磁效应对水处理的影响研究*

牛梓璇，胡　源，张艳红，洪永鑫，李　燕

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏　徐州　221116)



磁效应对水处理的影响研究*

牛梓璇，胡源，张艳红，洪永鑫，李燕

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221116)

对磁效应在水处理中的影响进行了阐述。内容涉及磁效应对水处理的物理、化学、生物等方面的影响研究，简要介绍了磁效应在水处理中的力学效应、电磁协同效应和生物效应等。并针对磁效应在水处理中的物理、化学、生物等方面的应用，分析可能存在的问题，提出改进方向。该技术具有广泛的应用前景，研究磁效应在水处理中的多方面应用,能极大地改善淡水资源稀缺的问题。

磁效应；水处理；综合应用

磁场处理后的水，其物理、化学、生物性质会发生变化，微生物经磁化处理后可提高活性及对有机污染物的吸附和降解能力[1]，磁效应在水处理中已经有了很多应用，将磁场应用于水处理的研究也逐渐增多，内容包括机理分析、应用方法、影响因素、装置设计等。磁场-电场协同应用于水处理的方式能耗低，操作简单且二次污染少，利用磁效应处理水极具发展前景。

1　磁效应对水处理的物理影响

1.1水中杂质的分类

水中杂质从某种程度上来说主要分为本身具有磁性的物质和本身不具有磁性的物质两类。磁分离的物理作用是利用污水中杂质颗粒的磁性进行分离。对于污水中本身具有磁性的悬浮颗粒可以通过外加磁场产生磁力吸出，对于污水中非磁性或弱磁性的颗粒，可以利用磁性接种技术使它们具有磁性，再通过外加磁场的作用使之与污水分离，达到去除或回收杂质的目的[2]。

另外，水中元素大部分都不具有磁性，为使水中的元素具有一定的磁性，还可以对水施加一系列的化学反应，以使其中的非磁性物质转换为磁性物质。这样磁场就会对这些物质产生作用力，从而将污水中的悬浮颗粒分离出来。

1.2磁种吸附-磁处理法

污水中有部分污染物具有磁性，但更多的污染物本身并不是磁性物质。如果想要利用磁分离技术，就必须用磁性物(即磁种)来吸附它们，此法即磁种吸附-磁处理法。可用铁粉、磁铁矿、赤铁矿及其微粒和具有磁矩的细菌(吸附铁磁性离子)等来作磁种[3]。如果磁种是固体，一般需要投加药剂才能达到磁种与目标物结合的目的。目前，使用磁种和磁处理技术已可除去废水中的油、金属离子、非磁性固体悬浮物、营养物质、有机物等[4]。

1.3磁凝聚法

在污水处理中应用磁效应，可以通过磁凝聚法促使固液分离。污水通过磁场，水中的磁性颗粒被磁化，形成如同具有南北极的小磁体[5]。此时磁场梯度为零，颗粒受到的合力为零，但颗粒之间能相互吸引汇聚成更大的颗粒。因为磁性颗粒具有矫顽力，所以通过磁场后仍会继续产生凝聚作用。

1.4磁分离技术

磁分离技术是对物质进行磁场处理从而实现物质分离的一种技术[6]。水处理中磁分离法的基本原理，就是通过外加磁场产生的磁力，吸出污水中具有磁性的悬浮颗粒，使这部分物质与水分离，以达到回收或去除它们的目的，最终得到较为纯净的水[7]。

1.5高梯度磁分离技术

利用高梯度磁分离技术进行水处理的工作原理是通过填充不锈钢钢毛作为过滤基质，当对高梯度磁分离器外加磁场时，由于钢毛导磁率极高，钢毛附近产生磁力变化形成磁场梯度。磁性颗粒通过分离区时会受磁力作用轨迹发生变化。磁化的钢毛对液体中悬浮杂质的磁力作用大于水流动力和颗粒本身重力作用，悬浮杂质被截留在钢毛基质上，使其被去除，从而达到净化目的，采用高梯度磁分离技术进行水处理时，由于废水中含有大量的非磁性悬浮颗粒，因此进行分离之前必须加入磁种与混凝剂，经过沉淀除去粗颗粒后再进行高梯度磁分离[8]。高梯度磁分离还多用在对饮用水的处理，对杀菌、抑菌有更深层次的影响，细菌或被钢毛吸附或因电流破坏细胞内部结构致死，相对于用其他消毒剂，此方法更安全，且方便简单成本低。

