超磁分離技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉蘇寧 丁 劍 李 諾 孫寧磊

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

絮凝是水處理工藝中的重要環(huán)節(jié)之一，其作用是將水中的微小顆粒、膠體和其他懸浮物聚集從而實(shí)現(xiàn)分離[1]。常見的絮凝方法有斜板沉淀、加砂沉淀、旋流分離、磁加載沉淀以及超磁分離等。根據(jù)廢水組成特點(diǎn)不同，這些方法可應(yīng)用于不同水處理工藝中[2]。其中，超磁分離技術(shù)具有出水效果好、處理速度快、能力強(qiáng)、工藝流程短、設(shè)備體積小、占地少、藥劑投加量少、污泥濃度高、脫水性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種水體的處理[3]。

超磁分離技術(shù)原理是在磁粉體材料和絮凝劑(磁種)的共同作用下，使水體中的懸浮物與磁種凝聚在一起，形成具有一定磁性的絮體，再利用永磁材料所產(chǎn)生的高強(qiáng)磁場力的作用將磁性絮團(tuán)快速分離。該技術(shù)的核心是磁微粉的選擇、超磁分離和磁種回收設(shè)備的選擇。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于黑臭水體、河道水、景觀水、湖水、煤礦礦井水、市政污水一級強(qiáng)化、含磷廢水、重金屬廢水等水處理領(lǐng)域，得到市場的重視和認(rèn)可[4-6]。

由于磁選技術(shù)與設(shè)備比較成熟，現(xiàn)有工程應(yīng)用研究大多針對設(shè)備選型搭配以及系統(tǒng)的集成化，有關(guān)磁種即磁性粉末的制備及性能的研究較少，而磁性粉末的物化性能對磁絮凝以及磁分離效果都有顯著影響，因此，對磁性粉末制備工藝的研究具有重要意義。

1 超磁分離技術(shù)的應(yīng)用及研發(fā)進(jìn)展

1.1 超磁分離技術(shù)的應(yīng)用

超磁分離技術(shù)源于早期的磁加載沉淀技術(shù)，一般包括懸浮物預(yù)處理、混凝絮凝、超磁分離、磁介質(zhì)分離回收、污泥處理等工序。首先進(jìn)行廢水預(yù)處理，去除其中的大顆粒和其他雜物，接著加入一定濃度的磁性物質(zhì)、PAC和PAM，將其混合均勻后形成微磁性絮團(tuán)；含有這種微磁性絮團(tuán)的廢水進(jìn)入超磁分離設(shè)備中被分離出磁種和污泥混合物，再經(jīng)打散后進(jìn)行二次磁選得到磁性粉末循環(huán)使用[7]。超磁分離設(shè)備一般采用稀土永磁材料，磁場強(qiáng)度高，可快速分離含磁性物質(zhì)[8]。

有關(guān)超磁分離技術(shù)在煤礦礦井水懸浮物處理中的應(yīng)用研究較多。煤礦井水中的懸浮物主要為采掘時帶入的煤粉塵、巖粉等，含量為100～400 mg/L。由于微粉密度和粒徑都較小，因此自然沉降時間長且效果不佳。根據(jù)多個實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目[9]，采用超磁分離技術(shù)處理礦井水處理效率高，設(shè)備占地面積小，運(yùn)行穩(wěn)定，管理簡單。此外，磁分離技術(shù)還可應(yīng)用于其他廢水處理，見表1。

表1 部分超磁分離技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目

由表1可以看出，超磁分離技術(shù)應(yīng)用的適應(yīng)性廣，對各種廢水中懸浮物的富集絮凝都有顯著效果，尤其與其他處理技術(shù)配套組合后，出水品質(zhì)更好。

1.2 超磁分離技術(shù)研究進(jìn)展

關(guān)于超磁分離技術(shù)成套設(shè)備的研究較多，近年來授權(quán)的多數(shù)專利都圍繞集成裝置中各子設(shè)備的選型和核心設(shè)備的改進(jìn)優(yōu)化，還有少數(shù)專利圍繞采用超磁分離工藝處理各種不同廢水，目的是降低廢水中懸浮物含量，減小濁度(表2)。

