石浚希 吳紫馨 武文君 劉傳薪 彭小牛

湖北大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖北 武漢 430062

引言

在石油工業(yè)中，含有大量鐵鈷鎳等金屬化合物的化學(xué)污水是其排放的化學(xué)污染物之一，肆意排放會(huì)對(duì)土壤、水生生物、人體健康和農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的化學(xué)污染，因此在自然排放前必須進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)處理[1]。

本文針對(duì)石油工業(yè)污水，設(shè)置了一套污水檢驗(yàn)和凈化裝置。由于空間磁感應(yīng)強(qiáng)度極易受鐵磁介質(zhì)存在的影響，并且霍爾效應(yīng)能夠精確地將磁感應(yīng)強(qiáng)度的改變轉(zhuǎn)化為霍爾電壓進(jìn)行間接觀測(cè)，因此能夠通過(guò)對(duì)比施加特定強(qiáng)度磁場(chǎng)后的污水與純凈水中的霍爾電壓值，達(dá)到檢驗(yàn)污染程度的效果；結(jié)合單片機(jī)，通過(guò)藍(lán)牙模塊與手機(jī)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)互聯(lián)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水樣品污染物濃度。當(dāng)污染物濃度超標(biāo)時(shí)，可通過(guò)自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制，將磁粉投入污水中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?。由于磁粉具有良好吸附性[2]，使得污染物附著于磁種，隨后利用磁場(chǎng)使得污染物沉降[3-4]，從而達(dá)到污水處理的效果，直至符合凈水標(biāo)準(zhǔn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

在磁場(chǎng)中能發(fā)生變化并能反之影響磁場(chǎng)的介質(zhì)稱(chēng)為磁介質(zhì)。磁介質(zhì)可分為3類(lèi)：順磁質(zhì)；抗磁質(zhì)；鐵磁質(zhì)。順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)與鐵磁質(zhì)有很大差別，可合稱(chēng)為非鐵磁質(zhì)。經(jīng)典物理認(rèn)為，磁介質(zhì)由分子和原子組成，原子中的電子由于軌道運(yùn)動(dòng)及本身的自旋而形成電流，從而具有分子固有磁矩。對(duì)于順磁質(zhì)，外加磁場(chǎng)后，宏觀上增強(qiáng)空間磁感應(yīng)強(qiáng)度的作用。對(duì)于抗磁質(zhì)，在外加磁場(chǎng)的作用下，宏觀上會(huì)減小空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度。

非鐵磁質(zhì)對(duì)于磁場(chǎng)的影響能力較小，而鐵磁質(zhì)對(duì)于磁場(chǎng)的影響則遠(yuǎn)大于非鐵磁質(zhì)[5]。鐵磁物質(zhì)本身具有磁矩，并且這類(lèi)原子之間發(fā)生自發(fā)磁化作用，合成較強(qiáng)的聯(lián)合磁矩，即磁疇。外加磁場(chǎng)時(shí)，各磁疇的磁矩向外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致單位物理小體積內(nèi)磁化強(qiáng)度M逐漸增大，從而引發(fā)明顯的空間磁感應(yīng)強(qiáng)度變化[5]。鐵磁體的磁化性能方程如下：

由于污水中非鐵磁質(zhì)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度影響微乎其微，因此實(shí)際檢驗(yàn)中污水中非鐵磁質(zhì)對(duì)于空間磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)，只考慮鐵磁質(zhì)的影響。

對(duì)于由鐵磁質(zhì)導(dǎo)致的空間中磁場(chǎng)變化的檢驗(yàn)，我們可以利用霍爾效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如圖1，將一塊導(dǎo)體或者半導(dǎo)體沿著Z軸方向通入磁場(chǎng)，并且沿著X軸方向通入電流I。