2　磁效应对水处理的化学影响

磁效应不仅对污水的物理性质有极大的影响，能够将一些磁性颗粒通过磁场产生的磁力除去，它还能提高某些催化剂的性能，并且促使水中的一些离子、分子产生化学反应。可以利用磁效应的这些特性，有效地去除各种废水、污水中的有害或不需要的离子和分子等，以达到水处理的目的。目前有许多团队正在从事磁场对水处理中化学反应机理的研究，并且取得了一定的成绩。

磁效应对水处理的化学影响的研究，主要集中在有机磁化学领域。有机磁化学机理主要有：自由基对机理、建立在量子化学基础上的反应速率机理、三重态-三重态机理、三重态-偶极子对机理和三重态机理等。

孙水裕等进行了利用磁种凝聚/磁分离技术处理Ni2+电镀废水相关试验，结果表明：经磁种凝聚/磁分离技术处理后，废水中Ni2+的去除率高达99%以上，最终得到的NP为0.42 mg/L，结果非常令人吃惊[9]。陈瑞福研究了磁场对吸附剂吸附Zn2+、Hg2+等的影响，试验表明，吸附剂的吸附效果要高于同等条件下没有磁场的情况，且在一定范围内，吸附效果随着磁场的增强而提高[10]。

除了以上应用，磁效应在电化学方面也有应用。朱又春等在外加磁场的条件下对含CuSO4的废液进行了电解实验，实验表明，外加磁场后可以使电解电流密度提高1倍以上，除此以外还减少了浓差极化现象[11]。在阴极析出的Cu也比无磁的同等情况下更均匀和密致。由此可见，磁效应确实能够提高某些电化学反应的速度和质量，说明磁场-电场协同技术在水处理中能够得到灵活运用。

3　磁效应对水处理的生物影响

3.1磁效应影响生物体的新陈代谢

生物体的新陈代谢是指生物活体与外界不断进行物质交换的过程，包括合成代谢和分解代谢。磁效应可以实现生物质能向电能的转化，从而影响微生物的新陈代谢。排泄代谢废物时，磁场也会和生物体中的水发生作用，使生物体内的水直接参与生物体内的氧化和运送营养物质等过程，从而影响生物在水环境中的生化反应。

3.2磁效应影响细胞膜的渗透作用

细菌进行普通的生命活动要通过细胞膜与外界进行物质交换，同化作用是生物体从外界摄取营养物质合成为自身细胞物质的过程，异化作用是生物自身的或外来的各种复杂有机物分解为简单化合物的过程，这些过程涉及细胞膜的渗透作用。磁效应对细胞膜的渗透有影响，即影响细菌从外界环境中摄取物质以维持自身正常的生命活动以及合成自身细胞物质，从而影响细菌进行正常生命活动。

3.3磁效应影响生物体内蛋白质和酶的活性

生物体内一些蛋白质中含有微量的呈顺磁性的过渡金属原子，这些原子在磁场中受作用力，引起蛋白质的变性而后引起催化活性的变化。酶的本质是蛋白质，不同的金属原子在洛伦兹力作用下对酶活性有抑制作用。故磁场力直接作用于细胞会使其失去活性而钝化，从而抑制细菌的生长。

综上，在磁场的作用下，生物细胞的新陈代谢、渗透作用以及蛋白质和酶活性都会受到一定程度的影响，从而抑制了部分细菌的生长，对杀菌有一定的效果。实验证明当磁场强度达到4000 GS时,杀菌率可达20%以上。

