磁場(chǎng)強(qiáng)化非均相分離技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展

馮麗麗 趙立新 蔣明虎

（東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

磁場(chǎng)分離技術(shù)的原理是：混合相間各組分磁化系數(shù)不同，當(dāng)磁場(chǎng)作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致各組分間由于不同的受力狀態(tài)而呈現(xiàn)出不同的運(yùn)移軌跡，從而實(shí)現(xiàn)混合相的分離。 在磁場(chǎng)分離技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用中，分離效果與被分離介質(zhì)上的磁場(chǎng)力呈正相關(guān)［1，2］，因此對(duì)于磁化系數(shù)較大的強(qiáng)磁性介質(zhì)，無(wú)需較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度或梯度即可實(shí)現(xiàn)高效分離；對(duì)于弱磁性、無(wú)磁性介質(zhì)，則需要通過(guò)提高磁場(chǎng)強(qiáng)度或梯度、投加磁種等方式獲取足夠的磁場(chǎng)力從而實(shí)現(xiàn)混合相的分離。 近年來(lái)，隨著磁場(chǎng)分離技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)處理設(shè)備的不斷研發(fā)，磁場(chǎng)分離技術(shù)逐漸在礦物精選［3～6］、污水處理［7～10］、氣體除雜［11～13］等多相混合分離領(lǐng)域內(nèi)成功應(yīng)用。在此，筆者論述磁場(chǎng)分離單獨(dú)工藝及其組合工藝在分離混合相介質(zhì)中的應(yīng)用進(jìn)展，并總結(jié)磁種在輔助磁場(chǎng)分離工藝中的研究，以期為提高磁場(chǎng)分離工藝的應(yīng)用深度與廣度提供參考。

1 磁場(chǎng)分離單獨(dú)工藝

磁場(chǎng)分離技術(shù)因具有環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在分離混合相技術(shù)中脫穎而出，并成為緩解能源緊缺、推動(dòng)工業(yè)發(fā)展、解決三廢排放的重要技術(shù)［14～16］。隨著對(duì)磁場(chǎng)分離技術(shù)的深入探究，其應(yīng)用范圍也在逐漸拓寬，已滲透至許多工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用效果也在持續(xù)改善，可滿足多種工業(yè)的生產(chǎn)需求，尤其在固、液、氣等混合介質(zhì)分離中極具應(yīng)用前景。

1.1 磁場(chǎng)分離技術(shù)應(yīng)用于礦物精選

20 世紀(jì)初， 隨著第一批工業(yè)磁選機(jī)的產(chǎn)生，磁場(chǎng)分離技術(shù)便開(kāi)始應(yīng)用于選礦領(lǐng)域內(nèi)［17～19］。 作為分離磁性介質(zhì)的典型設(shè)備，磁選機(jī)按其選別礦物的方式可分為濕選和干選兩類。 濕選工藝雖然可以減緩不同磁性固體介質(zhì)間的碰撞干擾，但其對(duì)水資源的依存度高［20～22］；干選工藝可應(yīng)用于富集礦物的干旱礦區(qū)，無(wú)需濕選工藝中由附加水力增添引發(fā)的脫水與烘干過(guò)程，因而整體流程簡(jiǎn)易高效，應(yīng)用較廣［23～25］。干式磁選機(jī)結(jié)構(gòu)及其磁選過(guò)程如圖1、2 所示［26］。 礦物在經(jīng)過(guò)強(qiáng)弱交替的磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，會(huì)隨著筒體的轉(zhuǎn)動(dòng)而快速翻轉(zhuǎn)，將已聚結(jié)的磁團(tuán)塊或磁鏈打散，使其中夾帶的非磁性介質(zhì)在離心力與重力的作用下高效移動(dòng)至磁選機(jī)外層，磁性介質(zhì)則受磁場(chǎng)力的作用移動(dòng)至磁選機(jī)內(nèi)層，從而完成對(duì)礦物的精選。