圖1 霍爾效應(yīng)示意圖

半導(dǎo)體中載流子受到洛倫茲力的作用：

帶正電的載流子和帶負(fù)電的電子分別向?qū)w或半導(dǎo)體兩側(cè)聚集，從而激發(fā)出抑制兩種載流子繼續(xù)向兩側(cè)聚集的電場(chǎng)，使得載流子受到洛倫茲力反向電場(chǎng)力有：

當(dāng)Fm + Fe =0時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)有數(shù)值關(guān)系：

因此此時(shí)橫向電場(chǎng)兩段的電勢(shì)差為：

設(shè)n為載流子密度，可得霍爾電勢(shì)差為：

可見(jiàn)在外加磁場(chǎng)的情況下，由于鐵磁質(zhì)的磁疇發(fā)生變化，導(dǎo)致空間中的磁場(chǎng)B增大，又由于磁場(chǎng)B和霍爾電勢(shì)差呈正相關(guān)，因此純水中的所測(cè)得的霍爾電勢(shì)差和污水中測(cè)得的霍爾電勢(shì)差是不同的，且鐵磁質(zhì)含量越高，磁場(chǎng)B的增大量越大，從而導(dǎo)致霍爾電勢(shì)差的數(shù)值越大，因此相對(duì)于純水的變化更明顯。

另外，由于磁性納米粒子有較大比表面積，且某些小顆粒污染物表面有與吸附質(zhì)相似的孔徑結(jié)構(gòu)。因此在靜電、絡(luò)合、氫鍵等作用下磁性納米粒子會(huì)附著于污染物顆粒[2]。因此我們處理污水時(shí)，已磁化的磁粉和絮凝劑投加到污水中并進(jìn)行攪拌，油滴、顆粒物及膠體等污染物就會(huì)附著到磁種上，磁粉及被吸附的污染物發(fā)生磁聚絮凝加速沉降，從而凈化污水[3-4]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置器材

本實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示。其中，直流穩(wěn)壓電源電壓大小為6V；檢驗(yàn)區(qū)由三部分組成，分別是兩塊100×50×20mm的釹鐵硼強(qiáng)磁鐵，待測(cè)樣品盛放容器，3D打印支架的霍爾效應(yīng)探針（如圖3）。之所以選擇釹鐵硼磁鐵的原因是稀土元素釹，具有攜帶很強(qiáng)的內(nèi)稟磁矩的特點(diǎn)，而硼在形成四方晶體結(jié)構(gòu)金屬間化合物起著重要作用，使得磁鐵具有高飽和磁化強(qiáng)度，可以提供較強(qiáng)磁場(chǎng)[8-9]。由于3D打印所用材料防水性好，打印出來(lái)的產(chǎn)品精致，且不需要模具生產(chǎn)過(guò)程快捷，因此我們選用3D打印技術(shù)制作探針結(jié)構(gòu)[10]。讀數(shù)區(qū)域?yàn)榇?lián)著電阻箱的微安表；單片機(jī)為樹(shù)莓派Pico開(kāi)發(fā)板；藍(lán)牙模塊為HC-05藍(lán)牙模塊。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3 3D打印的霍爾效應(yīng)探針

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

由于待檢水樣品中磁性污染物既包括較小單顆粒污染物，也包括顆粒聚集后的較大團(tuán)簇污染物，因此我們分別選用納米和微米尺寸四氧化三鐵粉末作為模擬材料，將其分散溶解到水中，近似模擬樣品水中的污染物分布。將溶解分散了不同質(zhì)量的各尺寸四氧化三鐵粉末放入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，記錄對(duì)應(yīng)微電流計(jì)示數(shù)，改變電阻箱阻值，重復(fù)上述操作，并利用origin對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到不同電阻阻值下的四氧化三鐵單位含量-電壓相對(duì)變化量曲線(xiàn)。

