張 強(qiáng) 孟慶有 許元凱

（1.遼寧五寰特種材料與智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院）

水占據(jù)了地球70%的面積，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中不可或缺的資源。在生產(chǎn)過程中水常常作為溶劑或者載體使用，包括水在內(nèi)的溶液和漿體體系均可簡稱為“水系”。

磁作為一種物理現(xiàn)象，在自然界中普遍存在，一切物質(zhì)均具有磁性，磁性強(qiáng)弱與物質(zhì)化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。物質(zhì)置于磁場中或多或少地受到影響，從而導(dǎo)致某些物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，稱之為磁化效應(yīng)［1］。而磁處理技術(shù)就是運(yùn)用這一效應(yīng)，使物質(zhì)產(chǎn)生某些預(yù)期的變化，從而改善其生產(chǎn)效果和使用效益。

水系的磁處理研究始于 1953 年，Sophie［2］第一次嘗試對液體進(jìn)行磁處理已有近70 a 的歷史。該技術(shù)基本不消耗能源，沒有二次污染，因而一直稱為“綠色技術(shù)”。多年來，國內(nèi)外專家學(xué)者針對這項(xiàng)技術(shù)開展的大量研究大致可分為3個階段：第一階段是二十世紀(jì)六七十年代，日本和美國先后進(jìn)行了大量的探索研究，發(fā)現(xiàn)了磁化效應(yīng)，但是由于當(dāng)時的設(shè)備和技術(shù)限制，相關(guān)的理論及應(yīng)用研究一直停滯不前，導(dǎo)致磁處理技術(shù)逐漸淡出人們的視野［3］；第二階段是二十世紀(jì)八九十年代，隨著水系磁處理技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)［4-5］、油田開采方面的應(yīng)用，以及獲得的顯著效果和良好經(jīng)濟(jì)效益，磁處理技術(shù)再一次活躍起來。隨著分子極化、自由基對等理論的提出，專家學(xué)者開始注重磁處理的理論研究，該技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展；第三階段是近十幾年來，隨著科技水平的不斷提高，實(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備的改進(jìn)以及各種理論的逐漸完善，該技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域范圍逐漸拓寬到生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于鍋爐防垢、石油脫水、提高種子發(fā)芽率、提高水泥強(qiáng)度、提高燃油效率等方面。

1 磁處理后水系的性質(zhì)變化

1.1 磁處理后水的性質(zhì)變化

水常常作為一種溶劑或載體使用，在諸多物理化學(xué)變化過程中，其均是積極的參與者，但其本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)常被人們所忽視，水通常是無色無味液體，常溫（25 ℃）常壓時，純水的表面張力為7.20×10-2N/m，電導(dǎo)率為1～10 μs/cm，粘度為0.893 7 Pa·s，pH 值為7。水由2 個正電性強(qiáng)的氫原子和一個負(fù)電性極強(qiáng)的氧原子組成，2 個O—H 共價鍵的鍵角為105°，偶極矩為1.52 D。因此，水分子是極性分子，水并非是一種惰性介質(zhì)。浮選過程是一界面化學(xué)過程，浮選體系是一個固、液、氣三相共存的復(fù)雜系統(tǒng)，水作為三相體系中較活躍的一相，其物理化學(xué)性質(zhì)對浮選體系的影響較大，研究其物理化學(xué)變化規(guī)律，有望改善浮選環(huán)境，提高浮選效果。

1.1.1 表面張力

龐小峰和鄧波［6］測量了水在金屬表面和疏水物質(zhì)表面接觸角的變化，磁處理后，水在的銅表面的接觸角減少了約0.4°，在石墨表面減少了約2.4°。Otsuka等［7］通過測量水的接觸角和拉曼光譜分析證實(shí)，磁處理后水性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，分子間成鍵、團(tuán)聚狀態(tài)和極性的增強(qiáng)，使其表面張力減小。

