2.6 磁分离
2.6.1 原理与功能
一切宏观的物体，在某种程度上都具有磁性，但按其在外磁场作用下的特性可分为三类。
①铁磁性物质，这类物质在外磁场作用下能迅速达到磁饱和，磁化率大于零并和外磁场强度呈复杂的函数关系，离开外磁场后有剩磁。
②顺磁性物质，磁化率大于零，但磁化强度小于铁磁性物质，在外磁场作用下，表现出较弱的磁性，磁化强度和外磁场强度呈线性关系，只有在温度低于4K时才可能出现磁饱和现象。
③反磁性物质，磁化率小于零，在外磁场作用下逆磁场磁化，使磁场减弱。各种物质的磁性差异正是磁分离技术的基础。
2.6.2 技术与装备
水中颗粒状物质在磁场里要受磁力、重力、惯性力、黏滞力以及颗粒间相互作用力的作用。磁分离技术就是有效地利用磁力，克服与其抗衡的重力、惯性力、黏滞力（磁过滤、磁盘）或利用磁力和重力使颗粒凝聚后沉降分离（磁凝聚）。
磁分离按装置原理可分为磁凝聚分离、磁盘分离和高梯度磁分离三种；按产生磁场的方法可分为永磁磁分离和电磁磁分离（包括超导电磁磁分离）；按工作方式可分为连续式磁分离和间断式磁分离；按颗粒物去除方式可分为磁凝聚沉降分离和磁力吸着分离。
（1）磁凝聚法
磁凝聚是促使固液分离的一种手段，是提高沉淀池或磁盘工作效率的一种预处理方法。
当介质的物性一定时，废水中悬浮颗粒的沉降速度与颗粒直径的平方成正比。所以，增大颗粒直径可以提高沉淀效率。
利用磁盘吸引磁性颗粒，颗粒越大，受到的磁力越大，越容易被去除。当颗粒在水中以50cm/s的速度运动时，磁盘吸引直径1mm的粒子需0.03N/g的磁力，吸引直径0.4mm的粒子需0.1N/g的磁力。
磁凝聚就是使废水通过磁场，水中磁性颗粒物被磁化，形成如同具有南北极的磁体。由于磁场梯度为零，因此，它受大小相等、方向相反的力的作用，合力为零，颗粒不被磁体捕集。颗粒之间相互吸引，聚集成大颗粒，当废水通过磁场后，由于磁性颗粒有一定的矫顽力，因此能继续产生凝聚作用。
磁凝聚装置由磁体和磁路构成。磁体可以是永磁铁或电磁线圈。
（2）磁盘法
磁盘法是借助磁盘的磁力将废水中的磁性悬浮颗粒吸着在缓慢转动的磁盘上，随着磁盘的转动，将泥渣带出水面，经刮泥板除去，盘面又进入水中，重新吸着水中的颗粒。
磁盘吸着水中颗粒的条件是：a.颗粒磁性物质或以磁性物质为核心的凝聚体，进入磁盘磁场即被磁化，或进入磁盘磁场之前先经过预磁化；b.磁盘磁场有一定的磁力梯度。
作用在磁性颗粒上的力除磁力外，还有粒子在水中运动时受到运动方向上的阻力。
为了提高处理效果，应提高磁场强度、磁力梯度和颗粒粒径。磁盘设计时，当磁场强度和磁力梯度确定后，只有依靠增加颗粒的直径来提高去除效率。因此，磁盘经常和磁凝聚或药剂絮凝联合使用。废水在进入磁盘前先投加絮凝剂或预磁化，或者两者同时使用。同时使用时，应先加絮凝剂，再预磁化，预磁时间0.5～1s，预磁磁场强度0.05～0.1T（500～1000Gs）。
磁盘的构造如图2-27所示。
图2-27 磁盘构造示意
1—轴承盘；2—磁盘；3—铝挡圈；4—盘位固定螺钉；5—皮带轮；6—锶铁涂氧体永久磁体；7—刮泥板
（3）高梯度磁过滤法
磁过滤是靠磁场和磁偶极间的相互作用。磁偶极本身会使磁场内的磁力线发生取向，当与磁力线不平行时，磁偶极就受到转矩的作用，如果磁场存在梯度，偶极的一端会比另一端处于更强的磁场中并受到较大的力，其大小和磁偶极距及磁场梯度成正比。
磁场中磁通变化越大，也就是磁力线密度变化越大，梯度也就越高。高梯度磁过渡分离就是在均匀磁场内，装填表面曲率半径极小的磁性介质，靠近其表面就产生局部性的疏密磁力线，从而构成高梯度磁场。因此，产生高梯度磁场不仅需要高的磁场强度，而且要有适当的磁性介质。可用作介质的材料有不锈钢毛及软铁制的齿板、铁球、铁钉、多孔板等。
对介质的要求是：a.可以产生高的磁力梯度；b.可提供大量的颗粒捕集点；c.孔隙率大，阻力小，废水方便通过，不锈钢毛一般可使孔隙率达到95%；d.矫顽力小，剩磁强度低，退磁快，在除去外磁场后介质上的颗粒易于冲洗下来；e.具有一定的机械强度和耐腐蚀性，冲洗后不应产生妨碍正常工作的形变，如折断、压实等。
