磁处理水的物理作用分析

都的箭¹，吴克宏¹，刘绍根²
（1.解放军理工大学工程兵工程学院军事环境工程系，江苏 南京 210007；
2.安徽建筑工业学院环境工程系，安徽 合肥 230022）

　　摘要：结合磁场在工业废水、城市污水和饮用水处理中的应用，对磁场处理水的物理作用原理及其影响因素进行了分析。同时指出了磁场在水处理中的应用优势和磁场效应与各种水处理技术共同作用实现多种水处理功能的技术前景。
　　关键词：水处理；磁分离；高梯度磁场
　　中图分类号：TU991.27
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455(2001)04-0001-03

An Analysis of the Physical Effect of Water Magnetic Treatment
DOU De-jian，WU Ke-hong，LIU Shao-gen
(1.Department of Military Environment Engineering，EIEC，PLAUST，Nanjing 210007，China
2.Department of Environmental Engineering，Anhui Institute of Architecture，Hefei 230022，China)

　　Abstract:The physical effect of magnetic-field water treatment is analyzed based on the application of magnetic field in the treatment of industrial waste water，municipal sewage and drinking water．Meanwhile，the advantages of magnetic field application in water treatment and the technical prospect of the joint effect of magnetic effect and various other water treatment techniques in realizing multiple function of water treatment are pointed out．
　　Key words:water treatment；magnetic separation；high-gradient magnetic field

　　磁处理水技术是近几年发展起来的一门新兴的水处理技术。磁分离作为物理处理技术在水处理中获得了许多成功应用，显示出许多优点。磁分离的物理作用是利用废水中杂质颗粒的磁性进行分离的，对于水中非磁性或弱磁性的颗粒，利用接种技术可使它们具有磁性。目前具有代表性的磁分离设备是圆盘磁分离器和高梯度磁过滤器。

1 磁处理水的物理作用原理

　　磁分离的物理作用基本原理就是通过外加磁场产生磁力，把废水中具有磁性的悬浮颗粒吸出，使之与废水分离，达到去除或回收的目的。为了分析方便，我们把废水中的微小的磁性悬浮颗粒看作直径为d的球形物体，其密度为ρ，质量为m。由物理力学知识，磁性颗粒在磁场中受力分析如图1所示。
　　根据磁性颗粒的受力分析（图1），则它的运动轨迹可用下面矢量方程来表示：

　　式中：m－悬浮颗粒质量，kg；
　　
　　

　　由(6)式可知，在微小磁性颗粒和适当水流流速下，整个运动方程式的重力和浮力可忽略不计，则有下式：

　　当磁力大于阻力时，磁性悬浮颗粒被磁体吸引，产生加速度，随之介质液体阻力增大。当磁力等于阻力时，加速度为零，悬浮颗粒作等速运动靠近磁体，这时的速度Vc可由下式表示：

　　对于水流中粒径较大的磁性颗粒或絮凝体，则要考虑其重力和浮力的影响，对它所受的阻力可忽略不计。不考虑磁力的影响，根据斯托克斯定律，水流中固体悬浮颗粒沉降的速度可表示为：

2 提高磁场捕获悬浮颗粒的影响因素

　　由悬浮颗粒在磁场中受力分析可知，影响磁场捕获磁性颗粒的因素很多，大体归纳分析为以下几点。
2.1 磁场力
　　由(6)式可知，为达到最大磁吸引力，应尽可能提高磁场强度和磁场梯度。如果提高场强，则增大耗电和运转费用，而且磁性粒子的磁化一旦饱和，磁力也就不再增大，所以场强只能在一定范围内被提高。提高磁场梯度则是最有效的手段。磁场梯度是指单位距离内磁场强度的变化率，高梯度磁场分离是以钢毛或带锐脊的薄钢板作为聚磁介质，放在强磁场中，通过对磁力线的密集或发散，使其在微小空间出现高的磁场梯度，使得弱磁性的微细颗粒甚至半胶体颗粒都能被聚磁介质所吸引。目前国内外对钢铁厂、造纸厂、电镀厂、纺织印染厂等工厂的废水以及城市污水进行高梯度磁场分离处理^[1]；在饮用水中利用高梯度磁滤消毒净化^[2]。
2.2 悬浮颗粒的磁化率（K_m）
　　由式(5)可知，通过投加磁性接种剂来增大K_m，从而增大了磁力F_z。磁性颗粒在较大磁力作用下容易被捕集从而有利于去除。对于废水中非磁性和颗粒尺寸在微米以下的污染物，可用铁粉、磁铁矿、磁－赤铁矿、赤铁矿微粒以及具有磁矩的细菌（吸附铁磁性离子）来做磁性接种剂。对于固体磁种，大多数情况下，添加混凝剂实现磁种与非磁性粒子污染物的凝聚，这样，磁化率很小的或非磁性粒子污染物变为磁化率较大的絮凝体，通过高梯度磁场分离器能有效地排除。目前，通过投加磁种来增大K_m，再经过磁处理，这种技术已成功应用于去除废水中的油、金属离子、非磁性固体悬浮物、营养物质、有机物等^[3]。
2.3 悬浮颗粒或絮凝体的粒径（d）
　　通过磁聚和絮凝来增大粒径。磁聚（或称磁力凝聚）是利用磁铁粉颗粒通过预磁器后残留的剩磁，使颗粒相互吸引而团聚成大的磁聚体。絮凝（化学凝聚）是通过投加凝聚剂，使磁性粒子（或磁性粒子与非磁性粒子）凝聚成大的絮凝体。由式（8）和（9）可知，若V＞VC，则考虑将这些聚结成较大的颗粒先在预沉池内下沉而除去。经过磁聚或絮凝，废水中原来粒径很小的磁性或非磁性粒子形成粒径较大絮体，通过磁分离器时，它们所受磁力增大，从而容易被捕捉达到去除。
2.4 水流流速（V）
　　由（6）式可知，要保证磁场去除污染物颗粒，则要选择适当的水流流速。若流速增大，由（4）式可知，其所受水的阻力也增大，则磁场捕获污染物的量就会降低。所以要控制流速的大小，使水流通过磁场时呈层流状态。如用高梯度磁场分离器处理钢铁厂废水和铸铁废水时，当其滤速为200～1000m/h时，处理效果就特别好^[4]；用高梯度磁滤器除菌，其滤速为150～180m/h，磁通密度超过0.2T时除菌率达到90％以上。
2.5 流体与磁体表面的接触面积
增加流体与磁体表面的接触面积也可提高污染物颗粒的去除量。通过磁去除器结构设计，可采用旋转磁场，不断更新接触表面，增加液体与磁表面的接触面积，如圆盘磁分离器就是依据这一点设计的；高梯度磁分离器是用钢毛或带锐脊的薄钢板聚磁介质填塞在过滤器中，达到增加液体与磁体表面的接触面积，增强了污染物颗粒的去除效果。
通过磁性悬浮颗粒在磁场中的受力情况及其影响因素的分析，从理论上探讨了提高磁场物理作用处理水效率的方法，从而指导实验。为达到高的污染物去除率，就必须从提高磁场梯度或场强、增大水中悬浮颗粒的大小和磁化率以及磁表面积、适宜的过滤流速这几个方面来考虑。