Gaafar 等［8］采用 Wilhelmy 盤法和毛細(xì)管上升法測量了水的表面張力變化，在外加磁場作用下，蒸餾水和自來水的表面張力均大幅降低，而且自來水比蒸餾水變化明顯。Hasaani 等［9］同樣發(fā)現(xiàn)，對普通自來水施加0.656 T 的外加磁場時，其表面張力下降了18%。Mohassel 等［10］對蒸餾水進(jìn)行循環(huán)磁處理，其表面張力從72.45 mN/m 降到57.09 mN/m。姚小平等［11］則采用拉脫法也得出了表面張力減小的結(jié)論。Azoulay［12］通過測量在垂直毛細(xì)管中水柱在 0.12 T 磁場中的高度變化來探索水表面張力的變化，發(fā)現(xiàn)水經(jīng)過磁處理后在毛細(xì)管中的高度上升了27 mm，而且該現(xiàn)象存在記憶效應(yīng)，記憶時間大約為210 min。而霍忠峰等［13］發(fā)現(xiàn)水的表面張力與磁場強(qiáng)度之間并不是單調(diào)關(guān)系，而是呈現(xiàn)先降低后增加而后再降低的多極值關(guān)系。Lee 等［14］曾認(rèn)為去離子水表面張力的改變是由于磁處理過程中液相中溶解氣體的損失引起的，他們試圖采用超聲波處理降低去離子水的含氣量來驗(yàn)證猜想，發(fā)現(xiàn)去氣水的表面張力受磁場影響更加顯著。

從上述結(jié)果來看，水經(jīng)磁處理后表面張力均有減小的趨勢。但日本Fujimura 等［15］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻截然相反，用表面波共振法精確測量了超純水和重水在磁場強(qiáng)度為10 T 的磁場中處理前后的表面張力，發(fā)現(xiàn)表面張力分別增加了1.83%和3.30%；磁場提供的能量影響了水的內(nèi)能和熵，導(dǎo)致其亥姆霍茲自由能增加，亥姆霍茲自由能增加大約1 J/mol 將引起水的表面張力增加。

1.1.2 粘 度

Ghauri 等［16］將去離子水靜置于磁場強(qiáng)度為0.75 T 的水平磁場中，發(fā)現(xiàn)水的粘度增加了0.1%，認(rèn)為磁場加強(qiáng)了水分子間的氫鍵作用。Ishii等［17］研究發(fā)現(xiàn)，在10 T 的磁場中水的粘度相對增值大約為0.02%。Lielmezs 等［18］用自動逆流粘度計(jì)在不同磁場強(qiáng)度的磁場中、不同溫度下實(shí)驗(yàn)得出類似的結(jié)果，相對增量大約為0.2%，且在1.2 T和25 ℃時出現(xiàn)最大增值。

有報道顯示，磁場對水的粘度影響較大，蔡然等［19］用回轉(zhuǎn)式流變儀測量純水在1 T 磁場中的粘度變化，實(shí)驗(yàn)過程控制溫度為25 ℃，磁處理時間為13 min 時粘度增加了10%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，磁場對水粘度的影響與溫度降低造成的結(jié)果類似，而溫度降低將引起水分子間的氫鍵作用加強(qiáng)。Chang 等［20］認(rèn)為磁處理后水的粘度增加是氫鍵數(shù)量增加和自擴(kuò)散系數(shù)減少造成的。Toledo等［21］則認(rèn)為，磁場加強(qiáng)了不同氫鍵網(wǎng)絡(luò)之間的競爭，促使氫鍵作用力更強(qiáng)的小團(tuán)簇的形成，從而增加水的粘度。Usanov 等［22］的研究結(jié)果證明了這一點(diǎn)，其采用可視化光學(xué)法研究了水分子團(tuán)簇，發(fā)現(xiàn)磁處理后水中團(tuán)簇的數(shù)量是等體積未經(jīng)磁處理水的數(shù)倍。

龐小峰等［23］的研究發(fā)現(xiàn)，在37.5 ℃時，水的粘度隨著磁處理時間的延長而減少。Hasaani 等［9］研究了磁場強(qiáng)度對水粘度的影響，磁場強(qiáng)度增大到0.6 T，水的粘度減小大約23%。這與蔡然等人的研究結(jié)論相反，變化程度相差也很大，主要來源于兩方面，其一是磁處理?xiàng)l件無法做到嚴(yán)格一致，如水中的雜質(zhì)含量、實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度、氣壓等；其二是檢測設(shè)備的精度不一，導(dǎo)致細(xì)微的變化無法檢測。

