磁种絮凝技术在水处理中的研究进展

柴社居，庄国锋，尼亚琼

(黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江　哈尔滨　150022)



磁种絮凝技术在水处理中的研究进展

柴社居，庄国锋，尼亚琼

(黑龙江科技大学矿业工程学院，黑龙江哈尔滨150022)

综观近几年磁种絮凝技术在水处理中的研究，着重介绍了常用磁种的分类，主要包括：天然磁种、人工磁种、生物磁种和磁流体；根据磁种分类，概述了4种常用磁种絮凝技术的研究进展，同时，对磁种絮凝技术在水处理中的今后研究趋势进行了探讨，并得出了一些结论：磁种絮凝技术在水处理过程中：(1)方法简单易行、处理效果明显且成本相对较低；(2)磁种的选择至关重要；(3) 药剂的选取不同会使沉降最终结果差异很大。

磁种；水处理；絮凝；研究进展

水资源是人类生存重要的资源，良好的水质是人类生存和社会发展的必需保障。工业生产中产生的废水通常成分比较复杂，能够对环境造成严重的污染，所以必须要经过净化处理才能排放或者重新利用。常规的污水处理主要是通过吸附、萃取、精馏、絮凝沉降、过滤等方法[1]来实现，但这些方法通常成本比较高而且效率较低。

随着磁分离技术的持续发展，越来越多的学者发现磁种絮凝技术不但可以强化污水处理的效果，而且加快其分离效率可以降低处理成本，相对于传统的水处理技术来说，磁分离技术的优势十分明显。然而许多污染物本身并不具有磁性，并不适合直接采取磁分离的方法来处理，为了使不具有磁性的污染物带有磁性，这时就可以利用磁种絮凝技术对污水进行处理。将磁种和污染物进行混合，再结合絮凝剂的使用将他们絮凝成团，这样就可以形成磁性的聚合体，然后再通过磁分离技术将磁性聚合体去除，这就可以达到污水净化处理的目的。磁种絮凝技术可以清洁高效的处理不具有磁性的污水，而且磁种可以被回收进行反复利用[2]，作为洁净、节能和环保的新技术，磁种絮凝技术在水处理领域中越来越受到重视，已经在一些工业废水和生活污水的处理中被成功应用。

1　常用磁种的分类

在利用磁种絮凝技术处理污水时，磁种的使用是其关键所在。磁种的选择主要考虑到磁种的性质、磁种的配置成本、磁种回收难度、磁种与污染物的相互作用等因素。降低成本，增强污水的处理效果一直是研究的重点。就目前研究的现状来看可以根据磁种的性质分为四类：天然磁种、改性磁种、生物磁种和磁流体。

(1)天然磁种

天然磁种的主要成分来源于自然界中天然存在的磁性物质，或者是工业生产中产生的磁性废弃物。一般情况下天然磁种不需要经过特殊的物理化学处理，通常在保证一定浓度和粒度的条件下就可以直接使用。这类磁种的主要优点是成本低，来源广泛。

(2) 改性磁种

为了使磁种具有更好的吸附能力，有更广的应用范围，学者们对一些天然磁种进行了改性处理。改性磁种研究的主要方向是利用絮凝剂或者特定污染物的吸附剂对天然磁种进行处理，使磁种的物理化学性质发生一定的变化，最终增强磁种的除污性能。

(3) 生物磁种

目前应用的生物磁种主要是以趋磁细菌为主体。趋磁细菌能在细胞内合成尺寸非常小的单磁轴级磁小体，目前的研究发现：磁小体主要由铁的氧化物和硫化物两种物质构成。在外加磁场作用下，趋磁细菌的运动方向可以随着其极性的改变而变化，这就为磁场的应用提供了前提。趋磁细菌可以被动吸附和主动吸收水中的重金属离子，这种性质是趋磁细菌可以净化污水的关键所在[3]。

(4) 磁流体

磁流体是由0.1～100 nm导体材料、载体和分散剂融合在一起而形成的胶体，是前沿的纳米技术之一。大多数磁流体中的磁性粒子主要是以Fe3O4为主。由于磁流体需要有一定的稳定性，所以对磁性粒子细度要求较高，通常只能通过化学方法制备。

