基于磁场的污水检验和净化实验探究*

石浚希 吴紫馨 武文君 刘传薪 彭小牛

湖北大学物理与电子科学学院 湖北 武汉 430062

引言

在石油工业中，含有大量铁钴镍等金属化合物的化学污水是其排放的化学污染物之一，肆意排放会对土壤、水生生物、人体健康和农作物生长产生严重的化学污染，因此在自然排放前必须进行检测和预处理[1]。

本文针对石油工业污水，设置了一套污水检验和净化装置。由于空间磁感应强度极易受铁磁介质存在的影响，并且霍尔效应能够精确地将磁感应强度的改变转化为霍尔电压进行间接观测，因此能够通过对比施加特定强度磁场后的污水与纯净水中的霍尔电压值，达到检验污染程度的效果；结合单片机，通过蓝牙模块与手机远程无线互联，实时监测水样品污染物浓度。当污染物浓度超标时，可通过自动或远程控制，将磁粉投入污水中进行充分搅拌。由于磁粉具有良好吸附性[2]，使得污染物附着于磁种，随后利用磁场使得污染物沉降[3-4]，从而达到污水处理的效果，直至符合净水标准。

1 实验原理及方法

在磁场中能发生变化并能反之影响磁场的介质称为磁介质。磁介质可分为3类：顺磁质；抗磁质；铁磁质。顺磁质、抗磁质与铁磁质有很大差别，可合称为非铁磁质。经典物理认为，磁介质由分子和原子组成，原子中的电子由于轨道运动及本身的自旋而形成电流，从而具有分子固有磁矩。对于顺磁质，外加磁场后，宏观上增强空间磁感应强度的作用。对于抗磁质，在外加磁场的作用下，宏观上会减小空间中磁感应强度。

非铁磁质对于磁场的影响能力较小，而铁磁质对于磁场的影响则远大于非铁磁质[5]。铁磁物质本身具有磁矩，并且这类原子之间发生自发磁化作用，合成较强的联合磁矩，即磁畴。外加磁场时，各磁畴的磁矩向外磁场方向转动，导致单位物理小体积内磁化强度M逐渐增大，从而引发明显的空间磁感应强度变化[5]。铁磁体的磁化性能方程如下：

由于污水中非铁磁质对磁感应强度影响微乎其微，因此实际检验中污水中非铁磁质对于空间磁感应强度的影响可以忽略不计，只考虑铁磁质的影响。

对于由铁磁质导致的空间中磁场变化的检验，我们可以利用霍尔效应来实现。

如图1，将一块导体或者半导体沿着Z轴方向通入磁场，并且沿着X轴方向通入电流I。

图1 霍尔效应示意图

半导体中载流子受到洛伦兹力的作用：

带正电的载流子和带负电的电子分别向导体或半导体两侧聚集，从而激发出抑制两种载流子继续向两侧聚集的电场，使得载流子受到洛伦兹力反向电场力有：

当Fm + Fe =0时，达到平衡状态有数值关系：

因此此时横向电场两段的电势差为：

设n为载流子密度，可得霍尔电势差为：

可见在外加磁场的情况下，由于铁磁质的磁畴发生变化，导致空间中的磁场B增大，又由于磁场B和霍尔电势差呈正相关，因此纯水中的所测得的霍尔电势差和污水中测得的霍尔电势差是不同的，且铁磁质含量越高，磁场B的增大量越大，从而导致霍尔电势差的数值越大，因此相对于纯水的变化更明显。

另外，由于磁性纳米粒子有较大比表面积，且某些小颗粒污染物表面有与吸附质相似的孔径结构。因此在静电、络合、氢键等作用下磁性纳米粒子会附着于污染物颗粒[2]。因此我们处理污水时，已磁化的磁粉和絮凝剂投加到污水中并进行搅拌，油滴、颗粒物及胶体等污染物就会附着到磁种上，磁粉及被吸附的污染物发生磁聚絮凝加速沉降，从而净化污水[3-4]。