1.1.3 電導(dǎo)率和pH值

Gaafar M 等［8］發(fā)現(xiàn)將自來水和蒸餾水靜置于磁場中，隨著磁處理時間的延長，水的導(dǎo)電率先增加后趨于穩(wěn)定。Holysz 等［24］獲得類似實(shí)驗(yàn)結(jié)果，純水在15 mT 的磁場中處理5 min，純水的電導(dǎo)率有所增加，認(rèn)為磁場減弱了H+和OH-周圍的水化殼，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率的增加。

Alkhazan 等［25］研究卻發(fā)現(xiàn)，在磁場中，水隨著磁場強(qiáng)度的提高、時間延長，其電導(dǎo)率逐漸降低，且震動水樣受到的影響要大于靜置水樣。Lee 等［14］設(shè)計(jì)了一種封閉實(shí)驗(yàn)裝置，使水不與大氣接觸，結(jié)果顯示，在1 T 的磁場中循環(huán)處理的去氣水隨著磁處理時間的延長，電導(dǎo)率逐漸降低，降幅大約為20%，而未經(jīng)磁處理的去氣水電導(dǎo)率則基本不變。

Hasaani 等［9］發(fā)現(xiàn)，隨著磁場強(qiáng)度的提高和時間的延長，純水的pH 值從7.1 提升到7.9 左右。對于這種現(xiàn)象，Hasaani［8］和 Kotb［26］都認(rèn)為磁場導(dǎo)致了水分子極化，排列規(guī)則，減少了水中氫離子濃度，從而使水溶液的 pH 值升高。Yin 等［27］也得出 pH 值隨著磁處理時間的延長逐漸升高的結(jié)論，但其認(rèn)為磁場影響了水的解離過程，導(dǎo)致水合氫離子濃度減少。

1.2 磁處理后溶液的性質(zhì)變化

在工農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)以及日常生活中，水常以溶液或者漿體的形式存在，或者說水中常常含有各種離子或有機(jī)高分子，如生物醫(yī)學(xué)上用到的生理鹽水、葡萄糖溶液、血液等；農(nóng)業(yè)灌溉用的含礦物質(zhì)水；石油開采過程中水油混合物；浮選過程中礦漿中含有難免離子和浮選藥劑。從前文的諸多研究結(jié)果看，磁場主要影響了水的解離過程及氫鍵的斷裂—形成過程。在溶液體系中，水合離子也存在解離平衡，某些有機(jī)藥劑也會與水形成氫鍵，因此，在研究純水性質(zhì)變化的基礎(chǔ)上，理清溶液的性質(zhì)變化以及二者之間的聯(lián)系和相互關(guān)系將更具有實(shí)際意義。

1.2.1 表面張力

Holysz 等［28］發(fā)現(xiàn)碳酸鈉溶液的表面張力經(jīng)磁處理后有所降低，而且此效應(yīng)維持了4 h。邊炳鑫等［29］研究了輕柴油和仲辛醇在外磁場作用下表面張力的變化，結(jié)果顯示，輕柴油和仲辛醇的表面張力均比磁處理前有所降低，其中輕柴油平均降低7.91%、仲辛醇平均降低3.73%。熊瑞生［30］測量了高錳酸鉀溶液的表面張力隨磁場強(qiáng)度的變化，表面張力總體呈降低趨勢。蔡然等［31］對氯化鈣溶液進(jìn)行研究得到相似結(jié)果，在0.5 T 磁場中，隨著磁處理時間的延長，CaCl2溶液表面張力逐漸減小。通過計(jì)算，磁處理后溶液體系的熵SA不斷減小。溶液中分子變得更加有序，穩(wěn)定性提高，分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增大。Higashitani等［32］研究發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)溶液中PSL膠體顆粒的Zeta電位相對于未經(jīng)磁處理的來說均降低，而且這種效應(yīng)可以維持6 d左右。

