王軍,郭軍剛,范崢
(1.陜西華光實(shí)業(yè)有限公司,陜西華縣714102)
(2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心,陜西西安710077)
(3.西北大學(xué)化工系,陜西西安710069)
高梯度磁分離法是指利用磁場中磁化基質(zhì)的感應(yīng)磁場和高梯度磁場所產(chǎn)生的磁力從反應(yīng)體系中分離出目標(biāo)產(chǎn)物的一種方法。高梯度磁分離法最早出現(xiàn)在20世紀(jì)早期,但是由于在當(dāng)時的條件下磁分離器所能達(dá)到的磁場強(qiáng)度和梯度還比較低、磁場強(qiáng)度也不能改變等缺點(diǎn)使得高梯度磁分離法的應(yīng)用受到了一定程度的限制,發(fā)展比較緩慢。然而,隨著高梯度磁分離技術(shù)的改進(jìn)和完善,電磁分離器的磁場梯度得到了大大提高,分離能力也得到了明顯的增強(qiáng),高梯度磁分離法開始逐漸受到世界各國的普遍關(guān)注和高度重視,理論研究不斷深化。由于與傳統(tǒng)的分離方法相比,高梯度磁分離法具有工藝簡便、設(shè)備緊湊、效率高、速度快、成本低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),因此,它被廣泛地應(yīng)用于能源、化工、生物、醫(yī)藥、冶煉、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。
磁是一種非常普遍的現(xiàn)象,在我們的日常生活中隨處可見,無論是電子元件、通訊器材,還是電氣設(shè)備、工業(yè)裝置,都可以看到磁效應(yīng)和磁性材料的身影。磁分離作為磁技術(shù)的重要應(yīng)用,一直以來便是人們爭先研究的焦點(diǎn)。
有關(guān)磁分離的第一項英國專利是1792年富拉頓用來精選鐵礦的,不久,美國也發(fā)表了一項工業(yè)磁選機(jī)專利[1]。從電磁式弱磁場選礦過渡到永磁式選礦這一歷史性跨越標(biāo)志著磁分離技術(shù)在發(fā)達(dá)國家選礦領(lǐng)域已經(jīng)日臻成熟,感應(yīng)輥式強(qiáng)磁選機(jī)作為上世紀(jì)20年代強(qiáng)磁選機(jī)家族的杰出代表,應(yīng)用最為廣泛,但遺憾的是這種強(qiáng)磁選機(jī)只有一個分選面,結(jié)構(gòu)笨重且成本較高。60年代末,麻省理工學(xué)院磁體實(shí)驗室科姆教授成功研制了第一臺高梯度磁選設(shè)備,并提出了無鐵芯高梯度磁選專利[2],它巧妙地把鐵軛包在線圈外部從而構(gòu)成磁路,利用線圈內(nèi)腔作為分離空間,這就極大地提高了單位重量磁分離器的處理能力,此外,它還把不銹鋼導(dǎo)磁材料作為聚磁介質(zhì),使其在微小空間中出現(xiàn)較高的磁場梯度,使得弱磁性的微細(xì)顆粒甚至半膠體顆粒得到高效去除。70年代初,科姆和馬斯頓合作研制的世界上第一臺工業(yè)生產(chǎn)用高梯度分離器一經(jīng)出現(xiàn)[3],就以其體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、處理量大、維護(hù)容易、適應(yīng)范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn),使傳統(tǒng)的磁分離技術(shù)發(fā)生了重大變革。迄今為止,科姆-馬斯頓型高梯度磁分離器已被成功地應(yīng)用于諸多科學(xué)試驗和實(shí)際應(yīng)用中,取得了令人滿意的效果。
高梯度磁分離器通常由軛鐵、電磁線圈和裝填不銹鋼毛的分離容器組成。通電時,電磁線圈產(chǎn)生電磁場,流過分離器的磁性顆粒在磁場中受到磁力的作用,被鋼毛基質(zhì)捕獲。分離器的磁場力愈強(qiáng),捕獲磁性顆粒的可能性就愈大。理論上,磁性顆粒所受的磁場力Fm同磁場強(qiáng)度H、磁場強(qiáng)度梯度磁性顆粒的磁化率x和體積V等呈正相關(guān)關(guān)系[4]:
從上式可以看出,對于一定粒度的顆粒(V一定)來說,增大這3個參數(shù)中的任何一個都可以增大磁場力Fm。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,由于增大磁場強(qiáng)度H要耗費(fèi)大量電能,而提高磁性顆粒的磁化率x則受到材料特性的約束,因此,增大磁場力Fm往往通過增大磁場強(qiáng)度梯度的方法來實(shí)現(xiàn)[5]。
磁場強(qiáng)度梯度是指單位距離的磁場強(qiáng)度變化,它的產(chǎn)生主要依靠分離器中的填料來實(shí)現(xiàn)[6]。其方法通常是在強(qiáng)磁場的N極和S極之間投加大量100 μm左右的不銹鋼毛,使磁力線的疏密程度發(fā)生較大變化,從而構(gòu)成高梯度磁分離空間[7]。當(dāng)含有磁性懸浮微粒的反應(yīng)體系通過高梯度磁分離器時,磁性顆粒便會被截留下來,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的分離。
