磁场效应在环境保护中的应用

第24卷　第5期2002年5月武　汉　理　工　大　学　学　报JOURNAL OF W UHAN UN IVERSIT Y OF TECHNOLOG Y V o l .24　N o.5　M ay .2002文章编号:167124431(2002)0520047204磁场效应在环境保护中的应用3张高科(武汉理工大学)　摘　要:　描述了磁场效应在工业给水的阻垢防垢、灭菌除藻以及废水、废气、固体废物处理等方面的作用。

讨论了磁场效应在环境保护中的作用机理。

磁技术具有节能、经济、简单和环保等优点,在环境保护中有着广阔的应用前景。

关键词:　磁场效应;　磁化学;　环境保护中图分类号:　O 441文献标识码:　A收稿日期:2001212226.作者简介:张高科(19652),男,副教授;武汉,武汉理工大学资源与环境工程学院(430070).3武汉市青年科技晨光计划资助项目(20005004035)1近年来,由于工业不断的发展,日趋复杂且不断加重的环境问题,迫使人们不断努力寻求高效、节能的“绿色”环境治理技术和工艺。

磁化学的发展,使得磁技术通过与其它技术协同作用,从而可以满足这一“绿色”要求。

磁技术不仅在工业水处理方面得到了广泛应用,同时还可用于污水处理、空气净化除尘以及汽车尾气净化等许多方面[1～11]。

此文主要论述磁化学在环境科学的研究应用。

1　磁化学在环境保护中的应用1.1　磁场效应在防垢与除垢方面的应用自从V erm eriven T 1945年获得第一个使用磁技术减少锅炉水垢生成的比利时专利(NO .460560)以来,磁技术防垢除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、美等许多国家的很多公司均生产磁处理装置。

挪威的Po lar 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 )[12]。

B aker J S 等人的研究发现,只改善磁处理效果有时并不明显[13]。

Gru tsch J F 等研究发现,利用磁处理能成功地控制CaCO 3和CaSO 4垢的沉积[14]。

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[15]。

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[15]。

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PMW P 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[16]。

罗漫[17]等研究表明,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、除垢功能于一体,也已成功用于热水锅炉等许多方面[5]。

1.2　磁技术在水处理中的应用1.2.1　磁场效应与其它方法的协同作用将磁场效应与其它净水处理方法相结合用于工业给水及排水的水处理,已被大量研究和利用。

前苏联学者将磁处理用于给水处理,结果表明,水中杂质的去除率大大提高,水处理剂的用量也大大减少。

他们将磁技术与离子交换法结合起来用于废水处理时发现,离子交换剂的交换吸收容量和交换吸附速度均大大提高,同时还可以减少离子交换剂的再生次数[11]。

84 武　汉　理　工　大　学　学　报 2002年5月我国研究工作者也进行了不少相关研究。

熊德洪等发现磁化效应能够明显改善絮凝氧化法处理含酚废水的效果[8]。

方启学等研究了极弱磁场复合高分子聚团,发现絮凝效果明显提高[18]。

赵志强的研究结果表明,磁处理可以明显提高蒸氨废液中固体颗粒沉降速度[19]。

雅文生等将磁处理技术引入桂林南溪山医院污水处理站的人工生态系统工程中,有效地强化了该系统处理有机污水的能力[20]。

马伟等人也作了相关大量研究。

他们将磁场作用于氯化铜浸出硫化砷及其它化学反应过程,发现磁场效应促进了化学反应[21,22]。

他们将磁场用于煤气洗涤废水的絮凝氧化处理工艺,可以强化出水的净化效果[23]。

他们还发现,赋磁活性炭粉可以明显提高COD M n、TO C、U V254等的去除率,且容易回收利用[24]。

陈瑞福[25]研究了磁场对磁性吸附剂(Fe3O4)吸附Zn2+、H g2+的影响,磁化吸附剂的吸附量比不磁化大,并随磁场强度增大而增加。

1.2.2　高梯度磁分离技术的应用磁分离技术是利用水中杂质颗粒的磁性进行分离的,对于水中非磁性或弱磁性的颗粒,则可利用磁性接种技术可使它们具有磁性而将其分离除去。

20世纪70年代初,人们生产出了Ko l m～M arston型高梯度磁分离器,因其体积小、效率高等一系列优点,除了被用于选矿方面外,也被广泛用给水、废水处理等方面[10]。

高梯度磁分离器以高饱和磁密不锈钢聚磁钢毛或带锐背的薄钢板作为聚磁介质,当水中污染物对钢毛的磁力作用大于其粘性阻力重力作用时,污染物被截留在钢毛基质上,使杂质或污染物与水得以分离;在切断磁路后,磁力消失,被钢毛基质拢集到的污染物很容易被反冲来,从而达到除去污染物的目的。

