高梯度磁分离技术研究进展
摘要: 本文介绍了高梯度磁分离技术的发展历史，及其应用领域。
关键词: 高梯度磁分离技术；磁选机；水处理；
Abstract: The essay briefly introduces the history of high gradient magnetic separation technique, and it’s application rage.
Key words: high gradient magnetic separation technique;magnetic separation; water treatment
1 引言
磁分离技术是一门新兴的环境保护技术。国外自70年代开始进行研究以来，磁分离技术作为物理处理技术已在高岭土的脱增白、煤的脱硫、矿石的精选、生物工程、酶反应工程等领域得到了广泛的应用[1]，并成功地应用于城市工业废水和生活污水、废料、污染的河水、湖水以及饮用水[2]的处理。
高梯度磁分离技术（High Gradient Magnetic Separation, HGMS）是利用不同物质在磁场中具有不同的磁性的特点来分离混合物的技术[3]。一般的做法是：在电磁线圈产生的磁场中加入高磁化强度的聚磁感应介质，形成磁力线的非均匀分布，从而产生高梯度磁场，得到强大的磁场力（见表1），促使弱磁性物质向聚磁感应介质移动，并吸附于介质之上，使其与非磁性物质分离[4]。
表1 各种磁分离机的磁场强度、磁场梯度和磁场力
性质
磁分离机种类
磁场强度
磁场梯度
磁场力
永久磁铁式磁分离机
0.5～2
0.5
0.25～1
湿式强磁场分离机
10～20
100～200
1000～4000
HGMS(高梯度磁分离机)
20
2000～200000
40000～400000
2.高梯度磁分离技术发展历史
1967年 8月 ,美国的 Ianncelli J博士将 Frantz磁选机的早期高梯度与 Jones磁选机的强磁场结合起来 ,形成第一台高梯度磁选机的雏形[5]。1972年 ,太平洋电机公司 ( PEMC )制成第一台 PEM84周期式高梯度磁选机。美国治亚洲和英国康沃尔郡曾用这种磁选机提纯高岭土[6]。1975年 ,萨拉磁力公司制造了第一台周期式高梯度磁滤机 SALA214 - 14 - 5用于处理钢厂废水[7]。1976年，美国环保局投入19万美元来研制开发用于工业烟气除尘的高梯度磁分离器。当时 Gooding估计这种除尘技术比起传统的过滤技术、湿式除尘器以及静电除尘器要灵活、经济[8]。1979 Gooding等发表了高梯度磁分离技术除尘的小规模实验室结果[9],随后又进行了半工业性的实验[10]。为了使高梯度磁分离器进一步节省能耗和提高效率，可以用高温度超导体代替铁芯。Selvaqqi. J. A.研究了用铌-钛超导体代替铁芯，在相同的激磁电流下，产生的磁强度要大的多[11]。荷兰 Smit - Nymegen公司专门开发了一种污水处理用高梯度磁过滤器,并成功地进行了工业试验[12]。Lua. A. C.应用高梯度磁分离对BOF粉尘进行实验[13]，在试验中研究了钢毛负荷量并考虑了钢毛的物理参数对除尘效率的影响。1995年Waston. J. H. P设计了用于核工业排放的烟气处理的高梯度磁分离器[14] 。Mattias
Franzred 等人针对电磁高梯度过滤器能耗高的问题,开发出了一种专用于污水处理的 Carousel 永磁型 HGMF,连续试验表明, 在最优工艺条件下,含磷废水经该设备处理后,出水中磷含量可降至0.5mg/L以下,去除率达80%以上[15]。
自1972年到现在，萨拉磁力公司研制了Mark Ⅱ、Mark Ⅲ、SALA- HGMS120、SALA-HGMS185和SALA-HGMS480型等多种转环式磁选机。国内长沙矿冶研究院等单位根据Jones式平环高梯度磁选机也设计出更先进的SHP平环高梯度磁选机。选择性差和介质易堵塞等原因，使平环高梯度磁选机在工业应用上受到较大的限制。为了获得更好的分选效果，第十五届国际选矿会议上出现了两种连续作业的立换高梯度磁选机[16,17]：一种是美国制造的永磁立环高梯度磁选机，称为铁轮磁选机(Ferrours Wheel Magnetic Separation)；另一种是捷克布拉格选矿所研制的VMS双立环高梯度磁选机。第十六届国际选矿会议上介绍了另一种在VMS型上发展而成的VMKS-1立环高梯度磁选机[18]。这类磁选机采用了反冲磁性颗粒的方法，使粗颗粒不必穿过磁介质就能被冲洗出来，因而具有不易堵塞的优点。但是这些磁选机同时都存在磁介质机械夹杂、磁性产品品位难以提高的问题。为了克服这些问题又研究了振动高梯度磁选机、脉动高梯度磁选机、振动-脉动高梯度
