磁流体分离技术在环保领域的应用

磁流体分离技术在环保领域的应用赵毕清（单位：西北工业大学应用物理系陕西西安710129）摘要：介绍了磁流体的基本特性；磁流体分离技术的原理；详述了磁流体分离技术在节能环保领域的应用；提出磁流体分离技术的应用前景展望。关键词：磁流体分离技术磁流体应用——————————————————————————————————————引言：磁流体的研究开始于20世纪30年代末。1965年,美国将其应用于宇宙服的磁性密封。1945年比利时人VermefivenT应用水的磁化处理锅炉用水,并且获得了专利。20世纪中叶起,美国、原苏联及日本等国掀起了“磁处理研究”热潮。磁分离技术首先应用于选矿和瓷土工业。20世纪60年末,前苏联开始用磁凝聚法处理钢铁厂的除尘废水。1970年美国研究用磁絮凝法处理钢铁、食品、化工和造纸等工业废水。纽约的倍谢姆钢铁厂安装了磁分离设备。1974年瑞典等国开始用磁盘法处理轧钢废水。1976年日本用磁盘法处理平炉、转炉除尘污水,均取得良好效果。1977年美国和日本等国用高梯度磁过滤器处理钢铁工业废水,在滤速达170mPh的情况下,出水悬浮物15mgPL。近几年来,我国在这方面的研究也很活跃。近年来环境问题成为全球关注的焦点，我国也提出建设节能环保型社会的目标。基于磁流体研究的磁分离技术越来越成熟，在节能环保方面的应用越来越广泛。磁流体：磁流体是由平均10nm左右的铁磁性或亚铁磁性微粒表面包覆一层界面活性剂分子，均匀分散在基液中构成的，其组成如图1示。载液可以是水、煤油、石蜡油等。磁流体在重力场和磁场作用下是稳定而不沉积的。这是由于处于重力场或磁场中的磁粒子的热能和重力能、磁场能处于同一数量级上。并且，裹覆在磁粒子表面的表面活性剂具有聚合链。因此，分子间的空间排斥阻止了磁粒子的接触，从而避免了因范德华力引起的粒子聚集。因此，一方面磁微粒子在基液中不停地做布朗运动，即使在重力、磁力、离心力作用下也不会发生固液分离现象，固液两相浑然一体；另一方面具有超顺磁性，在外加磁场下，会显示磁性会出现相应的磁特性、粘滞性、密封性、流变性、磁浮性、稳定性和双折射性等独特的性能。由于它具有强磁性和流动性等独特的物理化学性质[2]。磁流体分离技术一、概述磁分离技术是借助磁场力的作用，对不同磁性的物质进行分离的一种技术。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：铁磁性物质、顺磁性物质和反磁性物质。利用元素或组分磁敏感性的差异,借助强磁场来强化分离操作正是磁分离技术的基础。随着强磁场、高梯度磁分离技术的进展,磁分离技术的应用范围日益扩大。诸如用于矿物分选、乳浊液分离、反应触媒氧化钴和镍的分离回收、磁性制氧以及传质单元操作中的吸收、吸附、萃取、结晶。磁化分离法按装置原理可分为磁凝聚分离、磁盘分离和高梯度磁分离法3种。磁流体分离技术利用磁流体流体和磁体的双重性质相对于传统的磁分离技术更环保更节能，特别是分离难度大，含量底的物质,效率更高。另外，磁流体分离技术也被用于污水处理，烟尘处理方面。二、原理—磁流体的动力学模型[3]普通液体的Bernoulli方程为CgzvP22（1）考虑到磁流体的超顺磁性质，磁流体能够在磁场或者磁场与电场联合作用下磁化，呈现似加重现象。