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,對水的需求量也在以驚人的速度增加。因此,合理地節(jié)約用水、降低水消耗和進(jìn)行污水處理是解決目前水資源短缺、水資源利用率低的一項重大課題。由于傳統(tǒng)的化學(xué)水處理方法不僅需要消耗大量的化學(xué)藥品,而且其反應(yīng)產(chǎn)物還可能造成二次污染[8],因此,高梯度磁分離法作為近代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科,在處理工業(yè)用水方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和強(qiáng)大的生命力。
周彤等[9]通過高梯度磁分離法對開山屯化學(xué)纖維槳廠的紙漿廢水進(jìn)行處理,并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。黃自力等[10]研究了通過添加磁種和混凝劑,用高梯度磁分離技術(shù)去除污水中正磷酸鹽污染物的方法,并對其一系列工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的討論。儲著瑋等[11]利用高梯度磁分離技術(shù)簡易、快速地回收酸性洗銅廢水中的有價金屬銅,并討論了萃取劑、酸度、填充密度以及流速對回收效率的影響。姚曄棟等[4]研究了利用高梯度磁分離法處理含油廢水的基本原理和工藝條件,并指出當(dāng)廢水含油量wo,in=(120~700)×10-6,wCOD,in=2.1×10-3時,利用高梯度磁分離法可使油和化學(xué)需氧量的去除率均達(dá)到80%左右。
糖蜜酒精廢水作為大型綜合性糖廠排放的主要污染物,一直以來便是制糖工業(yè)面臨的一個棘手問題。糖蜜酒精廢水是高濃度有機(jī)廢水,其污染物主要包括懸浮在廢水中的固體不溶物、油脂、蛋白質(zhì)、淀粉、膠體,溶解在水中的糖、酸、堿、鹽以及可能存在的病毒、病菌等。由于糖蜜酒精廢水中主要含有一些有機(jī)物質(zhì),磁性很弱,幾乎不具有磁性,不能直接采用高梯度磁分離法對其進(jìn)行分離,因此,只有向溶液中投加適量的"磁種"才能增加體系的磁化率,有效地降低糖蜜酒精廢水的色度、濁度以及化學(xué)需氧量。鄭必勝等[12]通過大量試驗發(fā)現(xiàn),糖蜜酒精廢水的處理和"磁種"的再生可以通過調(diào)節(jié)溶液的pH值來進(jìn)行控制,并指出糖蜜酒精廢水處理的最佳pH值為5左右,而"磁種"再生的最佳pH值則為11左右,從而為糖廠解決廢水污染、促進(jìn)綜合利用提供了詳細(xì)的科學(xué)依據(jù)。
礦產(chǎn)資源作為人類社會最重要的物質(zhì)生產(chǎn)資料之一,一直以來便是國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈上最重要第一環(huán)。由于我國礦產(chǎn)資源普遍存在著單一礦少、綜合礦多的復(fù)雜局面,假如繼續(xù)沿用過去那種單一開發(fā)、丟棄其他的落后開采方式,必將導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染和自然資源的極大浪費(fèi)。因此,利用高梯度磁分離技術(shù)對礦產(chǎn)進(jìn)行有效的分選不僅能夠提高礦產(chǎn)資源的品位,同時,還可以變廢為寶,提高礦產(chǎn)資源的綜合利用率。
朱友益等[13]在原礦含鐵33.53%、細(xì)度小于0.074 mm占70%的條件下,通過永磁立環(huán)高梯度磁選機(jī)對酒鋼樺樹溝鐵礦的弱磁性鐵礦物進(jìn)行了分選,并使分選后的精礦品位達(dá)47.54%、回收率達(dá)71.50%。贛州精選廠使用高梯度磁分離法對黑、白鎢混合精礦進(jìn)行分離,使黑鎢精礦WO3品位達(dá)到62.41%,黑鎢礦的總回收率達(dá)到81.06%[14]。瑞典加爾彭貝里精選廠利用高梯度磁分離技術(shù)從鉛精礦中回收銅,韶關(guān)精選廠用高梯度磁選機(jī)從鉬精礦脫銅[15],而墨西哥科拉韋拉州的赫爾庫萊斯鐵礦則使用高梯度永磁磁選機(jī)從尾礦中回收了大量的含鐵礦物[16]。
目前,工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中丟棄的固體廢料主要包括工業(yè)廢渣、廢機(jī)動車輛、廢電子電器產(chǎn)品、城市垃圾及其焚燒渣等。利用高梯度磁分離技術(shù)對固體廢料中的有用部分進(jìn)行分離和回收,不僅能夠極大地節(jié)約成本,提高資源利用率,同時還可以起到保護(hù)環(huán)境、減少污染的重要作用。例如,德國Schmclzer[15]經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn),城市廢料垃圾焚燒后產(chǎn)生的固體廢渣經(jīng)破碎、篩分和磁選后可以得到大量的磁性產(chǎn)物和有色金屬物料。
