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)北京市重點實驗室，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壓力。據(jù)統(tǒng)計, 生產(chǎn)每噸鋼材時廢水的排放量為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)濟價值十分可觀。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)進行混凝沉淀，用機械法脫水，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，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)域有著越來越多的應(yīng)用[2]，近年來國內(nèi)外將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域，來處理鋼鐵廠、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。鑒于鋼鐵冶煉過程的工業(yè)廢水中氧化鐵含量較高，磁分離方法對這種工業(yè)廢水會有良好的處理效果。本文提出了一種使用環(huán)形螺繞環(huán)內(nèi)部形成的梯度磁場對富含氧化鐵顆粒的液體進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中時會受到磁場施加的磁化力的作用，并在此作用下趨向于向磁場增大的方向運動。這種情況不僅存在于縱向非均勻(梯度)磁場中，也同時存在于橫向非均勻(梯度)磁場中?？v向梯度磁場是指磁場的梯度方向與磁場方向相同，橫向梯度磁場是指,磁場的梯度方向與磁場方向垂直。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中的磁致流動行為，為順磁性顆粒在橫向梯度磁場中的流動行為研究打下了良好的基礎(chǔ)。

假設(shè)一個順磁性顆粒放置在橫向梯度磁場中，如圖1所示，可以將該顆粒等價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)在梯度磁場中的受力為[11]

Fi=∮ldF=∮l(Idl×B)

(1)

其中，磁場B=Bxi+Byj+Bzk。

圖1 等價為電流環(huán)的順磁性顆粒在橫向梯度磁場中的示意圖

(2)

對于磁性顆粒而言，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，在勻強磁場中磁性微粒所受合力為零，不會產(chǎn)生定向運動，而在一定的磁場梯度下，粒子所受磁場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)生相對運動時，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是粒子相對于流體的運動速度。對于液體中微小的球形顆粒來說，由于粘滯阻力和磁化力的作用，顆粒很快就會進入勻速運動狀態(tài)，此時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內(nèi)所受到的磁場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動狀態(tài)也不盡相同，因此它們會處于分離通道中的不同位置，而在磁場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。

對于圖2所示的環(huán)形螺繞環(huán)來說，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為通過導(dǎo)線的電流。進一步解得

圖2 圓形螺繞環(huán)內(nèi)部梯度磁場示意圖

圖3 磁性顆粒在磁場下受力示意圖

式(8)、(9)說明螺繞環(huán)的設(shè)計能很好地滿足磁泳分離對磁場和磁場梯度的要求，通過控制圓環(huán)半徑、線圈匝數(shù)和勵磁電流等參數(shù)，很容易實現(xiàn)對磁場的調(diào)控。此外，式(9)表明磁場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)壁運動，從而實現(xiàn)磁性顆粒的富集。

采用Ansoft Maxwell 14.0電磁仿真軟件對圓形螺繞環(huán)內(nèi)磁場分布情況進行了原理性仿真，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軸方向磁場分布

圓形螺繞環(huán)的磁場主要集中在環(huán)形空腔內(nèi)，在空腔內(nèi)部存在一段急劇下降的磁場，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、使磁性顆粒受到磁化力作用的圓形空腔區(qū)域。

實驗中，磁性粒子進入磁場時會被磁化而發(fā)生團聚，該機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 實驗用流道及圓形螺繞環(huán)實物圖

理論推導(dǎo)式(7)和(8)表明，螺繞環(huán)中產(chǎn)生的磁場與勵磁電流和單位長度導(dǎo)線匝數(shù)成正比，磁場梯度與螺繞環(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前就被分開，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(a) 流道形狀及截面; (b) 三叉口式出口分流設(shè)計

基于上述分離核心部件的設(shè)計，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，使磁性顆粒受到磁化力的作用；通過將導(dǎo)管構(gòu)造成螺旋形、類彈簧的結(jié)構(gòu)，極大地延長了磁場的作用范圍；在磁場的有效作用范圍內(nèi)，隨著溶液流動磁性顆粒向?qū)Ч軆?nèi)壁徑方向富集，當(dāng)磁性顆粒流動到出口處時，將聚集到內(nèi)壁附近；在出口附近但仍在磁場作用范圍的區(qū)域內(nèi)，通過隔板將濃度不同的流層引流至不同的承接裝置，實現(xiàn)磁性顆粒的富集回收。

