王柏瑋 任 菡 劉 珂 牛銳銳 李澤正 高麗娜 張師平 吳 平

(北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院磁光電復(fù)合材料與界面科學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

在節(jié)能減排背景下，鋼鐵行業(yè)的高能耗、高排放使其承受了巨大的社會(huì)壓力。據(jù)統(tǒng)計(jì), 生產(chǎn)每噸鋼材時(shí)廢水的排放量為2.5～15m3，其中氧化鐵皮、氧化鐵細(xì)粒懸浮物的含量一般為幾百到數(shù)千mg/L[1]，其數(shù)量和經(jīng)濟(jì)價(jià)值十分可觀。處理這種廢水的傳統(tǒng)工藝，是加絮凝劑、助凝劑在濃縮池內(nèi)進(jìn)行混凝沉淀，用機(jī)械法脫水，分離出其中的鐵磁顆粒。傳統(tǒng)工藝的處理系統(tǒng)復(fù)雜，工藝流程長(zhǎng)，很難滿足循環(huán)使用的要求。

磁分離方法目前在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域有著越來(lái)越多的應(yīng)用[2]，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域，來(lái)處理鋼鐵廠、造紙廠、電鍍廠、紡織印染廠等工業(yè)廢水[3]以及城市生活污水，取得了較好的效果。鑒于鋼鐵冶煉過(guò)程的工業(yè)廢水中氧化鐵含量較高，磁分離方法對(duì)這種工業(yè)廢水會(huì)有良好的處理效果。本文提出了一種使用環(huán)形螺繞環(huán)內(nèi)部形成的梯度磁場(chǎng)對(duì)富含氧化鐵顆粒的液體進(jìn)行磁性顆粒富集回收的原理性方法。

1 理論基礎(chǔ)

順磁性顆粒處于梯度磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)受到磁場(chǎng)施加的磁化力的作用，并在此作用下趨向于向磁場(chǎng)增大的方向運(yùn)動(dòng)。這種情況不僅存在于縱向非均勻(梯度)磁場(chǎng)中，也同時(shí)存在于橫向非均勻(梯度)磁場(chǎng)中?？v向梯度磁場(chǎng)是指磁場(chǎng)的梯度方向與磁場(chǎng)方向相同，橫向梯度磁場(chǎng)是指,磁場(chǎng)的梯度方向與磁場(chǎng)方向垂直。朱重光[4，5]、蔡軍[6，7]、栗鳳超[8]、冀冰[9]、高麗娜[10]等研究了氧氮混合氣體、順磁性離子溶液及納米顆粒溶液等在橫向梯度磁場(chǎng)中的磁致流動(dòng)行為，為順磁性顆粒在橫向梯度磁場(chǎng)中的流動(dòng)行為研究打下了良好的基礎(chǔ)。

假設(shè)一個(gè)順磁性顆粒放置在橫向梯度磁場(chǎng)中，如圖1所示，可以將該顆粒等價(jià)為許多微小的電流環(huán)，其磁矩為：mi=ISen=I?sdS，其中，I為環(huán)中電流；S為電流環(huán)所圍面積；en為右旋單位法線矢量。由安培定律，電流環(huán)在梯度磁場(chǎng)中的受力為[11]

Fi=∮ldF=∮l(Idl×B)

(1)

其中，磁場(chǎng)B=Bxi+Byj+Bzk。

圖1 等價(jià)為電流環(huán)的順磁性顆粒在橫向梯度磁場(chǎng)中的示意圖

(2)

對(duì)于磁性顆粒而言，其y方向所受合力為

(3)

(4)

其中，μ0為真空磁導(dǎo)率；χp為顆粒的磁化率；V為顆粒的體積。可以從式(4)看出，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中磁性微粒所受合力為零，不會(huì)產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，而在一定的磁場(chǎng)梯度下，粒子所受磁場(chǎng)力與其體積和磁化率均成正比。

當(dāng)球形固體顆粒與所處流體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，粒子受到的粘滯阻力

Fd=6πηrU

(5)

