出水的净化效果，并有利于废水的回用。
4 磁化技术的发展趋势
近年来，高梯度磁场处理技术已经广泛的用于水处理技术，高梯度磁分离技术将向着超导磁分离[35]的方向发展。人们也开始研究磁处理技术与光、电、超声波等物理技术、化学投药法以及生物技术协同处理工业用水，例如,Ozaki,H等人[36]新开发了一种利用包含固定的微生物和磁性粒子的磁性凝胶颗粒处理污水的方法。磁化技术将逐步向着有效利用磁场的能量以及注重对磁场强化机理的研究方向发展。
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