磁选机[19,20]。其中，国内研究最成功的是Slon脉动高梯度磁选机，现在已成功应用于某些复杂氧化矿的工业生产。
3.高梯度磁分离技术的应用
3.1 在水处理上的应用
（1） 高梯度磁分离技术在给水处理中的应用
1970年，澳大利亚国立研究组织开发了基于磁种絮凝技术与磁场相结合的给水处理工艺——Sirofloc工艺，通过调节PH值来实现污染物在磁种表面的吸附和脱附，利用磁场回收磁种。目前全球有包括英国约克郡水厂在内近十家给水处理厂采用该工艺。哈佛大学的研究者发现，某些病毒（如最常见的大肠杆菌）会吸附于磁性离子上，他们采用投加Fe3O4和GaCl2去除水中的噬菌体T7，去除率可达95%以上[21]。国内哈尔滨建筑大学宋金璞等自1978年以来，针对高梯度磁分离在给水处理中的应用进行了系统研究，确立了基于高梯度磁分离的净水工艺[22,23] 。
（2） 高梯度磁分离技术在工业废水处理中的应用
在工业水处理领域，高梯度磁分离技术的最早应用实例是钢铁工业废水处理[24]。由于钢铁工业废水中具有大量磁性微粒，可以直接采用HGMS去除，简单方便。我国上海的第一、第五钢铁厂及宝钢都采用了高梯度磁分离滤法处理轧钢废水。高梯度磁过滤还可以用于发电厂及其它热电厂的蒸汽冷却循环水处理[25] ，从中去除细粒铁磁性氧化物（Fe3O4，λ-Fe2O3和α-Fe2O3）、铁磁性或顺磁性放射性金属元素及化合物。去除重金属离子一直是高梯度磁分离处理工业废水的研究重点[26～28] 。最新的研究表明，可以用一种磁场中能够定向运动的、具有磁性的细菌——趋磁细菌(Magnetotactic bacterium，MTB)代替磁种，利用趋磁细菌对重金属离子的吸附作用以及高梯度磁分离器对趋磁细菌的去除作用将废水中的贵重金属离子很好的除去并回收[29,30]。在国内，郑必胜[31,32] 等人开展了糖蜜酒精废水食品发酵工业废水的高梯度磁分离处理系统研究，大量试验表明采用磁种絮凝——高梯度磁分离处理后，其浊度、度和COD都得以大大降低。
（3）高梯度磁分离技术在城市污水处理与再生利用中应用
20世纪80年代，Sirofloc工艺在给水处理中应用成功后，其发明人Tony Priestley等人就致力于该工艺在城污水处理中的应用研究。并在澳大利亚墨本
城市污水处理厂建立了一日处理量为500×104L中试场，中试发现采用Sirofloc工艺仅需15min即可清除污水中85%固体悬浮物和90%油脂，比常规方法快近40倍，经此中试场处理后的污水，己净化到足以某些工业再利用或直接排放入海。尤其引人瞩目之处还在于：它作为一项快速和简易方法，可作为污水进一步处理的前段工序，而且Sirofloc工艺全套设施紧凑(仅为传统的1/5)，十分适宜于空间有限的城市。针对城市污水磷含量高，导致水体富营养化的问题，早在1973年，De.Latour就开展了HGMF去除污水中磷的可行性探索试验研究[33]，据报道最早的工业试验则由荷兰Smit-Nymegen公司完成，该公司开发了一种专门用于污水处理高梯度磁过滤器(aquamag)，该过滤器采用周期式作业，工作背景场强为0.2T[34]，日本东京市政管理局也开展了HGMS除磷的半工业试验，试验采用Solenord型高梯度过滤器，作业场强为0.3T[35]开展了城市污水的磁种絮凝——高梯度磁分离净化工艺及其理论机理的研究，试验表明，磁种絮凝——高梯度磁分离净化工艺能显著降低城市污水中的COD，BOD5及SS含量，并对磷、重金属等污染物去除有特效，同时又具有很强的杀菌作用。
3.2 在燃煤脱硫中的应用
硫以两种形式存在于煤中，一种是无机硫，即黄铁矿，一种是有机硫，属碳氢化合物的组成部分。黄铁矿是顺磁性的，煤是抗磁性的，两者磁性不同，因此高梯度磁分离技术就成为燃煤脱硫的一种方法。用高磁分离对煤脱硫可分为湿法、干法和溶剂精制(SRC)三种。湿法首先由S.C.Trindade和H.Kolm对巴西煤进行实验，旨在降低硫和灰份的含量，得到适合于冶金用的优质煤[37,38,39]另外，冯.德里尔详细的描述了用HGMS法分选西德四种不同类型煤的实验[40]。干法脱硫是是把煤粉碎后用空气或氮气作载体通过高磁分离器，表2列出了弗里.波特和肯塔基煤的高梯度磁选结果。