具體實現(xiàn)過程如下：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；通過直流電壓/電流源提供勵磁電流，蠕動泵提供流體動力，待富集的目標(biāo)分離物——懸浮于溶液中的磁性顆?！鹘?jīng)梯度磁場并在出口處實現(xiàn)分流，不同濃度的溶液承接于不同的容器中，整個富集流程示意圖如圖7所示。實際搭建裝置結(jié)構(gòu)示意圖和實物模型如圖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 整體實驗裝置(a) 實際裝置; (b) 裝置結(jié)構(gòu)示意

3 實驗結(jié)果與討論

為模擬工業(yè)軋鋼廢水分離情況，實驗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，若能實現(xiàn)成功富集，便證實了實際應(yīng)用的可行性。實驗中，螺繞環(huán)橫向直徑為14cm，盤旋上升7圈，內(nèi)部空腔中的磁場指向螺繞環(huán)中心，最大磁場強度和梯度分別是98mT、20mT/cm，蠕動泵流速為25mL/min左右。

實驗過程中，磁性顆粒進入磁場時被磁化，發(fā)生了磁團聚，顆粒尺寸從初始的數(shù)納米團聚至數(shù)毫米肉眼可見的尺寸，加大了粒子靠自身重力下沉的影響。實驗結(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。通過肉眼可以明顯分辨出濃縮液和稀釋液濁度的差別，說明所設(shè)計裝置可以有效富集磁性顆粒。對于富集效率的定量分析，需要借助儀器進一步進行測量。

圖9 磁性溶液分離結(jié)果

光束穿過有一定厚度的均勻近透明液體介質(zhì)時，在保持溶液性質(zhì)和入射光波長不變的情況下，溶液對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，由于溶液中吸光質(zhì)點(分子或離子) 的吸收，通過溶液后光的強度減弱為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

實驗采用直射光路，將待測溶液放入相同型號的比色皿中，采用鎢燈作為照射光源。此時吸收層厚度相同，吸光度只與溶液濃度有關(guān)，通過WGD-8/8A型光柵光譜儀獲得溶液透過光強信息，就可以對不同溶液濁度[13]進行表征。

通過對圖11的光強—波長數(shù)據(jù)進行處理，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光譜

可以看出，原溶液流過裝置后，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?，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)中的磁場及磁場梯度與勵磁電流呈正比關(guān)系。從理論上說，在一定范圍內(nèi)，勵磁電流越大，管內(nèi)的磁場及磁場的梯度值(dB/dx)就越大，顆粒受力越大，越有利于分離；但勵磁電流過大時，會產(chǎn)生過強的磁場和磁場梯度，使得磁性顆粒受力過大，被吸附到管壁處滯留，無法順暢流出。這說明對于此類裝置來說，存在一個最佳的勵磁電流大小，既能為管道中的顆粒提供足夠大的富集驅(qū)動力，同時又不阻礙顆粒的流出。實驗表明，對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，開始階段分離效率隨磁場大小和梯度的增大而升高，勵磁電流超過2 A時，分離效率減小。

溶液的流速對分離效率也有較明顯影響。當(dāng)流速過快時，磁性顆粒通過流道較快，受力時間過短，分離效果不夠明顯；若流速過于緩慢，粒子在流道的內(nèi)壁方向堆積，形成滯留，分離效果也會下降。這說明對于此類裝置來說，存在一個最佳溶液流速，使富集效果和效率達(dá)到最佳。

6 結(jié)語

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為基礎(chǔ)，通過將導(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甚至多個環(huán)內(nèi)受到梯度磁場的作用，在隨著溶液流動的過程中向環(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)簡單，不受自然溫度影響，無二次污染，滿足循環(huán)分離等方面的優(yōu)勢，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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