超磁分离技术在水处理中的应用研究进展

刘苏宁 丁 剑 李 诺 孙宁磊

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

絮凝是水处理工艺中的重要环节之一，其作用是将水中的微小颗粒、胶体和其他悬浮物聚集从而实现分离[1]。常见的絮凝方法有斜板沉淀、加砂沉淀、旋流分离、磁加载沉淀以及超磁分离等。根据废水组成特点不同，这些方法可应用于不同水处理工艺中[2]。其中，超磁分离技术具有出水效果好、处理速度快、能力强、工艺流程短、设备体积小、占地少、药剂投加量少、污泥浓度高、脱水性能好等诸多优点被广泛应用于各种水体的处理[3]。

超磁分离技术原理是在磁粉体材料和絮凝剂(磁种)的共同作用下，使水体中的悬浮物与磁种凝聚在一起，形成具有一定磁性的絮体，再利用永磁材料所产生的高强磁场力的作用将磁性絮团快速分离。该技术的核心是磁微粉的选择、超磁分离和磁种回收设备的选择。该技术已广泛应用于黑臭水体、河道水、景观水、湖水、煤矿矿井水、市政污水一级强化、含磷废水、重金属废水等水处理领域，得到市场的重视和认可[4-6]。

由于磁选技术与设备比较成熟，现有工程应用研究大多针对设备选型搭配以及系统的集成化，有关磁种即磁性粉末的制备及性能的研究较少，而磁性粉末的物化性能对磁絮凝以及磁分离效果都有显著影响，因此，对磁性粉末制备工艺的研究具有重要意义。

1 超磁分离技术的应用及研发进展

1.1 超磁分离技术的应用

超磁分离技术源于早期的磁加载沉淀技术，一般包括悬浮物预处理、混凝絮凝、超磁分离、磁介质分离回收、污泥处理等工序。首先进行废水预处理，去除其中的大颗粒和其他杂物，接着加入一定浓度的磁性物质、PAC和PAM，将其混合均匀后形成微磁性絮团；含有这种微磁性絮团的废水进入超磁分离设备中被分离出磁种和污泥混合物，再经打散后进行二次磁选得到磁性粉末循环使用[7]。超磁分离设备一般采用稀土永磁材料，磁场强度高，可快速分离含磁性物质[8]。

有关超磁分离技术在煤矿矿井水悬浮物处理中的应用研究较多。煤矿井水中的悬浮物主要为采掘时带入的煤粉尘、岩粉等，含量为100～400 mg/L。由于微粉密度和粒径都较小，因此自然沉降时间长且效果不佳。根据多个实际应用项目[9]，采用超磁分离技术处理矿井水处理效率高，设备占地面积小，运行稳定，管理简单。此外，磁分离技术还可应用于其他废水处理，见表1。

表1 部分超磁分离技术应用项目

由表1可以看出，超磁分离技术应用的适应性广，对各种废水中悬浮物的富集絮凝都有显著效果，尤其与其他处理技术配套组合后，出水品质更好。

1.2 超磁分离技术研究进展

关于超磁分离技术成套设备的研究较多，近年来授权的多数专利都围绕集成装置中各子设备的选型和核心设备的改进优化，还有少数专利围绕采用超磁分离工艺处理各种不同废水，目的是降低废水中悬浮物含量，减小浊度(表2)。

表2 部分关于超磁分离技术和系统的专利

2 超磁粉体的研发进展

超磁分离技术研发的核心为磁性物质富集设备和磁种分离。磁性物质富集设备可依据各类磁选设备改进，但磁种的选择要兼顾制备成本和性能。常见的具有磁性的材料较多，如铁、钴、锰等软磁合金，各类铁氧体、γ-Fe2O3、Fe3O4、非晶态的稀土- 过渡族合金等。其中Fe3O4具有优异的物化性质，如安全性高、制备简单、磁各向异性、矫顽力高、磁性伸缩系数大等，多被直接用作磁种或磁种基材。

超磁分离技术的磁种主要有天然磁铁矿粉体和以Fe3O4为基材的复合材料。天然磁铁矿粉体纯度不高，杂质较多，有二次污染的风险。合成Fe3O4的方法主要有固相法和液相法：固相法是采用铁及铁氧化物粉末，在氧化或还原气氛下高温反应得到Fe3O4材料；液相法包括共沉淀法、水热法、微乳液法、高温液相法等，其优点是制备工艺简单、产物纯度高、粒径分布均匀。为了改善Fe3O4的吸附和沉降性能，各类复合型材料也成为研究热点之一，如将磁性材料与有机物高分子聚合物、无机纳米材料等材料复合改性。此外，针对某些含有特定污染物的废水，也有研究人员以不同的功能基团(弱酸基团、弱碱基团、强碱基团等)对Fe3O4颗粒进行表面修饰，获得具有特殊功能的复合材料(表3)。

表3 部分复合型Fe3O4材料制备方法和效果

常见的Fe3O4有机修饰材料主要有表面活性剂和偶联剂两类，无机材料主要为SiO2，可通过硅烷类材料制备包覆有SiO2的磁性材料。高分子聚合物包覆材料常见的有聚苯乙烯、聚氨酯、纤维素、壳聚糖、蔗糖等[22]。

通过采用不同的表面修饰方式及材料，不仅可以使纳米Fe3O4材料具有特殊吸附性能，也可使其在水中的分散性更好。

3 共沉淀法制备四氧化三铁

成本问题是制约共沉淀法制备的Fe3O4材料在水处理领域推广的重要因素之一，如何简化制备工艺及操作条件成为未来研究的重要方向。本课题组采用共沉淀法制备Fe3O4的原理如下：

Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3O4↓+4H2O

(1)

以Fe2(SO4)3和FeSO4为铁源，以NaOH为沉淀剂，常温下未加入任何添加剂，制备微米级的Fe3O4粉体材料，其比表面积为58 m2/g，扫描电镜图片如图1所示。从图1可以看出，Fe3O4粉体颗粒分散性好，呈较为规整的球型，粒径范围为0.2～5.0 μm，一次颗粒非常细小。XRD特征峰与Fe3O4特征峰吻合得极好，没有其他明显的杂峰，说明产物纯度较高，结构完整。此外，从图1(d)中看到，该粉末的磁化曲线和退磁曲线完成重合，呈现超顺磁性的特点，饱和磁化强度为48 emu/g。

图1 Fe3O4粉体材料检测结果

4 结束语

超磁分离技术处理的应用已逐步拓展到各个领域的废水处理中。目前市场上的磁分离设备集成系统比较成熟，但对磁种的开发和选用是该技术推广应用的核心之一。磁性四氧化三铁粉末，制备方法相对简单，成本较低，用作磁种既可降低水体浊度，经不同的改性方法处理后还可吸附各类重金属杂质。因此，实现不同功能磁种的定制化生产，降低生产成本，是推进超磁分离技术快速发展的重要因素。