Rosensweig对(l)式迸行了修正，并提出磁流体Bernoulli方程：CdhmggzvP02412（2）式中P——压强ρ——磁流体密度z——相对高度m——磁流体各点磁化强度v——磁流体的速度h——外加磁场强度C——常数比较式(1)、(2)，不难看出，式(2)比式(1)附加一项负的磁能，很明显，该项与外加磁场和磁流体内部各点的磁化强度相关，即外加磁场梯度越强，该项值越大，也就是说磁场的能量转换成磁流体压强的增大(静磁压力增大)，正是这种静磁压力的产生，反映出磁流体的一个重要性质，即在均匀磁场中其表观密不变，而在非均匀磁场中其表观密度将发生变化，呈现似加重现象。磁场梯度越大，这种变化越明显。对磁流体的Bernoulli方程进行微分并整理得：dzdhmgdzdp4(3)式(3)的左端是磁流体内部压力梯度，等效于磁流体的悬浮能力，右端第一项等效于重力场中的悬浮能力，右端第二项是因磁场梯度作用而产生的磁悬浮力。如果磁流体中非磁性物资的体积是V，密度是ρ',则作用在非磁性物质上的力dzdhmgVF4'（4）式中m——磁流体的平均磁化强度dzdh——磁流体置于非均匀磁场中的磁场梯度式(4)的右端可以得出：非磁性物质在磁流体中的沉浮(即磁流体表观密度)由重力场，磁场梯度和磁化强度三个因素决定。在式(4)中，如果F=0，非磁性物质因其密度的差异而悬浮在磁流体中的不同位置；如果F＞0非磁性物质下沉；如果F＜0，非磁性物质上浮，所以只有磁场梯度满足dzdhmg4'时，磁流体就能把原来下沉到底部的非磁性物质漂浮到磁流体液面上，而磁场梯度，磁化强度与产生磁场的电流成正比，所以当电流增大时，非磁性物质上浮，相当于磁流体的表观密度在增大。因此，称为磁流体的视在密度。三、磁流体分离技术的应用选矿磁流体分选装置的示意图如图所示。在装满磁流体的分选槽中间部位呈楔型放置两块永磁体,形成磁场梯度即非均匀磁场,同时使磁浮力产生一个水平分量。其中与N相联的磁扼铁可以转动调节角度,与S相联的磁匀区铁可以前后滑动调节距离,以便获得不同的磁场梯度,从而满足了不同工况的需要。比如磁流体分选装置用来分选砂金矿石时,把矿石倒入分选槽内,调节磁扼铁的角度和距离,磁流体的表观比重随之变化,当表观比重达到14g\cm3时,并且在磁浮力水平分量的作用下运动到分选槽的左边,当矿石到达左边后已不再受磁浮力,从而会沉到分选槽底部被输送带运走。而比重为的金则会直接下沉,通过楔型槽间隙落到回收输送带上分离出来只要适当地调节永磁体间的磁场梯度和磁场强度,磁流体矿物分选装置中的磁流体可以得到任意大小的表观比重,因此具有广泛的适用范围。除了可以用于砂金和宝石的分选外,也适合于铝、锌、铜、铅、及其合金等直径小于的矿物分选。磁流体矿物分选装置采用永磁体的磁场力作为动力源,大大降低了电能的消耗,而且水基磁流体造价较低,易于回收,对生态无害,在提倡节省能、保护环境的今天,是一种很有应用前途的矿物分选技术。油水分离由于以烃类作分散剂的磁性流体可与油而不与水混合,因此在磁性流体中加入油一水混合液时,其中油被磁化。大型油轮失事造成海面严重污染的事故屡有发生,利用此原理就可以回收漏在海面上的油及乳胶方法为在油轮上设置几个盛相溶于石油的铁磁性流体的槽,槽与油槽用管子相联,管子与油槽相接的一端装有喷嘴,船壁装几个电磁铁,电磁铁可由船上发电机供电而使船体某部分磁化一旦传感器发出油槽漏油信号,铁磁性流体便通过喷嘴喷入油槽井迅速与石油混合,从而使油体带有磁性这样至少可以大大减缓石油外漏的速度,便于堵塞油槽裂口,防止或减缓失事油轮污染海洋用类似的方法还可收集已经泄漏到海面上的石油和油污。污水处理目前比较流行的处理方法有高梯度磁分离，磁盘分离在这些传统方法中，通过加入磁种，使要分离的固体，液体，及藻类具有磁性。当颗粒的大小在10纳米附近时，该液体便具有了磁流体的性质。