向污水中溶入適量磁粉，攪拌均勻使得污染物顆粒充分附著于磁粉上，開(kāi)啟電磁鐵，在污水樣品中施加特定強(qiáng)度磁場(chǎng)，使附著后的污染物沉降聚集。濾去沉積物后測(cè)量此時(shí)水樣品的霍爾效應(yīng)電流信號(hào)，與前面步驟中未凈化水樣品的信號(hào)相對(duì)比，判斷污染物凈化程度，實(shí)現(xiàn)水樣品去除磁性污染物達(dá)到凈化的目的。

進(jìn)一步利用單片機(jī)對(duì)輸入的電壓進(jìn)行分析，并通過(guò)藍(lán)牙模塊使單片機(jī)與手機(jī)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)互聯(lián)，既可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品檢測(cè)結(jié)果，高效判斷污染狀態(tài)，又可以遠(yuǎn)程操控電磁鐵凈化處理實(shí)施，實(shí)現(xiàn)樣品快捷自動(dòng)凈化過(guò)程。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 檢驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

我們選用電阻箱3種不同的阻值（22kΩ、33kΩ、10kΩ）構(gòu)造不同的改造電表，分別探測(cè)不同尺寸模擬物質(zhì)（10μm和20nm）的分散溶解質(zhì)量對(duì)應(yīng)的電流表示數(shù)，并折算為改造電壓表的電壓相對(duì)變化量。

表1 10μm材料及電阻箱22kΩ數(shù)據(jù)

圖4 單位體積磁粉含量和電壓相對(duì)變化量變化關(guān)系擬合圖a

表2 10μm材料及電阻箱33kΩ數(shù)據(jù)

圖5 單位體積磁粉含量和電壓相對(duì)變化量變化關(guān)系擬合圖b

表3 20nm材料及電阻箱10kΩ數(shù)據(jù)

圖6 單位體積磁粉含量和電壓相對(duì)變化量變化關(guān)系擬合圖c

3.2 凈化部分實(shí)驗(yàn)圖

將磁粉對(duì)污染物進(jìn)行充分附著后，開(kāi)啟電磁鐵，在污水樣品中施加約300mT磁場(chǎng)，容器中污染物逐漸發(fā)生聚沉，完成凈化。

圖7 污水樣品凈化過(guò)程圖

3.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，模擬樣品中微米尺寸和納米尺寸四氧化三鐵的存在，都可以快速引起微安表示數(shù)的明顯變化，且其單位體積含量與微安表示數(shù)即霍爾電壓呈正相關(guān)。因此可知，通過(guò)構(gòu)建磁場(chǎng)并結(jié)合霍爾元件對(duì)污水進(jìn)行定性定量檢驗(yàn)采油污水中金屬化合物的含量是可行的。

將磁粉充分附著于污染物顆粒后，在污水樣品中通入磁場(chǎng)，被磁粉附著后的污染物顆粒發(fā)現(xiàn)明顯聚沉，使得污水上層成為清液。因此，磁場(chǎng)不僅可以用于檢驗(yàn)還可以用于污水的凈化。

取下層沉淀進(jìn)行加溫，使得磁粉去磁并且解除磁粉與污染物顆粒的附著，分離磁粉與污染物，達(dá)到磁粉重復(fù)利用的目的，提高裝置循環(huán)使用效率，有效節(jié)約裝置成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

污水的檢驗(yàn)和處理一直受到廣大科研人員的密切關(guān)注，本方案設(shè)計(jì)針對(duì)常規(guī)污水檢驗(yàn)成本高，時(shí)效性差等問(wèn)題，以微米尺寸和納米尺寸四氧化三鐵作為模擬材料，驗(yàn)證了利用磁場(chǎng)對(duì)污水進(jìn)行檢驗(yàn)和凈化的可行性。并且實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)和藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和遠(yuǎn)程傳輸。實(shí)驗(yàn)裝置搭建便捷，檢測(cè)精度較高，凈化效果好，可重復(fù)性穩(wěn)定，成本低廉。本實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)了學(xué)生環(huán)保意識(shí)，動(dòng)手能力，并且加深了學(xué)生對(duì)于霍爾效應(yīng)的理解。