其中，η是流體的粘度(Pa·s)；r為粒子半徑；U是粒子相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)于液體中微小的球形顆粒來(lái)說(shuō)，由于粘滯阻力和磁化力的作用，顆粒很快就會(huì)進(jìn)入勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)U可視為定值，顆粒所受粘滯阻力與磁化力相互平衡。根據(jù)(4)、(5)兩式，可得

(6)

式(6)表明，磁性顆粒在橫向梯度磁場(chǎng)內(nèi)所受到的磁場(chǎng)力與顆粒粒徑的尺寸及其磁化率有關(guān)，不同性質(zhì)的磁性顆粒在磁化力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也不盡相同，因此它們會(huì)處于分離通道中的不同位置，而在磁場(chǎng)的梯度方向上形成濃度差，這也就是基于磁泳的磁性分離方法的基本原理。

對(duì)于圖2所示的環(huán)形螺繞環(huán)來(lái)說(shuō)，由安培環(huán)路定理可知

∮B·dr=μ0NI

(7)

其中，N為單圈螺繞環(huán)上的導(dǎo)線總匝數(shù)；I為通過(guò)導(dǎo)線的電流。進(jìn)一步解得

圖2 圓形螺繞環(huán)內(nèi)部梯度磁場(chǎng)示意圖

圖3 磁性顆粒在磁場(chǎng)下受力示意圖

式(8)、(9)說(shuō)明螺繞環(huán)的設(shè)計(jì)能很好地滿足磁泳分離對(duì)磁場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度的要求，通過(guò)控制圓環(huán)半徑、線圈匝數(shù)和勵(lì)磁電流等參數(shù)，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的調(diào)控。此外，式(9)表明磁場(chǎng)的梯度是沿著徑向方向(指向中心)，所以顆粒應(yīng)沿著徑向方向向管內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)磁性顆粒的富集。

采用Ansoft Maxwell 14.0電磁仿真軟件對(duì)圓形螺繞環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行了原理性仿真，輸入?yún)?shù)如下：內(nèi)徑150mm，外徑220mm，安匝數(shù)(匝數(shù)N與電流I的乘積)為1×104，結(jié)果如圖4所示。

圖4 圓形螺繞環(huán)沿x軸方向磁場(chǎng)分布

圓形螺繞環(huán)的磁場(chǎng)主要集中在環(huán)形空腔內(nèi)，在空腔內(nèi)部存在一段急劇下降的磁場(chǎng)，即圖4中橫坐標(biāo)為(150mm，220mm)的這一區(qū)間，這正是產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)、使磁性顆粒受到磁化力作用的圓形空腔區(qū)域。

實(shí)驗(yàn)中，磁性粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)會(huì)被磁化而發(fā)生團(tuán)聚，該機(jī)制也有助于磁性顆粒向管內(nèi)壁方向的聚集。

2 裝置搭建

圖5 實(shí)驗(yàn)用流道及圓形螺繞環(huán)實(shí)物圖

理論推導(dǎo)式(7)和(8)表明，螺繞環(huán)中產(chǎn)生的磁場(chǎng)與勵(lì)磁電流和單位長(zhǎng)度導(dǎo)線匝數(shù)成正比，磁場(chǎng)梯度與螺繞環(huán)半徑成反比，在保持線圈為圓形、能夠產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的前提下，可將骨架構(gòu)造成盤旋形、類彈簧的結(jié)構(gòu)，逐圈向上堆積，如圖5所示。這樣做，粒子同樣可以受到總匝數(shù)為N的勵(lì)磁線圈施加的力，但另一方面，由上兩式可知，不僅減小了螺繞環(huán)的半徑、增大了磁場(chǎng)梯度，也有效地縮小了分離裝置的占地面積。

流道和出口設(shè)計(jì)如圖6所示。

出口的分流部件，既要避免傳統(tǒng)三通器件內(nèi)壁粗糙、容易引發(fā)湍流的不足，又要達(dá)到有效阻隔流道中濃縮液和稀釋液二次混合的要求。其具體設(shè)計(jì)如圖6(b)所示，薄壁隔板伸入流道一定深度，使流道中兩種不同濃度的溶液在出磁場(chǎng)前就被分開(kāi)，能有效避免二次混合的發(fā)生。

