基于磁場的污水檢驗和凈化實驗探究*

石浚希 吳紫馨 武文君 劉傳薪 彭小牛

湖北大學物理與電子科學學院 湖北 武漢 430062

引言

在石油工業中，含有大量鐵鈷鎳等金屬化合物的化學污水是其排放的化學污染物之一，肆意排放會對土壤、水生生物、人體健康和農作物生長產生嚴重的化學污染，因此在自然排放前必須進行檢測和預處理[1]。

本文針對石油工業污水，設置了一套污水檢驗和凈化裝置。由于空間磁感應強度極易受鐵磁介質存在的影響，并且霍爾效應能夠精確地將磁感應強度的改變轉化為霍爾電壓進行間接觀測，因此能夠通過對比施加特定強度磁場后的污水與純凈水中的霍爾電壓值，達到檢驗污染程度的效果；結合單片機，通過藍牙模塊與手機遠程無線互聯，實時監測水樣品污染物濃度。當污染物濃度超標時，可通過自動或遠程控制，將磁粉投入污水中進行充分攪拌。由于磁粉具有良好吸附性[2]，使得污染物附著于磁種，隨后利用磁場使得污染物沉降[3-4]，從而達到污水處理的效果，直至符合凈水標準。

1 實驗原理及方法

在磁場中能發生變化并能反之影響磁場的介質稱為磁介質。磁介質可分為3類：順磁質；抗磁質；鐵磁質。順磁質、抗磁質與鐵磁質有很大差別，可合稱為非鐵磁質。經典物理認為，磁介質由分子和原子組成，原子中的電子由于軌道運動及本身的自旋而形成電流，從而具有分子固有磁矩。對于順磁質，外加磁場后，宏觀上增強空間磁感應強度的作用。對于抗磁質，在外加磁場的作用下，宏觀上會減小空間中磁感應強度。

非鐵磁質對于磁場的影響能力較小，而鐵磁質對于磁場的影響則遠大于非鐵磁質[5]。鐵磁物質本身具有磁矩，并且這類原子之間發生自發磁化作用，合成較強的聯合磁矩，即磁疇。外加磁場時，各磁疇的磁矩向外磁場方向轉動，導致單位物理小體積內磁化強度M逐漸增大，從而引發明顯的空間磁感應強度變化[5]。鐵磁體的磁化性能方程如下：

由于污水中非鐵磁質對磁感應強度影響微乎其微，因此實際檢驗中污水中非鐵磁質對于空間磁感應強度的影響可以忽略不計，只考慮鐵磁質的影響。

對于由鐵磁質導致的空間中磁場變化的檢驗，我們可以利用霍爾效應來實現。

如圖1，將一塊導體或者半導體沿著Z軸方向通入磁場，并且沿著X軸方向通入電流I。

圖1 霍爾效應示意圖

半導體中載流子受到洛倫茲力的作用：

帶正電的載流子和帶負電的電子分別向導體或半導體兩側聚集，從而激發出抑制兩種載流子繼續向兩側聚集的電場，使得載流子受到洛倫茲力反向電場力有：

當Fm + Fe =0時，達到平衡狀態有數值關系：

因此此時橫向電場兩段的電勢差為：

設n為載流子密度，可得霍爾電勢差為：

可見在外加磁場的情況下，由于鐵磁質的磁疇發生變化，導致空間中的磁場B增大，又由于磁場B和霍爾電勢差呈正相關，因此純水中的所測得的霍爾電勢差和污水中測得的霍爾電勢差是不同的，且鐵磁質含量越高，磁場B的增大量越大，從而導致霍爾電勢差的數值越大，因此相對于純水的變化更明顯。

另外，由于磁性納米粒子有較大比表面積，且某些小顆粒污染物表面有與吸附質相似的孔徑結構。因此在靜電、絡合、氫鍵等作用下磁性納米粒子會附著于污染物顆粒[2]。因此我們處理污水時，已磁化的磁粉和絮凝劑投加到污水中并進行攪拌，油滴、顆粒物及膠體等污染物就會附著到磁種上，磁粉及被吸附的污染物發生磁聚絮凝加速沉降，從而凈化污水[3-4]。