2 实验装置及步骤

2.1 实验装置器材

本实验装置图如图2所示。其中，直流稳压电源电压大小为6V；检验区由三部分组成，分别是两块100×50×20mm的钕铁硼强磁铁，待测样品盛放容器，3D打印支架的霍尔效应探针（如图3）。之所以选择钕铁硼磁铁的原因是稀土元素钕，具有携带很强的内禀磁矩的特点，而硼在形成四方晶体结构金属间化合物起着重要作用，使得磁铁具有高饱和磁化强度，可以提供较强磁场[8-9]。由于3D打印所用材料防水性好，打印出来的产品精致，且不需要模具生产过程快捷，因此我们选用3D打印技术制作探针结构[10]。读数区域为串联着电阻箱的微安表；单片机为树莓派Pico开发板；蓝牙模块为HC-05蓝牙模块。

图2 实验装置图

图3 3D打印的霍尔效应探针

2.2 实验步骤

由于待检水样品中磁性污染物既包括较小单颗粒污染物，也包括颗粒聚集后的较大团簇污染物，因此我们分别选用纳米和微米尺寸四氧化三铁粉末作为模拟材料，将其分散溶解到水中，近似模拟样品水中的污染物分布。将溶解分散了不同质量的各尺寸四氧化三铁粉末放入匀强磁场中，记录对应微电流计示数，改变电阻箱阻值，重复上述操作，并利用origin对实验数据进行整理分析，得到不同电阻阻值下的四氧化三铁单位含量-电压相对变化量曲线。

向污水中溶入适量磁粉，搅拌均匀使得污染物颗粒充分附着于磁粉上，开启电磁铁，在污水样品中施加特定强度磁场，使附着后的污染物沉降聚集。滤去沉积物后测量此时水样品的霍尔效应电流信号，与前面步骤中未净化水样品的信号相对比，判断污染物净化程度，实现水样品去除磁性污染物达到净化的目的。

进一步利用单片机对输入的电压进行分析，并通过蓝牙模块使单片机与手机远程无线互联，既可以实时监测样品检测结果，高效判断污染状态，又可以远程操控电磁铁净化处理实施，实现样品快捷自动净化过程。

3 数据处理及分析

3.1 检验部分实验数据

我们选用电阻箱3种不同的阻值（22kΩ、33kΩ、10kΩ）构造不同的改造电表，分别探测不同尺寸模拟物质（10μm和20nm）的分散溶解质量对应的电流表示数，并折算为改造电压表的电压相对变化量。

表1 10μm材料及电阻箱22kΩ数据

图4 单位体积磁粉含量和电压相对变化量变化关系拟合图a

表2 10μm材料及电阻箱33kΩ数据

图5 单位体积磁粉含量和电压相对变化量变化关系拟合图b

表3 20nm材料及电阻箱10kΩ数据

图6 单位体积磁粉含量和电压相对变化量变化关系拟合图c

3.2 净化部分实验图

将磁粉对污染物进行充分附着后，开启电磁铁，在污水样品中施加约300mT磁场，容器中污染物逐渐发生聚沉，完成净化。

图7 污水样品净化过程图

3.3 数据分析与结论

对上述数据进行分析可以看出，模拟样品中微米尺寸和纳米尺寸四氧化三铁的存在，都可以快速引起微安表示数的明显变化，且其单位体积含量与微安表示数即霍尔电压呈正相关。因此可知，通过构建磁场并结合霍尔元件对污水进行定性定量检验采油污水中金属化合物的含量是可行的。

将磁粉充分附着于污染物颗粒后，在污水样品中通入磁场，被磁粉附着后的污染物颗粒发现明显聚沉，使得污水上层成为清液。因此，磁场不仅可以用于检验还可以用于污水的净化。

取下层沉淀进行加温，使得磁粉去磁并且解除磁粉与污染物颗粒的附着，分离磁粉与污染物，达到磁粉重复利用的目的，提高装置循环使用效率，有效节约装置成本。

4 结束语

污水的检验和处理一直受到广大科研人员的密切关注，本方案设计针对常规污水检验成本高，时效性差等问题，以微米尺寸和纳米尺寸四氧化三铁作为模拟材料，验证了利用磁场对污水进行检验和净化的可行性。并且实现由单片机和蓝牙模块进行数据实时处理和远程传输。实验装置搭建便捷，检测精度较高，净化效果好，可重复性稳定，成本低廉。本实验增强了学生环保意识，动手能力，并且加深了学生对于霍尔效应的理解。