高梯度磁分離法是一種新興的分離技術(shù),它對于處理廢水中的磁性物質(zhì)而言,具有工藝簡便、設(shè)備緊湊、效率高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn),但由于其增加了"磁種"的投加、分離和再生等操作步驟,從而使得工藝過程復(fù)雜化,成本也相應(yīng)提高[6]。目前,超導(dǎo)高梯度磁分離法作為新一代的高梯度磁分離技術(shù),正以其耗電少、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)吸引著人們的廣泛關(guān)注[17,18]。高梯度磁分離法作為分離科學(xué)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)之一,其主要的發(fā)展方向是開發(fā)新的"磁種"類型,探索"磁種"的分離和再生技術(shù)以及研究減少高梯度磁分離法電耗和提高處理效率的方法等[19]。相信在不遠(yuǎn)的未來,高梯度磁分離法必將迎來一個更加美好的明天。
[1]M·R·Parker.The physics of magnetic separation[J].Contemp.Phys,1977,18(3):27-29.
[2]H·Kolm.Process for magnetic separation[P].U.S.Patent:3676337,1972-07-11.
[3]P·G·Marston.Magnetic separator and magnetic separation methods[P].U.S.Patent:362-7678,1971-12-14.
[4]姚嘩棟,錢學(xué)玲,李道棠,等.高梯度磁分離法處理含油廢水[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2003,37(11):1791-1794.
[5]孫巍,李真,吳松海,等.磁分離技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用[J].磁性材料及器件,2006,37(4):6-10.
[6]鄭必勝,郭祀遠(yuǎn),李琳,等.高梯度磁分離的特性及應(yīng)用[J].華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1999,27 (3):41-45.
[7]顏幼平,周為吉,林美強(qiáng).大氣污染控制中高梯度磁分離技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),1999,12(4):51-54.
[8]賈亮,李真,賈紹義.磁化技術(shù)在工業(yè)水處理中的應(yīng)用[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2006,23(1):59-64.
[9]周彤,田建民,楊正純,等.高梯度磁分離處理紙漿廢水試驗研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,1984,5(8):18-25.
[10]黃自力,胡壓華."磁種-高梯度磁分離"污水除磷技術(shù)的研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4 (5):70-73.
[11]儲著瑋,王永寧,楊巧文,等.磁性萃取劑高梯度磁分離法處理酸性洗銅廢水[J].化學(xué)工程師,2006,(7):23-25.
[12]鄭必勝,郭祀遠(yuǎn),李琳,等.應(yīng)用高梯度磁分離技術(shù)處理糖蜜酒精廢水[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1999,19 (3):252-255.
[13]朱友益,雷明.永磁立環(huán)高梯度磁選機(jī)分選弱磁性鐵礦試驗研究[J].冶金礦山設(shè)計與建設(shè),1996,(2):20-24.
[14]林海清.近20年來我國鎢選礦技術(shù)的進(jìn)展[J].中國鎢業(yè),2001,16(5-6):69-75.
[15]張涇生,羅立群.細(xì)粒物料磁分離技術(shù)的現(xiàn)狀[J].礦冶工程,2005,25(3):25-29.
[16]B·波提洛,張振宇.使用高梯度永磁磁選機(jī)從尾礦庫尾礦中回收鐵[J].國外金屬礦選礦,1998,(9):31-35.
[17]J.Svoboda,T.Fujita.Recent developments in magnetic methods of material separation[J].Minerals Engineering,2003,16(9):785-792.
[18]F.J.Blunt,A.M.Campbell.Magnetic separation of superconductors[J].Cryogenics,1991,31(8):728-731.
[19]E.Maxwell.Magnetic separation― the prospects for superconductivity[J].Cryogenics,1975,15(4):179-184.