2 實驗裝置及步驟

2.1 實驗裝置器材

本實驗裝置圖如圖2所示。其中，直流穩壓電源電壓大小為6V；檢驗區由三部分組成，分別是兩塊100×50×20mm的釹鐵硼強磁鐵，待測樣品盛放容器，3D打印支架的霍爾效應探針（如圖3）。之所以選擇釹鐵硼磁鐵的原因是稀土元素釹，具有攜帶很強的內稟磁矩的特點，而硼在形成四方晶體結構金屬間化合物起著重要作用，使得磁鐵具有高飽和磁化強度，可以提供較強磁場[8-9]。由于3D打印所用材料防水性好，打印出來的產品精致，且不需要模具生產過程快捷，因此我們選用3D打印技術制作探針結構[10]。讀數區域為串聯著電阻箱的微安表；單片機為樹莓派Pico開發板；藍牙模塊為HC-05藍牙模塊。

圖2 實驗裝置圖

圖3 3D打印的霍爾效應探針

2.2 實驗步驟

由于待檢水樣品中磁性污染物既包括較小單顆粒污染物，也包括顆粒聚集后的較大團簇污染物，因此我們分別選用納米和微米尺寸四氧化三鐵粉末作為模擬材料，將其分散溶解到水中，近似模擬樣品水中的污染物分布。將溶解分散了不同質量的各尺寸四氧化三鐵粉末放入勻強磁場中，記錄對應微電流計示數，改變電阻箱阻值，重復上述操作，并利用origin對實驗數據進行整理分析，得到不同電阻阻值下的四氧化三鐵單位含量-電壓相對變化量曲線。

向污水中溶入適量磁粉，攪拌均勻使得污染物顆粒充分附著于磁粉上，開啟電磁鐵，在污水樣品中施加特定強度磁場，使附著后的污染物沉降聚集。濾去沉積物后測量此時水樣品的霍爾效應電流信號，與前面步驟中未凈化水樣品的信號相對比，判斷污染物凈化程度，實現水樣品去除磁性污染物達到凈化的目的。

進一步利用單片機對輸入的電壓進行分析，并通過藍牙模塊使單片機與手機遠程無線互聯，既可以實時監測樣品檢測結果，高效判斷污染狀態，又可以遠程操控電磁鐵凈化處理實施，實現樣品快捷自動凈化過程。

3 數據處理及分析

3.1 檢驗部分實驗數據

我們選用電阻箱3種不同的阻值（22kΩ、33kΩ、10kΩ）構造不同的改造電表，分別探測不同尺寸模擬物質（10μm和20nm）的分散溶解質量對應的電流表示數，并折算為改造電壓表的電壓相對變化量。

表1 10μm材料及電阻箱22kΩ數據

圖4 單位體積磁粉含量和電壓相對變化量變化關系擬合圖a

表2 10μm材料及電阻箱33kΩ數據

圖5 單位體積磁粉含量和電壓相對變化量變化關系擬合圖b

表3 20nm材料及電阻箱10kΩ數據

圖6 單位體積磁粉含量和電壓相對變化量變化關系擬合圖c

3.2 凈化部分實驗圖

將磁粉對污染物進行充分附著后，開啟電磁鐵，在污水樣品中施加約300mT磁場，容器中污染物逐漸發生聚沉，完成凈化。

圖7 污水樣品凈化過程圖

3.3 數據分析與結論

對上述數據進行分析可以看出，模擬樣品中微米尺寸和納米尺寸四氧化三鐵的存在，都可以快速引起微安表示數的明顯變化，且其單位體積含量與微安表示數即霍爾電壓呈正相關。因此可知，通過構建磁場并結合霍爾元件對污水進行定性定量檢驗采油污水中金屬化合物的含量是可行的。

將磁粉充分附著于污染物顆粒后，在污水樣品中通入磁場，被磁粉附著后的污染物顆粒發現明顯聚沉，使得污水上層成為清液。因此，磁場不僅可以用于檢驗還可以用于污水的凈化。

取下層沉淀進行加溫，使得磁粉去磁并且解除磁粉與污染物顆粒的附著，分離磁粉與污染物，達到磁粉重復利用的目的，提高裝置循環使用效率，有效節約裝置成本。

4 結束語

污水的檢驗和處理一直受到廣大科研人員的密切關注，本方案設計針對常規污水檢驗成本高，時效性差等問題，以微米尺寸和納米尺寸四氧化三鐵作為模擬材料，驗證了利用磁場對污水進行檢驗和凈化的可行性。并且實現由單片機和藍牙模塊進行數據實時處理和遠程傳輸。實驗裝置搭建便捷，檢測精度較高，凈化效果好，可重復性穩定，成本低廉。本實驗增強了學生環保意識，動手能力，并且加深了學生對于霍爾效應的理解。