表2  煤的高梯度干法磁选结果
煤
低的流速m/s
降低率（%）
热量回收率%
S
灰分
弗里波特（Free Pott）(-150+75μm)
0.25
63.3
56.3
94.7
0.46
61.7
62.0
95.6
肯塔基（Kentucky）(-600+150μm)
0.25
bacterium19.9
49.1
93.0
0.46
18.4
40.8
93.9
0.25
23.0
45.6
89.2
0.46
23.0
51.9
92.4
SRC方法仍处于一种半工业实验阶段，处理能力50吨/天，但它是一个有重要发展前途的加工过程，在此高梯度磁选机最终可能会用在大规模生产中。其应用的可行性研究已经由几个研究小组进行。
3.3 细粒弱磁性物料的磁分离
20世纪 80年代初江西赣洲有研究所开始研制 Slon型脉动高梯度磁选机 ,现已广泛应用于我国赤铁矿选矿中。满银沟铁矿利用 SLon立环脉动高梯度强磁选机处理低品位矿石 ,通过 1台 SLon - 1000脉动高梯度磁选机和 1台 SLon - 750脉动高梯度磁选机组成一粗一扫流程 ,原矿品位在 50. 16%左右时 ,可得到粗选精矿品位 60. 31%、产率 42. 75%、回收率 51. 40% ,扫选精矿品位 55. 17%、产率 19. 24%、回收率 29. 36% ,综合精矿回收率 70. 64%的选矿指标[41]。马钢姑山铁矿原矿含磷平均 0. 57% ,且难磨难选 ,以前的工艺和设备达不到马钢公司对精矿的要求 (铁精矿品位高于 58. 80% ,含磷不高于 0. 25% )。采用 SLon型立环脉动高梯度磁选机一次粗选、一次精选、一次扫选的工艺流程后 ,在原矿品位 45. 86%、含磷 0. 456%、磨矿 - 0. 074 mm粒级占80%时 ,铁精矿品位达到 60. 0%以上 ,含磷 0. 207% ,含磷量下降了 0. 25个百分点左右 ,取得了很好的降磷效果和良好的经济效益[ 42,
43 ]。攀枝花选钛厂将 SLon- 1500型立环脉动高梯度磁选机应用于微细粒级钛铁矿强磁 2浮选流程中的磁选部分 ,当给矿的 TiO2 品位为 9. 23%时 ,经一次磁选作业 ,获得了含 TiO2 为19. 58%的精矿 ,回收率为 63. 12%[44]。
3.4 在生物工程上的应用
生物磁分离技术特别是生物高梯度磁分离技术 ,在医学、生物学、生物医药领域有着广泛的应用 ,用于细胞类 RNA与 DNA的调制、提纯、排序、生物组织和免疫技术的分离[45]。如血液分离中利用脱去氧的红细胞相对于水的磁化率比 CuO的磁化率低两个数量级 ,用高梯度进行磁分离来生产低红细胞或准备非常纯的红细胞 ;在贵重微量元素的提取中 ,利用藻类生物的吸附作用 ,将这些元素离子吸附在藻体上 ,这样形成的离子的磁化率就会大大增强 ,就可利用高梯度磁分离技术提纯贵重微量元素[46];医学上用于磁性示踪标定跟踪待测细胞和显微区域 ,将待测试样制成磁性生物凝胶 ,用高梯度进行磁分离处理。
3.5 其他方面的应用
高梯度磁分离技术还能用于土壤净化[47] 、核燃料废料处理[48]、钠米磁性颗粒的分离[49]
等领域。综上所述 ,高梯度磁分离技术作为对环境友好的高效清洁技术 ,应用已突破传统的矿物加工领域 ,在环境工程、土壤治理、生物工程、纳米材料等方面具有广阔的应用前景。但是 ,国内高梯度磁分离工艺的工业应用比较有限 ,因此加强对高梯度磁分离技术的开发利用是非常重要的。
4.结语
高梯度磁分离技术是物料多种处理技术中的一种。这种技术可在较大范围内调节磁场强度来控制它对物料的选择性。人们多年来花费了大量的精力来设计和改良高梯度磁选机 ,使它在更广的范围得到应用。HGMS得到重视和发展的原因，一方面是能源和资源日趋紧缺、环境污染日益严重，越来越引起人们的关注，而HGMS能省资源，不产生三废污染；另一方面作为一种分离技术，它具有自己的显著特点：料液流速快、阻力小、处理量大；装置占地面积小、操作费用低；能脱除的物质种类多，效率高；设备耐高温、高压、耐酸、碱。这些特点对工业应用很有吸引力。可以预料 ,在不久的将来新的高梯度磁分离技术会在更多的领域应用。
参考文献
[1]. Hirschbein B L, Brown B W, Whitesides G M. Chemtech.. 1992, 3: 172-179.

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