3 磁处理水的优势

磁处理的研究和应用都还比较少，但根据磁分离技术的物理作用原理，利用磁分离技术在水处理方面具有很多的应用优势，主要有以下几点：
①磁分离设备体积小、结构简单、维护容易、费用低、占地少。如高梯度磁分离设备，容易实现自动化；工作高度可靠，维修量适中；占地少，相当于其他传统设备的五分之一以下。
②利用高梯度磁滤法物理作用原理，可去除那些耐药性和毒性很强的病原微生物、细菌以及一些难降解的有机物等等。有研究表明，磁场力可使病原微生物、细菌等细胞内的水和酶钝化或失活，从而它们被杀灭，通过磁滤达到去除^[2]。
③磁分离技术能实现多种污染的一次净化，具有多功能性和通用性。在原水中通过投加磁种和混凝剂，使得各种性质的弱磁性微细颗粒甚至半胶体颗粒在高梯度磁场中能得到高效去除。例如：去浊和去除重金属离子、油污、放射性污染等^[1]；石行^[5]研
究并提出用磁分离技术还可进行海水淡化和除盐。
④磁分离技术处理水量大，且不受自然温度的影响。高梯度磁滤分离器的过滤速度是一般处理用的高速过滤机的10～30倍，相当于沉淀池的100倍；磁分离技术适合干旱炎热或寒冷等不同气候条件下地区的给水水质处理^[6]。
⑤利用高梯度磁滤法可作为给水的杀菌消毒处理，主要优点是不产生有害的副产品、且简单容易^[2]。用氯或氯制剂对饮用水消毒时，有研究表明氯与水中腐植酸和黄腐酸以及其他微量有机物反应产生三卤甲烷（THMs）和其他卤代烃化合物，这些化合物是多种疾病的致病因子。
⑤根据磁化后的水能促进水垢脱落的现象^[7]，可利用磁场磁化那些矿化度较高的水源（如地下水源）作为锅炉用水，不需要加入化学药剂来阻垢、防垢，这样不但避免了锅炉结垢，而且水也没有受到因加入化学药剂而受到污染。
　　磁分离技术是一种简易可行且处理效率高的水处理技术，但存在着一定的技术难度和局限性，从而影响着它的广泛应用。例如，介质的剩磁使得磁分离设备在系统反冲洗时，难以把被聚磁介质所吸附的磁性颗粒冲洗干净，因而影响着下一周期的工作效率；为了尽可能提高磁场梯度，必须选择高磁饱和度的聚磁介质，对聚磁介质的选择具有一定的技术困难。在实际应用中，对于这些技术难度和局限性有待研究克服。

4 磁处理水的应用前景

　　近几年来，磁分离技术在水处理中单独应用的研究不是很多。磁分离技术与其他技术之间的组合是比较热点的领域。如用磁电组合电解处理含铜工业废水实验研究结果表明，磁电解法比普通电解处理有更好的效果^[8]；磁分离技术能有效的强化人工生态系统来处理有机污水^[9]等等。另外，磁场与红外辐射、光、超声波等物理技术相互强化处理锅炉用水，磁场与化学投药法一起共同作用处理工艺用水以及与生物技术协同作用进行杀菌防毒净化饮用水的研究等等，都是值得研究的课题。但磁场的生物效应以及磁化水能脱垢等这些问题的作用机理仍然没有研究清楚^[7，10]，影响着磁分离技术的广泛应用。因此，有效地利用磁场的能量，注重磁场的生物效应和磁场强化絮凝机理的研究，不断与其他技术相互渗透、共同作用来达到废水处理的基本要求，开展这方面的研究工作无疑具有重要的意义。

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作者简介：
　　都的箭（1976－），男，硕士研究生。