圖6 流道截面和出口分流設(shè)計(jì)(a) 流道形狀及截面; (b) 三叉口式出口分流設(shè)計(jì)

基于上述分離核心部件的設(shè)計(jì)，在圓形螺繞環(huán)線圈內(nèi)部空腔中，構(gòu)建了沿徑向反比減小的梯度磁場(chǎng)，使磁性顆粒受到磁化力的作用；通過(guò)將導(dǎo)管構(gòu)造成螺旋形、類彈簧的結(jié)構(gòu)，極大地延長(zhǎng)了磁場(chǎng)的作用范圍；在磁場(chǎng)的有效作用范圍內(nèi)，隨著溶液流動(dòng)磁性顆粒向?qū)Ч軆?nèi)壁徑方向富集，當(dāng)磁性顆粒流動(dòng)到出口處時(shí)，將聚集到內(nèi)壁附近；在出口附近但仍在磁場(chǎng)作用范圍的區(qū)域內(nèi)，通過(guò)隔板將濃度不同的流層引流至不同的承接裝置，實(shí)現(xiàn)磁性顆粒的富集回收。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：在螺旋形類彈簧結(jié)構(gòu)的流道外部包裹漆包線并在流道出口處拼接三叉口分流部件；通過(guò)直流電壓/電流源提供勵(lì)磁電流，蠕動(dòng)泵提供流體動(dòng)力，待富集的目標(biāo)分離物——懸浮于溶液中的磁性顆粒——流經(jīng)梯度磁場(chǎng)并在出口處實(shí)現(xiàn)分流，不同濃度的溶液承接于不同的容器中，整個(gè)富集流程示意圖如圖7所示。實(shí)際搭建裝置結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物模型如圖8所示。

圖7 基于圓形螺繞環(huán)的磁性顆粒濃縮富集減排裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 整體實(shí)驗(yàn)裝置(a) 實(shí)際裝置; (b) 裝置結(jié)構(gòu)示意

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為模擬工業(yè)軋鋼廢水分離情況，實(shí)驗(yàn)制備了均勻分散的磁性顆粒溶液作為目標(biāo)分離物，其中平均顆粒粒徑約為9nm。需要指出的是，該尺寸小于懸浮軋鋼廢液中鐵屑和磁性顆粒的平均粒徑，若能實(shí)現(xiàn)成功富集，便證實(shí)了實(shí)際應(yīng)用的可行性。實(shí)驗(yàn)中，螺繞環(huán)橫向直徑為14cm，盤旋上升7圈，內(nèi)部空腔中的磁場(chǎng)指向螺繞環(huán)中心，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度和梯度分別是98mT、20mT/cm，蠕動(dòng)泵流速為25mL/min左右。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，磁性顆粒進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)被磁化，發(fā)生了磁團(tuán)聚，顆粒尺寸從初始的數(shù)納米團(tuán)聚至數(shù)毫米肉眼可見(jiàn)的尺寸，加大了粒子靠自身重力下沉的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粒子主要富集在斜下方靠近內(nèi)壁的方向。在管道出口處設(shè)置分流裝置，收集管道斜下方靠近內(nèi)壁側(cè)流出的溶液為濃縮液，斜上方靠外壁側(cè)流出的溶液為稀釋液，得到圖9所示的結(jié)果。通過(guò)肉眼可以明顯分辨出濃縮液和稀釋液濁度的差別，說(shuō)明所設(shè)計(jì)裝置可以有效富集磁性顆粒。對(duì)于富集效率的定量分析，需要借助儀器進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)量。