2　磁种絮凝技术的研究进展

2.1天然磁种

磁铁矿粉是应用最为广泛的磁种之一，在磁种絮凝的研究中对污水处理都有着很好的效果。刘吉生等[4]在城市污水的除磷研究中，将纯度大于98%的磁铁矿作为磁种，并结合混凝剂硫酸铝和助凝剂PAM的添加，可以使污水中磷的去除率达到98.35%。吕玉庭等[5]将天然的磁铁矿粉作为磁种，在外加磁场强度为0.25 T时，会使煤泥水的沉降速度增快45.99%，而上清液的浊度减小了49.33%。黄自立等[6]在磁种絮凝法处理含锌废水的研究中将磁铁矿作为磁种，在阳离子型PAM絮凝剂的作用下，可以使其上清液中锌离子的浓度减少到0.83 mg/L，当废水中磁种受到的重力与磁力方向相同时污水中污染物的沉降速度加快。董战洪等[7]在矿井污水的处理中也用到了磁种絮凝分离技术，所用磁种中Fe3O4的含量大于95%，粒径小于44 μm 的Fe3O4超过了80%，磁种絮凝技术的应用减少了整个污水处理工艺的时间，同时也减少了设备的使用面积，节约了用水，运行也十分稳定。

除了磁铁矿以外，许多学者对一些成本低，磁性相对较低的磁种也进行了研究。钢铁厂排放的烟尘和气溶胶聚合物经过布袋收集后，发现这些颗粒粒度在0.5 μm左右，而且带有磁性，用这些回收的物质作为磁种配合絮凝剂PAC的使用，在磁场的作用下可以有效的清洁污染的河水[8]。汪松美等[9]使用镇江某地的微砂作为研究使用的磁种，这种磁种Fe3O4的含量为10%左右，在磁种絮凝的工艺研究中添加微砂磁种量300 mg/L，PAC投加量为100 mg/L，废水的pH调节为6，磁场强度为400 mT时，污水中TSS、COD、TP的去除率分别为93.66%、74.29%和89.10%。王贵龙[10-11]从粉煤灰中分选回收磁种，在对多种工业废水的高梯度磁絮凝实验中都得到了很好的效果，其中磷的去除率可以达到90%以上。钢渣作为一种产量大、利用率低、具有良好磁性的废弃物也开始被研究人员引入到廉价磁种的研究之中，这项研究可以达到以废治废的目的[12]。

2.2改性磁种

由前面研究发现，大多数研究是以Fe3O4磁种为主体，进行改性处理的。李建军等[13]在利用共沉淀法制备Fe3O4的过程中加入阳离子型的PAM，使得最终制备的磁种中均匀的分布着粒径均匀的PAM，在外加磁场的情况下Fe3O4磁种的絮凝沉降能力大大增强，煤泥水的沉降速度明显加快。王文娟等[14]将Fe3O4作为核心以SiO2作为壳合成了纳米磁种，并利用沉积沉淀法将ZrO2包裹到磁种表面，发现覆盖ZrO2后的磁种对水中磷酸盐具有非常好的吸附性能。曹雨平等[15]利用乙醇和硬脂酸对Fe3O4磁种表面经行表面有机改性处理，改性后的磁种可以将油污染深井地下水的除油率提升到96.7%。

近年来，一些研究也开始将改性磁种应用于污水中微生物的处理。Jiang等[16]将纳米Fe3O4与聚合氯化铝进行复配，将改性后的磁种用于处理铜绿微囊藻。Liu等[17]用核聚糖对Fe3O4进行表面修饰，制备的磁种可以去除水中的藻类。