1.2.2 粘 度

Marangoni［33］研究了弱磁場中氯化鈉溶液的粘度隨磁場強(qiáng)度（1 μT～2 mT）的變化，其粘度隨磁場強(qiáng)度的提高而增加。這種效應(yīng)是可逆的，將磁場強(qiáng)度從2 mT 緩慢降到1 μT，溶液粘度可以恢復(fù)到初始值。Ishii 等［17］將氯化鈉溶液置于 10 T 的強(qiáng)磁場中，其粘度增加大約0.01%，而且隨著NaCl溶液濃度的增加，粘度增加趨勢更加明顯。這主要在于運(yùn)動的離子在磁場中受到洛倫茲力的作用，不同電性、不同速度的離子的移動會產(chǎn)生電場，將會使溶液的表觀粘度增加。離子電價對溶液粘度變化有影響，Silva等［34］研究了不同價態(tài)電解質(zhì)溶液在磁場中粘度的變化情況，結(jié)果顯示，二價陽離子溶液的粘度增加效應(yīng)遠(yuǎn)高于一價陽離子。

磁處理過程中，溶液不同成分對粘度影響差異較大，牛曉峰等［35］研究了濃度為25%的氨水在電磁場中的粘度變化，隨著磁場強(qiáng)度的提高、磁處理時間的延長，與未經(jīng)磁處理相比其粘度逐漸降低。邊炳鑫等［29］研究了磁處理前后有機(jī)分子粘度的變化，輕柴油和仲辛醇磁處理粘度均有所降低，其中輕柴油較磁化前降低了13.66%，仲辛醇較磁化前降低了7.87%。

1.2.3 電導(dǎo)率和pH值

Mahmoud 等［36］發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)溶液經(jīng) 0.8 T 磁場處理后，溶液電阻率有所減少，pH 值增加，而且這種變化存在約 5 d 的記憶效應(yīng)。Surendran 等［37］也測量了數(shù)種鹽溶液在0.18～0.2 T 的磁場中處理后pH 值的變化情況，發(fā)現(xiàn)呈增長趨勢，記憶效應(yīng)時間為108 h。認(rèn)為磁場影響了氫鍵，增加了離子遷移率，從而導(dǎo)致pH 值上升。但 Maheshwari 等［38］對 NaCl 溶液磁處理后，發(fā)現(xiàn)其pH值出現(xiàn)了小幅降低。Sahin等［39］的研究有類似的結(jié)果，而且指出磁場對低濃度和高pH 值溶液的影響更加明顯。

邱廷省等［40］研究發(fā)現(xiàn)，丁基黃藥和乙基黃藥經(jīng)磁處理后，其電導(dǎo)率均先隨之增加而后趨于平衡，pH值呈現(xiàn)上升的趨勢。這是因?yàn)榇盘幚泶龠M(jìn)了黃原酸鈉和黃原酸的電離，使溶液中自由離子的數(shù)目增加，粒子的熱運(yùn)動加劇，故黃藥的電導(dǎo)率上升；當(dāng)溶液中含氧量達(dá)到一定程度時，黃藥被氧化成雙黃藥，反應(yīng)趨于平衡，溶液中的離子數(shù)目達(dá)到平衡，故溶液的電導(dǎo)率逐漸趨于穩(wěn)定。磁場也促進(jìn)了黃原酸鈉的電離和黃原酸根的水解，致使pH 值升高；黃藥的氧化也會促進(jìn)溶液pH值的升高。

1.2.4 藥劑吸附量

邊炳鑫等［29］發(fā)現(xiàn)經(jīng)過磁場處理后的輕柴油在煤、矸石和黃鐵礦表面的吸附量均增加，但在煤表面的增加幅度最高，將有利于煤與矸石的選擇性分離。黃向陽［41］研究了磁處理前后礦物表面黃藥吸附量的變化，磁處理使黃藥在黃銅礦表面的吸附量增大，而其在黃鐵礦表面的吸附量則基本不變，這將有利于銅硫分離。一方面水或藥劑經(jīng)磁場作用后某些性質(zhì)發(fā)生的變化促進(jìn)了藥劑在礦物表面生成疏水組分；另一方面磁場可能影響礦物與水之間形成的水化膜厚度，而水化膜薄化有利于促進(jìn)礦物與捕收劑的作用，增強(qiáng)礦物的疏水性。