表2 部分關(guān)于超磁分離技術(shù)和系統(tǒng)的專利

2 超磁粉體的研發(fā)進(jìn)展

超磁分離技術(shù)研發(fā)的核心為磁性物質(zhì)富集設(shè)備和磁種分離。磁性物質(zhì)富集設(shè)備可依據(jù)各類磁選設(shè)備改進(jìn)，但磁種的選擇要兼顧制備成本和性能。常見的具有磁性的材料較多，如鐵、鈷、錳等軟磁合金，各類鐵氧體、γ-Fe2O3、Fe3O4、非晶態(tài)的稀土- 過渡族合金等。其中Fe3O4具有優(yōu)異的物化性質(zhì)，如安全性高、制備簡單、磁各向異性、矯頑力高、磁性伸縮系數(shù)大等，多被直接用作磁種或磁種基材。

超磁分離技術(shù)的磁種主要有天然磁鐵礦粉體和以Fe3O4為基材的復(fù)合材料。天然磁鐵礦粉體純度不高，雜質(zhì)較多，有二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。合成Fe3O4的方法主要有固相法和液相法：固相法是采用鐵及鐵氧化物粉末，在氧化或還原氣氛下高溫反應(yīng)得到Fe3O4材料；液相法包括共沉淀法、水熱法、微乳液法、高溫液相法等，其優(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡單、產(chǎn)物純度高、粒徑分布均勻。為了改善Fe3O4的吸附和沉降性能，各類復(fù)合型材料也成為研究熱點(diǎn)之一，如將磁性材料與有機(jī)物高分子聚合物、無機(jī)納米材料等材料復(fù)合改性。此外，針對某些含有特定污染物的廢水，也有研究人員以不同的功能基團(tuán)(弱酸基團(tuán)、弱堿基團(tuán)、強(qiáng)堿基團(tuán)等)對Fe3O4顆粒進(jìn)行表面修飾，獲得具有特殊功能的復(fù)合材料(表3)。

表3 部分復(fù)合型Fe3O4材料制備方法和效果

常見的Fe3O4有機(jī)修飾材料主要有表面活性劑和偶聯(lián)劑兩類，無機(jī)材料主要為SiO2，可通過硅烷類材料制備包覆有SiO2的磁性材料。高分子聚合物包覆材料常見的有聚苯乙烯、聚氨酯、纖維素、殼聚糖、蔗糖等[22]。

通過采用不同的表面修飾方式及材料，不僅可以使納米Fe3O4材料具有特殊吸附性能，也可使其在水中的分散性更好。

3 共沉淀法制備四氧化三鐵

成本問題是制約共沉淀法制備的Fe3O4材料在水處理領(lǐng)域推廣的重要因素之一，如何簡化制備工藝及操作條件成為未來研究的重要方向。本課題組采用共沉淀法制備Fe3O4的原理如下：

Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3O4↓+4H2O

(1)

以Fe2(SO4)3和FeSO4為鐵源，以NaOH為沉淀劑，常溫下未加入任何添加劑，制備微米級的Fe3O4粉體材料，其比表面積為58 m2/g，掃描電鏡圖片如圖1所示。從圖1可以看出，F(xiàn)e3O4粉體顆粒分散性好，呈較為規(guī)整的球型，粒徑范圍為0.2～5.0 μm，一次顆粒非常細(xì)小。XRD特征峰與Fe3O4特征峰吻合得極好，沒有其他明顯的雜峰，說明產(chǎn)物純度較高，結(jié)構(gòu)完整。此外，從圖1(d)中看到，該粉末的磁化曲線和退磁曲線完成重合，呈現(xiàn)超順磁性的特點(diǎn)，飽和磁化強(qiáng)度為48 emu/g。

圖1 Fe3O4粉體材料檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

超磁分離技術(shù)處理的應(yīng)用已逐步拓展到各個領(lǐng)域的廢水處理中。目前市場上的磁分離設(shè)備集成系統(tǒng)比較成熟，但對磁種的開發(fā)和選用是該技術(shù)推廣應(yīng)用的核心之一。磁性四氧化三鐵粉末，制備方法相對簡單，成本較低，用作磁種既可降低水體濁度，經(jīng)不同的改性方法處理后還可吸附各類重金屬雜質(zhì)。因此，實(shí)現(xiàn)不同功能磁種的定制化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，是推進(jìn)超磁分離技術(shù)快速發(fā)展的重要因素。