国内有大量相关的报道。

帕特斯等进行了利用高梯度磁分离技术处理炼油厂废水处理现场A P I型油水分离器出水的研究,表明磁场加磁种再加混凝剂时出水质量最好。

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,使用该装置处理后的水质符合循环水要求[10]。

张朝升等进行的大梯度磁滤器去除水中藻类的研究表明,该方法去除率高且工艺可靠可行[26]。

宋金璞等进行的高梯度磁滤法除菌研究表明,让未经处理的松花江水和深井水直接通过高梯度磁滤器,便可去除水中的细菌和大肠杆菌,去除率在90%以上[4]。

罗漫等人的研究也表明磁处理具有较好的杀菌作用[7]。

陈风冈等也曾报道过高梯度磁分离在给水处理中的生产试验情况,发现该工艺具有处理效率高、经济、适应性强等优点[3]。

此外,王龙贵报道了利用从粉煤灰中回收的磁珠作磁种,加混凝剂,利用高梯度磁分离技术处理含磷废水,具有很大的优越性[27]。

1.3　磁技术在防治大气污染方面的应用前苏联学者研究了磁场对湿法除尘的影响。

结果表明,经磁处理的水的捕尘效果,远远大于普通水和加入表面活性剂水的捕尘效果[11]。

美国的古丁等人,使用高梯度磁分离器处理氧气顶吹转炉和电弧炼钢炉产生的烟尘,并进行了实验室和半工业性的试验,实验条件:磁感应强度0.2～0.6T,钢毛填充率0.5%～1%,烟气流速4.9～11.9m s,烟气温度24～26℃,粉尘粒径0.22～8.7Λm。

试验结果表明,该方法对头固流中受试的两种工业粉尘的去除率均达99%以上,且对粒径1.5Λm左右的粉尘去除效果最佳[10]。

汽车排气污染已成为我国城市空气污染的主要因素之一,严重影响到人类的身体健康和经济的可持续发展。

俞明等人进行了燃油磁化对发动机排放与节能影响的试验研究。

分别对装夹于化油器入口处和悬浮于油箱中两种类型的燃油磁化方式与无磁化状况进行对比试验。

结果表明,两种磁化方法均使CO排放量减少。

而将磁化器装夹于化油器入口处时,HC排放量和燃油经济性均有一定的改善[9]。

此外,使用高梯度分离技术还可以脱去煤中的硫分和灰分[10]。

1.4　磁技术在固体废物处理方面的应用利用磁分离技术用于垃圾中磁性物质的分选已是比较成熟的技术。

磁分离技术还可广泛应用于工矿企业废渣的分选处理。

例如,使用高梯度磁分离技术可以分选炉渣、铜冶炼渣、铬和铁矿废渣。

使用高梯度磁分离和化学选矿联合方法还可分选硫酸厂的废渣,分离出符合冶炼要求的铁精粉[10]。

20世纪90年代,河南省粉煤灰中心磁化肥课题组,将粉煤灰与多元肥料在强磁场的作用下进行复合极化,制备出粉煤灰磁性复合肥。

该肥料可以改良土壤结构,防止酸化板结,培育土壤肥力,减少单质化肥的施用量。

孙克刚等人将粉煤灰磁化肥用于南阳黄揭土大豆、花生种植上,取得了良好效果[29]。

2　磁化学在环境保护中应用的机理研究2.1　磁场的阻垢除垢机理有关磁场阻垢除垢的机理有大量相关报道。

磁场对水的表面张力和活性、对水溶液中阳离子和阴离子、对水溶液体系中的各种微粒以及溶解结晶平衡等均有着不同的影响。

D eren 的研究表明,磁处理后的晶核增长受到抑制,成核速率却大大增加,从而能生成更多的不规则的晶体[30]。

W ang Y 等[31]对N a 2CO 3和CaC l 2过饱和溶液的研究也证实,磁场明显有助于溶液很快生成较小的CaCO 3晶粒。

Donadson J D 等的研究表明,在CaCO 3溶液蒸发沉淀过程中,磁处理能使方解石和文石的比例由无磁场作用时的80∶20变为20∶80[32]。

文石结晶较疏松,不易结垢,H igssh itan t K 等也认为磁处理能使CaCO 3溶液的文石优先生长[33]。

H er 2zong R E 等认为Fe 2+等污染物的存在会抑制文石向方解石转变[34]。

磁除垢技术也可以认为是建立在“磁致胶体效应”理论基础之上的,即磁场作用使多相平衡体系的能量发生转变,诱发物质相变或体系平衡破坏,有利于形成弥散细小的相分布。

总之,目前磁处理阻垢防垢的理论也取得了不少进展,但仍有不少争议之处。

2.2　磁分离及除菌机理研究磁分离机理基本建立在传统的磁选(干式或湿式)理论基础之上。

以湿式磁分离为例,当水中的微粒随水流动通过梯度磁场时,这些微粒可看作磁偶极子,其受到磁力(F m )的作用。

F m =x V H (2Β2x)式中:x 为磁化率,V 为颗粒体积,H 为磁场强度。

与F m 抗衡的主要是粘度阻力F d ,该力遵循Stokes 定律,F d =6ΠΓu ,Γ为粘度,r 为粒子半径,u 为粒子运动速度。

当磁力F m >F d 时,微粒将被磁体吸引住。

为了提高磁分离的效率,可以采取以下措施:(a )提高磁场强度和磁场梯度;(b )通过磁接种剂提高悬浮颗粒的磁化率x ;(c )通过磁聚和絮凝的方法增大粒子粒径;(d )选择合适的流速和增加流体与磁体表面的接触面积。

磁处理的杀菌作用主要基于两个方面,一是细菌通过磁吸附而分离;二是水在梯度磁场中流动,使通过垂直于流速方向面内的磁通发生变化而引起感应电流,从而对水中的细菌活性产生影响。

2.3　磁场效应对化学反应影响机理的研究目前有关磁场对化学反应影响机理的研究,较深入和成熟的领域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影响反应速率机理;三重态——三重态机理;三重态——偶极子对机理和三重态机理等。