邱廷省等［42］研究了磁處理對抑制劑作用效果的影響，磁處理后抑制劑CK 使黃藥在礦物表面的吸附量明顯減少，這說明磁處理加強(qiáng)了其抑制作用。抑制劑CK 作為一種高分子有機(jī)化合物，由于磁場處理增加了抑制劑CK 水解程度、離子周圍的定向分子數(shù)量、藥劑的分散度，進(jìn)而增加了CK 與礦物的接觸程度，使CK 在礦物表面的吸附量增加，因此與其發(fā)生競爭吸附的黃藥在礦物表面的吸附量減少。

Ord 等［43］研究了磁處理對油酸鈉與螢石、方解石和石英的作用效果的影響，隨磁場強(qiáng)度的提高，油酸鈉在3 種礦物表面的吸附量均增加。從上述研究成果不難看出，對于浮選氧化礦和硫化礦的常見藥劑，磁處理均能提高其在礦物表面的吸附量，這有利于提高常見礦物的浮選分離效果。

1.2.5 光譜特性

Iwasaka 等［44］研究水和葡萄糖溶液在 14 T 強(qiáng)磁場中的近紅外光譜，發(fā)現(xiàn)水在970 nm 處的峰值波長增加1～3 nm，而葡萄糖溶液的峰值波長則出現(xiàn)藍(lán)移（減少）。出現(xiàn)這種變化的原因是強(qiáng)磁場影響了水中氫鍵的形成以及葡萄糖的水合作用。

磁場可能是通過影響氫鍵的形成和斷裂來對水及水溶液的性質(zhì)產(chǎn)生影響。鄧波［45］研究了能與水形成氫鍵的常見醇類物質(zhì)磁處理前后的紅外光譜變化。研究表明，靜置于0.4 T 磁場中的濃度為50%的乙醇溶液，隨著磁處理時間的延長，溶液的各吸收峰強(qiáng)度也隨之增大，各吸收峰有往波數(shù)減小方向遷移的趨勢；相較于無水乙醇的光譜來說，乙醇溶液在1 228 cm-1附近出現(xiàn)了一個新的吸收峰，也隨磁處理時間的增加而增強(qiáng)，這是乙醇分子和水分子形成氫鍵所產(chǎn)生的吸收峰，其強(qiáng)度增加說明磁處理促進(jìn)了氫鍵的形成。磁場對甲醇和丙酮溶液產(chǎn)生的影響與乙醇相似。對于正丁醇，隨著磁處理時間的延長，其溶液光譜的各吸收峰強(qiáng)度也隨之增大，但是并沒有出現(xiàn)新的吸收峰。正丁醇自身能形成分子間氫鍵，與水也能形成分子間氫鍵，正丁醇的鏈比甲醇和乙醇分子更長，由于存在空間位阻，氫鍵對—CH3和—CH2—振動的影響要小得多，所以當(dāng)磁場作用于正丁醇和正丁醇水溶液時其紅外光譜僅發(fā)現(xiàn)吸收強(qiáng)度有細(xì)微的改變，這說明磁場對有機(jī)分子的影響可能與分子的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。

水中電解質(zhì)對水的微觀結(jié)構(gòu)有很大影響［46］，那么在水中加入電解質(zhì)也會對水的光譜特性產(chǎn)生影響。張桂蓮等［47］研究了高錳酸鉀溶液磁處理后的紫外吸收光譜的變化，高錳酸鉀溶液磁處理及以磁處理水為溶劑的高錳酸鉀溶液吸收光譜與原溶液有所不同，其最大吸收波長減小，二者減小的程度不同，而且吸收峰處吸光度有所增加。在一定時間內(nèi)磁處理時間越長，吸收峰處吸光度增加越多，磁場強(qiáng)度越大對吸收曲線影響越顯著。