圖9 磁性溶液分離結(jié)果

光束穿過(guò)有一定厚度的均勻近透明液體介質(zhì)時(shí)，在保持溶液性質(zhì)和入射光波長(zhǎng)不變的情況下，溶液對(duì)光的吸收程度只與溶液濃度和液層厚度有關(guān)。如圖10所示，當(dāng)一束強(qiáng)度為I0的平行單色光垂直照射到液層厚度為d、濃度為c的溶液時(shí)，由于溶液中吸光質(zhì)點(diǎn)(分子或離子) 的吸收，通過(guò)溶液后光的強(qiáng)度減弱為IT，根據(jù)比爾-朗伯定律，可以得到溶液吸光度A與溶液厚度b及濃度c的關(guān)系為

圖10 比爾-朗伯定律公式中各物理量定義

實(shí)驗(yàn)采用直射光路，將待測(cè)溶液放入相同型號(hào)的比色皿中，采用鎢燈作為照射光源。此時(shí)吸收層厚度相同，吸光度只與溶液濃度有關(guān)，通過(guò)WGD-8/8A型光柵光譜儀獲得溶液透過(guò)光強(qiáng)信息，就可以對(duì)不同溶液濁度[13]進(jìn)行表征。

通過(guò)對(duì)圖11的光強(qiáng)—波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到稀釋液、原溶液和濃縮液濃度之間的比值分別是：

C稀/C原= 0.850，C濃/C原=1.126

(12)

圖11 原溶液、稀釋液和濃縮液的透過(guò)光譜

可以看出，原溶液流過(guò)裝置后，由不同出口處流出的溶液濃度出現(xiàn)了較大差別：“濃縮口”流出的溶液濃度較高，濃度是原溶液的1.1倍；而“稀釋口”流出的溶液濃度較低，濃度是原溶液的0.85倍；“濃縮口”與“稀釋口”流出溶液的的濃度相差約為32%?？梢?jiàn)，該裝置能有效地富集溶液中的磁性顆粒，并達(dá)到連續(xù)分離顆粒的效果。

圓形螺繞環(huán)中的磁場(chǎng)及磁場(chǎng)梯度與勵(lì)磁電流呈正比關(guān)系。從理論上說(shuō)，在一定范圍內(nèi)，勵(lì)磁電流越大，管內(nèi)的磁場(chǎng)及磁場(chǎng)的梯度值(dB/dx)就越大，顆粒受力越大，越有利于分離；但勵(lì)磁電流過(guò)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的磁場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度，使得磁性顆粒受力過(guò)大，被吸附到管壁處滯留，無(wú)法順暢流出。這說(shuō)明對(duì)于此類裝置來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)最佳的勵(lì)磁電流大小，既能為管道中的顆粒提供足夠大的富集驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)又不阻礙顆粒的流出。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于本文裝置和所制備的Fe3O4顆粒水溶液，當(dāng)溶液流速為25ml/min時(shí)，開(kāi)始階段分離效率隨磁場(chǎng)大小和梯度的增大而升高，勵(lì)磁電流超過(guò)2 A時(shí)，分離效率減小。

溶液的流速對(duì)分離效率也有較明顯影響。當(dāng)流速過(guò)快時(shí)，磁性顆粒通過(guò)流道較快，受力時(shí)間過(guò)短，分離效果不夠明顯；若流速過(guò)于緩慢，粒子在流道的內(nèi)壁方向堆積，形成滯留，分離效果也會(huì)下降。這說(shuō)明對(duì)于此類裝置來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)最佳溶液流速，使富集效果和效率達(dá)到最佳。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種濃聚回收懸浮于液相中的鐵磁顆粒的原理性方法。以環(huán)形螺繞環(huán)內(nèi)部空腔中的梯度磁場(chǎng)為基礎(chǔ)，通過(guò)將導(dǎo)管構(gòu)造成螺旋形類彈簧結(jié)構(gòu)，使溶液中的鐵磁顆粒在一個(gè)甚至多個(gè)環(huán)內(nèi)受到梯度磁場(chǎng)的作用，在隨著溶液流動(dòng)的過(guò)程中向環(huán)形導(dǎo)管內(nèi)壁方向富集。這種裝置具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受自然溫度影響，無(wú)二次污染，滿足循環(huán)分離等方面的優(yōu)勢(shì)，可用于工業(yè)廢水中懸浮鐵磁性細(xì)小顆粒分離和回收。

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