王軍，郭軍剛，范崢

(1.陜西華光實業(yè)有限公司，陜西華縣714102)

(2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術中心，陜西西安710077)

(3.西北大學化工系，陜西西安710069)

高梯度磁分離法是指利用磁場中磁化基質的感應磁場和高梯度磁場所產(chǎn)生的磁力從反應體系中分離出目標產(chǎn)物的一種方法。高梯度磁分離法最早出現(xiàn)在20世紀早期，但是由于在當時的條件下磁分離器所能達到的磁場強度和梯度還比較低、磁場強度也不能改變等缺點使得高梯度磁分離法的應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的改進和完善，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，高梯度磁分離法開始逐漸受到世界各國的普遍關注和高度重視，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、設備緊湊、效率高、速度快、成本低等獨特優(yōu)點，因此，它被廣泛地應用于能源、化工、生物、醫(yī)藥、冶煉、環(huán)保等諸多領域。

1 研究背景

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，還是電氣設備、工業(yè)裝置，都可以看到磁效應和磁性材料的身影。磁分離作為磁技術的重要應用，一直以來便是人們爭先研究的焦點。

有關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志著磁分離技術在發(fā)達國家選礦領域已經(jīng)日臻成熟，感應輥式強磁選機作為上世紀20年代強磁選機家族的杰出代表，應用最為廣泛，但遺憾的是這種強磁選機只有一個分選面，結構笨重且成本較高。60年代末，麻省理工學院磁體實驗室科姆教授成功研制了第一臺高梯度磁選設備，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成磁路，利用線圈內腔作為分離空間，這就極大地提高了單位重量磁分離器的處理能力，此外，它還把不銹鋼導磁材料作為聚磁介質，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、結構簡單、處理量大、維護容易、適應范圍廣等一系列優(yōu)點，使傳統(tǒng)的磁分離技術發(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用于諸多科學試驗和實際應用中，取得了令人滿意的效果。

2 基本原理

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，被鋼毛基質捕獲。分離器的磁場力愈強，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同磁場強度H、磁場強度梯度磁性顆粒的磁化率x和體積V等呈正相關關系［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。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，由于增大磁場強度H要耗費大量電能，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度梯度的方法來實現(xiàn)［5］。

磁場強度梯度是指單位距離的磁場強度變化，它的產(chǎn)生主要依靠分離器中的填料來實現(xiàn)［6］。其方法通常是在強磁場的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，從而構成高梯度磁分離空間［7］。當含有磁性懸浮微粒的反應體系通過高梯度磁分離器時，磁性顆粒便會被截留下來，從而實現(xiàn)目標產(chǎn)物的分離。

3 工業(yè)應用

3.1 在廢水處理中的應用

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)的化學水處理方法不僅需要消耗大量的化學藥品，而且其反應產(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科，在處理工業(yè)用水方面顯示出獨特的優(yōu)點和強大的生命力。

周彤等［9］通過高梯度磁分離法對開山屯化學纖維槳廠的紙漿廢水進行處理，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。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)進行了詳細的討論。儲著瑋等［11］利用高梯度磁分離技術簡易、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需氧量的去除率均達到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、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物質，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"的再生可以通過調節(jié)溶液的pH值來進行控制，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、促進綜合利用提供了詳細的科學依據(jù)。

3.2 在礦產(chǎn)分選中的應用

礦產(chǎn)資源作為人類社會最重要的物質生產(chǎn)資料之一，一直以來便是國民經(jīng)濟產(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，必將導致嚴重的環(huán)境污染和自然資源的極大浪費。因此，利用高梯度磁分離技術對礦產(chǎn)進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)高梯度磁選機對酒鋼樺樹溝鐵礦的弱磁性鐵礦物進行了分選，并使分選后的精礦品位達47.54%、回收率達71.50%。贛州精選廠使用高梯度磁分離法對黑、白鎢混合精礦進行分離，使黑鎢精礦WO3品位達到62.41%，黑鎢礦的總回收率達到81.06%［14］。瑞典加爾彭貝里精選廠利用高梯度磁分離技術從鉛精礦中回收銅，韶關精選廠用高梯度磁選機從鉬精礦脫銅［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從尾礦中回收了大量的含鐵礦物［16］。

3.3 在固體廢料回收中的應用

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對固體廢料中的有用部分進行分離和回收，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。

4 結論

高梯度磁分離法是一種新興的分離技術，它對于處理廢水中的磁性物質而言，具有工藝簡便、設備緊湊、效率高、速度快、成本低等優(yōu)點，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雜化，成本也相應提高［6］。目前，超導高梯度磁分離法作為新一代的高梯度磁分離技術，正以其耗電少、體積小等諸多優(yōu)點吸引著人們的廣泛關注［17，18］。高梯度磁分離法作為分離科學研究的熱點和焦點之一，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］。相信在不遠的未來，高梯度磁分離法必將迎來一個更加美好的明天。

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