對于浮選藥劑，磁處理也會對其光譜性質(zhì)產(chǎn)生影響，黃向陽［41］研究了丁基黃藥磁處理前后拉曼光譜的變化，發(fā)現(xiàn)磁處理后丁基黃藥的多條振動譜帶波峰強(qiáng)度增大，而且還產(chǎn)生了新的波峰。磁處理丁基黃藥與黃銅礦作用后光譜發(fā)生明顯變化，波峰強(qiáng)度增大，波峰位移也發(fā)生很大變化，說明磁處理的丁基黃藥與黃銅礦表面發(fā)生特別的化學(xué)反應(yīng)，使礦物表面疏水性增強(qiáng)，藥劑的浮選性能得到提高。

1.3 磁處理后礦漿的性質(zhì)變化

浮選過程中，礦漿是一個復(fù)雜的體系，包含了水、浮選藥劑、各種礦物以及從礦物表面溶出的離子。邊炳鑫等［48］研究發(fā)現(xiàn)磁處理能引起浮選礦漿含氧量、pH 值、礦物表面Zeta電位和潤濕熱的變化。隨著磁處理時間的延長，煤、黃鐵礦及煤矸石礦漿中的含氧量隨之增加，pH 值上升。浮選中為了充分利用氧的活化作用，適當(dāng)增加和控制含氧量對礦物浮選是有利的，因此通過控制磁處理時間、增加礦漿含氧量將有利于浮選。磁處理后的蒸餾水中，煤的表面電位降低，而煤矸石和黃鐵礦的表面電位提高。輕柴油磁處理后使煤的動電位降低幅度比磁處理前大，說明磁處理后輕柴油與煤的作用增強(qiáng)。對潤濕熱的研究也顯示了磁處理有利于強(qiáng)化煤泥浮選脫硫降灰的效果。鄭光軍［49］也發(fā)現(xiàn)，磁處理會對浮選礦漿的含氧量和pH 值產(chǎn)生影響，此外礦漿的表面電位和表面潤濕性也同樣會發(fā)生一定的變化。一般浮選煤漿磁處理后煤的可浮性得到改善，在一定磁場強(qiáng)度、磁處理時間和介質(zhì)影響下煤與黃鐵礦、煤矸石之間的表面電位和表面潤濕性會產(chǎn)生較大的差異。

Satoka 等［50］發(fā)現(xiàn)控制磁場梯度可以調(diào)節(jié)靜置在磁場中溶液的含氧量，進(jìn)而控制化學(xué)反應(yīng)速率，實(shí)驗(yàn)過程中在磁場作用下耗氧反應(yīng)產(chǎn)物的濃度增加，說明強(qiáng)磁場力作用于氧分子時，化學(xué)反應(yīng)速率明顯加快。方夕輝等［51］的研究也證明了這一點(diǎn)，磁處理使礦漿中的溶解氧量增加，使硫化礦表面生成更多的疏水物質(zhì)，同時浮選藥劑的離解度和分散度在磁場的作用下增加，進(jìn)而提高銅的回收率。

2 水系磁處理機(jī)理研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外對磁處理的機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，取得了很大的進(jìn)展，但是很多研究結(jié)果都還處于假說階段，也有人對這些假說進(jìn)行了總結(jié)，但是這些假說不一定適用于每一種磁處理方式，水靜置于磁場（靜態(tài)）中和流經(jīng)磁場并切割磁感線（動態(tài)）這2種過程，磁場對水系產(chǎn)生的影響不同，其作用機(jī)理也可能不同。

2.1 靜 態(tài)

2.1.1 躍遷偶極矩學(xué)說

偶極矩大小是電荷與正電中心到負(fù)電中心距離的乘積，方向從前者指向后者，表示了正負(fù)電的空間錯位情況；躍遷偶極矩大小是分子振動躍遷前后偶極矩的改變量，方向是從躍遷前指向躍遷后（向量差），表示了分子2 個態(tài)之間電場（偶極距）的差別。外加磁場改變了價電子和成鍵電子，增加了原子中電子的躍遷偶極矩，使分子極化［23］。