粉尘处理蒋裕平先生对磁流体除尘做了系统科学的试验[6]结果显示磁流体对于非磁性粉尘及磁性粉尘的除尘的效果要好于普通水,对磁性粉尘的除尘效果尤其突出。四、磁流体分离技术的技术瓶颈1.新型磁流体的制备由于矿物分选需要大量的磁流体,因此必须制备出廉价、稳定、并具有高饱和磁化强度的磁流体。目前,我国磁流体制备技术理论上成熟了，但工业化应用还有一段距离。2.磁流体的回收现有的有色金属分选手段大多会对环境造成严重污染,因此要发展磁流体矿物分选技术,必须作到磁流体的完全回收,从而达到保扩,生态环境的目的。3磁浮力的控制一般说来,对于仅含两种成分的矿石来说,调节磁场使磁流体的表观比重达到两种成分的平均比重时,分离效率最高。而对于多成分的矿石,如何控制磁场得到最高的分选效率也有待进一步研究。磁流体分离技术展望1.分离一直是化工，环保领域的重要技术。传统的方法已经被广泛的使用并且积累了许多工程技术经验，有许多难题也一直未得到彻底的解决。磁流体分离技术作为新型技术应该与传统技术结合，发挥自身的优点，见解传统方法的优势。这样有利于磁流体分离技术的工业化应用和技术发展（如磁流体在除尘上的应用[6]）。注:不锈钢的容器由环绕容器周围的天然磁石所磁化粉尘处理试验装置2.磁流体分离技术应该发展自身的优势，在对磁流体理化性质研究的基础上，深入对磁流体分离技术的认识，争取开发基于不同性质的不同原理的分离技术。3.按照麦克斯韦方程组，电磁有着完美的联系。相对于磁流体，电解质的研究更成熟。可以对比电解质的研究方法与理论来研究磁流体。4.磁流体与电解质可以认为是电与磁在流体里的表现形式。按照电磁场的理论，将电解质与磁流体统一起来研究，将会认识到磁流体在高频领域的性质，扩展其应用。结语：磁流体分离技术作为磁流体的一项应用已经给我们的生活带来了方便。磁流体技术的应用前景更加广泛。现在磁流体已经被应用于医药，航天，环保，光信息技术，机械，矿业等[5]。而且一些技术诸如磁密封技术发展到现在已经很成熟[2]。我国的磁流体技术相对落后，还未广泛工业化应用。在此背景下，我国的科研工作者应该抓基础，开拓创新，从理论与工程上不断提高。参考文献[1]尹荔松,沈辉,张进修磁性液体的特性及其在选矿中的应用矿冶工程2002,922(3)51-53[2]李德才磁性液体理论及应用[J]北京:科学出版社2003.8[3]朱洪俊廖磊王忠磁流变体的选矿机理矿山机械200633（4）100-101[4]黄军辉水基磁流体制备技术的研究选煤技术1998.6第三期3-6[5]王瑞金王常斌磁流体技术的工业应用力学与实践2004.1226（6）8-13[6]蒋裕平磁流体除尘的研究环境技术2004年第四期46-48THEAPPLICATIONOFTHEMAGNETICSEPARATIONTECHNOLOGYINPROTECTINGENVIRONMENTZHAOBiqing(Nwpu,DepartmentofAppliedPhysics,Xian710129,Shanxi,China)Abstract:theprincipleofmagneticfluidandmagneticseparationtechnologywasbrieflyintroducedatfirstinthispaper.Andthentheapplicationinprotectingenvironmentandsavingenergy.Intheendsomenewapplicationswereputforward.Keywords:magneticseparationtechnology,magneticfluid,application