4　磁效应在水处理中应用尚存在的问题

4.1磁效应的物理应用可能存在的问题

产生磁力的设备的选择比较麻烦,需要考虑多方面的因素。利用磁性接种技术使水中部分非磁性或弱磁性的颗粒具有磁性,或是对水施加一系列的化学反应以使其中的部分物质转换成磁性物质，这个过程会比较麻烦。由于高梯度磁场的作用产生的感应电流比较微弱,不易控制和应用。

4.2磁效应的化学应用可能存在的问题

磁场会和生物体中的水分发生相互作用，影响生物体内水分子参与的生物反应。磁的作用可能会影响水中有利于我们身体健康的微量元素,使水中本来微乎其微的有利元素消失。由于磁力的影响,水中离子会有所运动,但是这样的运动不易控制。

4.3磁效应的生物应用可能存在的问题

磁效应影响水中微生物细胞内蛋白质和酶的活性,水中部分对我们有积极作用的微生物可能会收到一定程度的影响,这有悖于我们最初的目的。在应用磁的过程中,磁可能会受到外界条件的干扰,不易控制，导致对生物产生不利影响。

5　结　语

磁效应在水处理中的应用有较好的发展潜力，实现磁效应在水处理中的大规模应用，需要考虑其在物理、化学、生物应用三个方面尚存在的问题，并加以解决。还应更深入地对磁场作用的机理进行研究，以期能更好地控制磁场作用的过程，到达最高效的处理效果。另外，还应从磁效应与其他技术联合作用的方面多加研究，如磁电渗析水处理的方法，以拓宽磁效应的应用领域。

[1]陈秋芳,农文贵,崔巍.磁技术在污废水处理中的作用机理及应用[J].环境科学与管理,2012(08):110-114.

[2]吴克宏,都的箭,唐志坚,等.磁分离技术在水处理中的物理作用分析[J]. 给水排水,2001(09):27-30.

[3]赵明慧,周集体,邵冬海.磁化学技术在水处理中的应用[J]. 环境污染治理技术与设备,2003(04):79-84.

[4]都的箭,吴克宏,刘绍根. 磁处理水的物理作用分析[J]. 工业用水与废水,2001(04):1-3.

[5]贾明畅. 磁性海泡石的制备及其吸附Cr(Ⅵ)特性研究[D].湘潭:湘潭大学,2011.

[6]孙巍,李真,吴松海,等.磁分离技术在污水处理中的应用[J]. 磁性材料及器件,2006(04):6-10,24.

[7]李莉红,雒文生.磁处理对有机污COD影响的实验研究[J]. 武汉大学学报:工学版,2004(06):51-54.

[8]赵烨,任芝军. 高梯度磁分离技术在水处理中的应用研究[J]. 中国水运(下半月),2012(10):158-160,118.

[9]马放,王强,朱雪松,等. 磁技术在污水处理中的应用现状及发展趋势[J]. 中国给水排水,2010(14):34-37.

[10]陈瑞福. 磁场对磁性吸附剂吸附锌、汞的影响[J]. 水处理技术,1999(01):44-46.

[11]朱又春,吴松平,林建民,等. 磁电解法处理工业废水过程中的电极行为[J]. 环境科学,1995(05):6-9,91.

Study on Influence of Magnetic Effect in Water Treatment*

NIU Zi-xuan， HU Yuan， ZHANG Yan-hong， HONG Yong-xin， LI Yan

(China University of Mining and Technology，Jiangsu Xuzhou 221116, China)

The influence of magnetic effect in water treatment was summarized, which involved magnetic effect in aspects of physical, chemical and biological. A brief introduction was given to the mechanical effects of magnet, electromagnetic cooperation effects and biological effects in water treatment. According to the application of magnetic effect in water treatment in aspects of physical, chemical and biological, possible problems were analyzed, the improvement direction was put forward. This technology has widely applied in many aspects of water treatment. It can improve the shortage of fresh water resources.

magnetic effect；water treatment；application

江苏省大学生创新训练项目(No: 201510290042X)。

牛梓璇(1998-)，女，本科在读学生，中国矿业大学环境工程专业。

李燕(1969-)，女，博士，中国矿业大学环境与测绘学院副教授，主要从事水污染控制相关研究。

X505

A

1001-9677(2016)016-0021-03