2.1.2 分子團(tuán)簇學(xué)說

磁場使水分子重新取向，使水分子團(tuán)簇減小，這些較小的水分子團(tuán)簇具有更高的活性，而且它們形成水合離子的效率更高，因此，在離子形成沉淀的過程中，離子相互靠近形成結(jié)核核心，這一過程會排除水分離子周圍的水化層，由于形成水合離子的效率更高，水也就更難被排除［32］。

2.1.3 液氣界面擾動學(xué)說

該學(xué)說認(rèn)為磁場的主要作用目標(biāo)就是液氣界面，磁處理后，水中出現(xiàn)了自由基和含活性氧的物質(zhì)（比如說過氧化物、羥基自由基等），這與水中大量存在的納米氣泡有關(guān)，而磁處理可以增加這些納米氣泡的數(shù)量，液氣界面的改變引起水分子團(tuán)簇大小和活性的改變［50］。

2.2 動 態(tài)

2.2.1 洛倫茲力學(xué)說

水中帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力作用，H+和OH-作切割磁力線的螺旋式運(yùn)動，但二者運(yùn)動方向相反.當(dāng)這種運(yùn)動達(dá)到一定強(qiáng)度時，便可以打斷水分子之間的氫鍵，使水分子擺脫鏈的約束成為單個水分子，并且一些學(xué)者認(rèn)為單個水分子具有更高的反應(yīng)活性［52］。

2.2.2 氫鍵破壞學(xué)說

液態(tài)水在常溫下以單個水分子和水分子的締合體2種狀態(tài)存在，締合體是由若干個單個水分子通過氫鍵連接起來的整體，呈鏈狀或環(huán)狀。由于氫鍵的作用較弱，氫鍵形成和破壞所需的活化能較小，而外加磁場的存在將給水系輸入能量，有研究表明，在微弱的場強(qiáng)下，磁場所做的功高于氫鍵的鍵能，因此外加磁場可以破壞水系中的氫鍵［53］。

2.2.3 活化能學(xué)說

外加磁場能使水的活化能改變，磁場的影響與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化有聯(lián)系。雖然水在磁處理時獲得的能量很少，但反應(yīng)開始和終結(jié)之間存在一個“能障”，為克服這種能障，系統(tǒng)必須向系統(tǒng)輸送相應(yīng)的能量以觸發(fā)活化能。磁場短時間的作用起著“催化”水系活化能改變的作用，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)性質(zhì)的變化［54］。

3 水系磁處理在礦物加工中的應(yīng)用

礦物加工過程中浮選和化學(xué)浸出需要在水系中進(jìn)行，水或水溶液是整個過程中積極的參與者。浮選和化學(xué)浸出過程離不開一定的物理化學(xué)反應(yīng)，而這些物理化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行依賴水系的物理化學(xué)性質(zhì)。前文介紹了水系在外加磁場作用下，其諸多物理化學(xué)性質(zhì)能夠發(fā)生變化，如果在浮選和化學(xué)浸出過程中引入磁場，將有望利用磁處理技術(shù)來強(qiáng)化目的礦物的分選和浸出效應(yīng)。將磁處理技術(shù)和浮選或化學(xué)浸出結(jié)合起來的方法稱為磁處理浮選或磁處理化學(xué)浸出。

3.1 磁處理浮選金屬礦

王秋風(fēng)等［55］研究了黃藥磁處理前后對方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦浮選的影響，發(fā)現(xiàn)磁處理黃藥可以明顯加強(qiáng)其選別效果，使方鉛礦回收率提高15%、閃鋅礦回收率提高23%、黃鐵礦回收率提高20%。前蘇聯(lián)培什明斯克選礦廠浮選浸染型銅礦石時，磁處理丁基黃藥溶液和礦漿使銅回收率提高了1.32 個百分點(diǎn)?？仆咔蟹虻葘Σ煌~礦石進(jìn)行了磁處理浮選研究，發(fā)現(xiàn)銅回收率可提高1～6個百分點(diǎn)，浮選時間可縮短20%～30%。當(dāng)浮選用水中含有離子時，磁處理效應(yīng)更加顯著。前蘇聯(lián)蘇姆沙爾斯克選礦廠在鉛鋅礦石浮選前對礦漿進(jìn)行磁處理，工業(yè)試驗(yàn)表明，礦漿磁處理使Pb 和Zn 的回收率分別提高了2 和2.5 個百分點(diǎn)［56］。湯丹選礦廠［57］浮選氧化銅礦石時，對浮選用水進(jìn)行磁處理與未經(jīng)磁處理的硬水比較，銅精礦回收率提高了2～3個百分點(diǎn)。