2.3生物磁种

刘珺等[18]在利用趋磁细菌吸附Cu2+，Zn2+的研究中发现：在pH=5、温度为室温、吸附时间为2 h、趋磁细菌浓度为80 g/L条件下，其够获得最佳的吸附效果。宋慧平等[19]经过研究发现趋磁细菌吸附Cr的最佳条件为：pH=9，温度为室温，微生物含量为4 g/L，吸附时间为5 min，吸附率最高可以达到99.7%。舒浩华等[20]对趋磁细菌处理含镍废水也进行了探讨，得到的最佳吸附条件是：pH=5，趋磁细菌用量为80 g/L，并且发现在磁场强度为100 Gs时吸附率很高，超过100 Gs之后吸附效率没有明显的提高。

2.4磁流体

早在20世纪90年代，科研工作者就开始利用磁流体处理工业废水，经过几十年的发展已经取得了许多成果。刘峰等[21]利用磁流体吸附废水中的Cr，经过研究发现在最佳条件下，可以使水中的Cr低于国家标准。胡君等[22]利用化学共沉淀法制备了磁流体，然后用添加剂聚乙二醇对其包裹，当pH=11、聚乙二醇用量为2.75 g时，可以使印染废水的色度和COD去除率达到95%和79%。赵静等[23]在处理印染废水时使用的磁流体是通过醇-水共热法制备的，研究发现当表面活性剂用量是亚铁量的0.16倍时，pH为11时COD降低最多，处理效果最好。

3　磁种絮凝技术的发展趋势

近年来，磁种絮凝技术对工业水处理的研究已取得突出结果，且部分已运用到工业生产的污水处理，其对污水的浊度、有机物及金属离子有较好的去除效果，故今后可能发展的趋势有：

(1) 随着磁种絮凝技术的不断突破发展，磁种絮凝技术与其他技术的联合使用处理废水将是其必然发展趋势，会对水处理的工业发展起到高效、高能推进的作用。

(2) 在工业及生活应用中，养殖废水的“三高”污染及粉煤灰对环境的污染已日益严重，鉴于磁种絮凝技术的众多优点，扩大其对排量大、污染重的养殖废水的处理及对煤泥水的处理将具有较好的可行性和经济效益，也是磁种絮凝技术发展的必然趋势。

(3) 虽然磁种絮凝技术已开始在一些工业生产中得到应用，对其作用机理有了一定的探讨，但对其作用机理的解释仍不够完善，不够系统，大多数都是在特定的实验条件下完成的。所以，在动态、非特定条件下，对机理的探讨将是以后研究的重点所在。

(4) 在磁种絮凝技术的发展过程中，高效磁种的研究具有很大的发展空间，易吸附，易再生的磁种将会大大增强磁分离技术的适应能力；磁种絮凝技术在水处理过程中添加不同的药剂会具有不同的加药制度，故加强此方面的研究具有一定的意义。

4　结　论

(1) 磁种絮凝技术是一项先进的水处理技术，此技术结合了絮凝剂和凝聚剂的使用，会加快污水的沉降速度，提高污水处理的效率，同时，其处理方法简单易行、处理效果明显且成本相对较低。因此，磁种絮凝技术的应用将越来越广泛，必将在我国水处理领域发挥极大的作用。

(2) 磁种絮凝技术在水处理中磁种的选择至关重要。在选取时既要考虑磁种的成本、来源和对水处理的效果，同时也要考虑磁种的配制和研发，另外，研制具有选择性吸附的磁种会使某些含有多组分复杂混合物的污水净化成为可能。

(3) 在磁种絮凝技术对水处理的过程中，药剂的选取不同会使沉降最终结果差异很大。选择合适的絮凝剂是磁种絮凝的关键所在。但是由于磁种和磁场的介入，对加药制度会产生一定的影响。

[1]王军,陈卫东,贾绍义,等.磁化技术在化工领域中的应用[J].化学工业与工程,2000, 17(3):177-183.

[2]国继征,王金和,赵星.矿井超磁分离水体净化技术与应用[J].煤矿机电,2011,2011(3): 87-89.

[3]刘珺,周培国.趋磁细菌应用于重金属废水处理的研究进展[J].环境科学,2008,21(6):60-66.

[4]刘吉生,黄自立,肖文松,等.城市污水磁化絮凝-高梯度磁分离除磷研究[J].矿业工程,2003,23(5):24-23.