高梯度磁分离器是一个空心线圈，内部装一个圆筒状容器，容器中装有填充介质用以封闭磁路，在线圈外有作为磁路的轭铁，轭铁用厚软铁板制成，以减少直流磁场产生的涡流。为使圆筒容器内部形成均匀磁场固定填充介质，在介质上下两端设置磁片。高梯度磁分离器的构造如图2-28所示。
图2-28 高梯度磁分离器构造
（4）超导磁分离装置
超导体在某一临界温度下，具有完全的导电性，也就是电阻为零，没有热损耗，因此可以用大电流从而得到很高的磁场强度，如用超导可获得磁场强度为2T的电磁体。此外，超导体还可以获得很高的磁力梯度。高磁力梯度除用刚毛等磁性介质获得外，还可以利用电流分布不同得到。
线表面的磁场与电流密度成正比，与表面的距离成反比，超导体可以在表层达到极高的电流密度，从而在其附近形成高梯度磁场。同时使用不锈钢毛，就可以产生极高的磁力梯度。
超导磁过滤器的构造如图2-29所示。
图2-29 超导磁过滤器构造
水从下方进入装有介质的滤筒，滤速180m/h，磁体由液氮制冷系统冷却。
特点：a.可获得很高的磁场强度和磁力梯度；b.电磁体不发热，电耗少，运行费用低，可制成连续工作的磁过滤器。
2.6.3 应用与设计
（1）磁凝聚法
处理钢铁行业废水时，磁场强度可用0.06～0.15T（600～1500Gs），最佳范围为0.08～0.10T（800～1000Gs）。磁场强度与剩余悬浮物的关系如图2-30所示。
图2-30 磁场强度与剩余悬浮物的关系
磁凝聚装置每一侧的磁块同极性排列，一侧为N极，另一侧为S极，构成均匀的磁场。为了防止磁体表面大面积积污，堵塞通路，废水通过磁场的速度应大于1m/s。废水在磁场中的停留时间仅需1s。停留时间与剩余悬浮物的关系如图2-31所示。
图2-31 停留时间与剩余悬浮物的关系
（2）磁盘法
①磁盘设计要求如下。
1）磁盘盘面、水槽、转轴需用铝、不锈钢、铜、硬塑性等非导磁材料制作，防止磁力线短路。
2）磁盘内磁块的N极和S极交错排列，保证较高的磁力梯度。磁块间可密排，当直径较大，如大于1.5m左右时磁块间可保持5～20mm的间距。
3）磁盘表面磁场强度应在0.05～0.15T之间，低于0.05T效果差，高于0.15T较难制作，且盘面吸着的泥难以刮净。
4）磁盘每两片间的间距取决于磁力作用深度。磁盘表面的磁场强度为0.065T时，作用深度为25mm；0.095T时，为35～40mm；0.1～0.115T时，为40～50mm。因此，磁盘表面磁场强度为0.05～0.08T时，盘间距为50mm；0.08～0.1T时为60～70mm；0.11～0.15T时，为70～80mm。设计时可用试验确定。
5）磁盘转速为0.5～2r/min，转速过快，泥的含水率增加，处理率降低。
②磁盘法的特点如下。
1）效率高、净化时间短。处理钢铁废水，废水在磁盘工作区仅需停留2～5s，通过全部流程仅需约2min，净化效率达到了94%～99.5%。
2）占地面积小，污泥含水率低，易脱水。
（3）高梯度磁过滤法
高梯度磁分离器设计注意事项如下。
①磁场强度 所需磁场强度根据废水中悬浮物的磁性确定。钢铁废水约为0.3T，铸造厂废水约为0.1T。处理弱磁性物质，磁场强度至少达到0.5T以上，如果投加磁性种子，则要求达到0.3T左右。
②介质 按梯度大、吸附面积大、捕集点多、阻力小、剩磁低的要求，以钢毛最好。钢毛直径为10～100μm。
③介质的悬浮物（SS）负荷 分离器随着工作时间的增长，磁性颗粒会逐渐聚积在介质内，堵塞水流通道，减少捕集点，使分离效率下降。分离效果降到允许的下限值时，捕集颗粒的总量（干燥时的质量）和介质的体积比称为介质的SS负荷Q：
当颗粒为强磁性物质时，Q为5～7g/cm3；颗粒为顺磁体时，Q为1～1.2g/cm3。
④滤速 一般可采用100～500m/h。
⑤电源 采用硅整流直流电源，电源功率由所需的磁场强度决定。
物质的磁性强度可由磁化率表示，一些物质的磁化率见表2-7。
表2-7 一些物质的磁化率