3.2 磁處理浮選非金屬礦

邊炳鑫等［29］在對煤泥浮選前，先分別對捕收劑、起泡劑、抑制劑進(jìn)行磁處理，發(fā)現(xiàn)磁處理起泡劑、捕收劑對煤和煤矸石的可浮性均有影響，且對煤的影響較煤矸石顯著；磁處理后水玻璃對煤矸石、黃鐵礦的抑制效果增強(qiáng)，而對煤無明顯影響。對藥劑進(jìn)行磁處理可以顯著擴(kuò)大煤與矸石的可浮性差異，提高煤泥回收率；此外，磁處理能引起浮選礦漿含氧量、pH 值、礦物表面Zeta 電位和潤濕熱的變化。單礦物浮選試驗(yàn)表明，磁處理浮選礦漿提高了煤的可浮性，加大了煤與煤矸石、黃鐵礦之間的潤濕性差異，有利于強(qiáng)化煤泥浮選脫硫降灰的效果［48］。另外，磁處理可以改善物料的過濾性能，提高物料的脫水效率，這進(jìn)一步加大了磁處理技術(shù)在煤泥浮選工藝的應(yīng)用前景。

邱廷省等［58］采用常規(guī)藥劑油酸、碳酸鈉、硅酸鈉和明礬等對螢石進(jìn)行了磁處理浮選研究，結(jié)果表明，采用磁處理技術(shù)可以簡化螢石與石英浮選分離工藝，強(qiáng)化對石英的抑制，提高螢石浮選和降硅效果。朱巨建等［59］研究了浮選介質(zhì)水經(jīng)磁化處理后，石英的上浮率與介質(zhì)pH 值的關(guān)系及其作用機(jī)理，研究結(jié)果表明，磁化處理可以使Ca2+對石英的活化能力降低，石英上浮率減少。

3.3 磁處理化學(xué)浸出

邱廷省等［60］將磁處理技術(shù)應(yīng)用在草酸沉淀稀土浸出液的工藝過程中，考察了磁場強(qiáng)度、磁處理時間以及磁化方式等因素對稀土沉淀效果的影響。研究結(jié)果表明，磁處理技術(shù)應(yīng)用于此沉淀過程可提高草酸稀土的純度，減少草酸的消耗量，從而為降低離子型稀土礦山的生產(chǎn)成本，為增加稀土的有效回收提供了一種新工藝。此外，磁處理對碳酸氫銨沉淀稀土母液體系有很大影響，在適宜磁場強(qiáng)度下磁處理能使稀土沉淀物的純度提高3～4個百分點(diǎn)［61］。

4 總 結(jié)

（1）為了改善復(fù)雜難選礦石的選別效果，減輕污染環(huán)境壓力，采用磁處理水系的方式能夠促進(jìn)藥劑與礦物的相互作用，提高藥劑在礦物表面的吸附量，增強(qiáng)礦物表面性質(zhì)的差異性，加大礦物的可浮性差異，有利于提高有用礦物回收效果。而且磁處理具有無能耗、無藥劑添加等優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了多學(xué)科結(jié)合的優(yōu)勢，完全可以稱為綠色技術(shù)。

（2）水系的磁處理設(shè)備簡單，易于操作及維修，在不改變原生產(chǎn)流程的情況下，僅僅添加一磁處理設(shè)備就能提高生產(chǎn)指標(biāo)，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價值，在礦物加工過程中具有良好的應(yīng)用前景。

（3）今后應(yīng)加強(qiáng)磁處理浮選和磁處理化學(xué)浸出工藝和設(shè)備的研究，優(yōu)化和完善磁處理?xiàng)l件，使之盡早地應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)，提高我國處理貧、細(xì)、雜礦石的技術(shù)水平以及綜合利用礦產(chǎn)資源的能力。