[5]吕玉庭,赵丽颖,杨强.磁种絮凝对煤泥水沉降效果的影响[J].黑龙江科技大学学报,2014,24(2):153-156.

[6]黄自立,陈治华,夏明辉,等.磁种絮凝-磁分离法处理含锌废水的研究[J].武汉科技大学学报,2010,33(3):323-326.

[7]董战武,任卫艮,崔荣,等.磁种微絮凝强磁分离净化技术在矿井污水处理中的设计应用[J].煤炭工程,2013(12):22-24.

[8]潘涌璋,梁瑛瑜.磁种-磁滤技术处理污染河水的试验研究[J].四川环境,2005,24(2):15-17.

[9]汪松美,段明飞,解清杰,等.微砂-磁沉降快速除污工艺试验研究[J].环境工程,2012,30(5):35-38.

[10]王贵龙.回收粉煤灰中磁珠处理含磷废水[J].煤炭科学技术,2003,31(1):54-55.

[11]王贵龙.回收粉煤灰磁珠在废水处理中的应用[J].环境污染治理技术与设备,2004,5(3):88-89.

[12]汪玉娇,高国才,郭华.磁分离技术在水处理中的研究现状及开发钢渣磁种的可行性[J].冶金设备:2014(S1):109-111.

[13]李建军,朱金波,李蒙蒙,等.磁性絮凝剂的原位共沉淀合成及其在煤泥水处理中的应用[J].北京工业大学学报,2014,40(11):1712-1716.

[14]王文娟,张海鹏,韩玉香,等.磁性Fe3O4@SiO2@ZrO2对水中磷酸盐的吸附研究[J].无机化学学报,2014,30(12):2726-2732.

[15]曹雨平,邓阳清,刘延凯.改性磁种-活性炭工艺处理油污染深井地下水[J].环境污染与防治,2011,33(5):79-86.

[16]Chen Jiang, Ren Wang, Wei Ma. The effect of magnetic nanoparticles on Microcystis aeruginosa removal by a composite coagulant[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspecta,2010,369(1-3):260-267.

[17]Dan Liu, Fengting Li, Bingru Zhang. Removal of algal blooms in freshwater using magnetic polymer[J]. Water Science and Technology,2009,59(6):1085-1091.

[18]刘珺,周培国,张齐生.趋磁细菌处理含Cu2+,Zn2+废水的应用研究[J].环境科技,2013,26(4):20-24.

[19]宋慧平,李鑫钢,孙津生,等.生物磁分离新技术处理含铬废水最佳条件的研究[J].环境工程学报,2007,1(10):22-26.

[20]舒浩华,王艳红,孙津生,等.趋磁性细菌-磁场处理含镍废水的研究[J].离子交换与吸附,2005,21(4):265-269.

[21]刘峰,罗新.磁流体对工业废水中Cr(VI)的吸附[J].大连大学学报,2008,29(3):119-123.

[22]胡君,顾平道.处理印染废水用低成本磁流体的制备[J].工业安全与保护,2010,36(5):14-15.

[23]赵静,刘勇键.磁流体在印染废水处理中的应用研究[J].环境科学与管理,2008,33(5):118-120.

Research Progress on Magnetic Seeds Flocculating Technology in Water Treatment

CHAI She-ju, ZHUANG Guo-feng, NI Ya-qiong

(College of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology,HeilongjiangHarbin150022,China)

Throughout the research of magnetic seeds flocculating technology in water treatment in recent years, the classification of magnetic seeds was emphatically introduced, including the natural, the artificial, the biological and the magnetic fluids. According to the classification of magnetic seeds, the current research progress on the four kinds of natural magnetic seeds was summarized and the trend of this technology in water treatment was discussed. Some conclusions were drawn: in the process of magnetic seeds flocculating technology in water treatment, the method was simple, the effect was good and the cost was low, the choice of the classification of magnetic seeds was essential, with the difference of the additives, the difference of the results was very obvious.

magnetic seeds; water treatment; flocculating; the research progress

柴社居(1991-)，男，硕士，专业方向：洁净煤技术。

X751

A

1001-9677(2016)016-0047-03