圖1 干式磁選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 磁選機(jī)磁選過(guò)程

隨著對(duì)礦區(qū)的持續(xù)開(kāi)采，礦區(qū)內(nèi)的粗粒礦產(chǎn)日漸減少，提取細(xì)粒礦產(chǎn)已是必然趨勢(shì)，因此研發(fā)更先進(jìn)的微細(xì)礦物精選設(shè)備是開(kāi)采礦產(chǎn)的關(guān)鍵所在。 高梯度磁選機(jī)是在傳統(tǒng)磁選機(jī)的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)分選區(qū)內(nèi)增設(shè)較高的磁場(chǎng)梯度而研發(fā)的一種新型強(qiáng)磁選設(shè)備，具有可高效強(qiáng)化礦物間分離、可分選礦物粒徑下限更小等優(yōu)勢(shì)，目前已成為微細(xì)礦物深度分選的首選設(shè)備［27～29］。 曹南杰等利用高梯度磁選機(jī)進(jìn)行了鈦礦分選處理，不僅成功將尾礦內(nèi)鈦品位由6.41%提升至47.02%，而且還 極 大 地 節(jié) 省 了 選 鈦 成 本， 效 益 顯 著［30］。REHMAN W U 等利用高梯度磁選機(jī)開(kāi)展了錳礦提純?cè)囼?yàn)，經(jīng)高梯度磁場(chǎng)選別后，最高錳品位可達(dá)45%，且對(duì)于選別粒度為75 μm 的礦石提純率可達(dá)40%以上［31］。 磁系作為高梯度磁選機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的生成元件， 其與設(shè)備的分選能力緊密相關(guān)，是影響分選區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)特性的關(guān)鍵因素。 合理的磁極數(shù)量、結(jié)構(gòu)與排布方式，不僅可以降低磁系的安裝難度，還可以保證設(shè)備的磁選性能，因此對(duì)最佳磁系進(jìn)行設(shè)計(jì)研究至關(guān)重要。 SONG S 等通過(guò)鐵粉分選實(shí)驗(yàn)得出，磁極數(shù)量的增加會(huì)加快介質(zhì)在磁選區(qū)內(nèi)的翻轉(zhuǎn)頻率，使得鐵粉回收率明顯上升［32］。 GERLICI J 等依次對(duì)圓形、梯形、矩形3 種不同橫截面的磁極結(jié)構(gòu)展開(kāi)了磁選模擬，發(fā)現(xiàn)使用矩形磁極可在磁選區(qū)內(nèi)形成較強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與梯度，且磁損耗最低［33］。 ZENG S L 等將磁極呈內(nèi)傾式交替安裝于磁選機(jī)內(nèi)筒處，與平面排布的磁極相比，該方式可在避免介質(zhì)堵塞保證介質(zhì)高速流動(dòng)的同時(shí)，形成更強(qiáng)的磁場(chǎng)，使得外壁面處磁場(chǎng)達(dá)0.9 T［34］。

1.2 磁場(chǎng)分離技術(shù)應(yīng)用于污水處理

近年來(lái)， 傳統(tǒng)污水凈化方法逐漸受到能耗、設(shè)備占地、被分離物粒徑及濃度的限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，為此研究學(xué)者們將磁場(chǎng)分離技術(shù)引入污水處理領(lǐng)域，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市或工業(yè)污水內(nèi) 微 細(xì) 懸 浮 物［35］、重 金 屬 離 子［36，37］、油 類［38，39］、富營(yíng)養(yǎng)鹽類［40］的有效去除，且不受水溫限制，分離進(jìn)程快，空間需求小。 早期利用該技術(shù)促進(jìn)污水凈化的應(yīng)用，主要集中于去除采礦和鋼鐵行業(yè)污水內(nèi)所富集的磁性污染物。 MUKUTA C 和AKIYAMA Y 采用礦井水可持續(xù)磁分離處理系統(tǒng)，在旋轉(zhuǎn)磁盤的強(qiáng)磁力下，污水內(nèi)的磁性污染物被吸附在磁盤外表面， 實(shí)現(xiàn)與水體的分離，再隨磁盤的轉(zhuǎn)動(dòng)被帶至排泥槽，最后經(jīng)刮泥板作用與磁盤完全分離；該系統(tǒng)可有效解決混有磁性廢料的污水無(wú)法直排的難題，提高了直排污水的出流水質(zhì)［41］。KWON H 等采用與文獻(xiàn)［41］相似的強(qiáng)磁分離系統(tǒng)，成功去除了污水內(nèi)的鐵氧化物和重金屬離子，使得水體濁度得到明顯改善［42］。

含油污水是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一大類廢液，為實(shí)現(xiàn)其深度處理，研究學(xué)者們開(kāi)展了關(guān)于應(yīng)用磁場(chǎng)分離技術(shù)進(jìn)行污水除油的研究。NISHIGAKI K 等首次提出， 基于海水與油滴導(dǎo)電率的不同，同時(shí)施加磁場(chǎng)從而誘導(dǎo)油水分離，以解決海洋表面薄油層污染問(wèn)題［43］。 含油海水分離過(guò)程如圖3所示。 含油海水在流經(jīng)磁場(chǎng)分離通道時(shí)，導(dǎo)電的水微團(tuán)受電磁力作用向下運(yùn)移， 并集中在下層，而不導(dǎo)電的油微團(tuán)則受浮力作用運(yùn)移至上部的集油層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)分散油滴的分離回收、海水外排。 油水混合相分離率越高，對(duì)保證環(huán)境質(zhì)量和后續(xù)工藝穩(wěn)定運(yùn)行以及獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)越強(qiáng)［44］。 因此，關(guān)于如何利用磁場(chǎng)分離技術(shù)高效增強(qiáng)油水分離深度的研究愈發(fā)深入，學(xué)者們做了大量的模擬與實(shí)驗(yàn)。 ZHANG G Y 等通過(guò)理及數(shù)學(xué)模型，對(duì)磁場(chǎng)通道內(nèi)含油海水的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬， 并結(jié)合水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展性能分析， 從而為海上分離樣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)［45］。TAKEDA M 等使用聚合物顆粒代替海水內(nèi)分散的油滴，開(kāi)展混合液在流經(jīng)磁場(chǎng)通道時(shí)的分離特性研究， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明分離效率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、顆粒粒徑呈正相關(guān)，與海水流速呈負(fù)相關(guān)［46］。 PENG A 等在文獻(xiàn)［46］的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，使用歐拉模型模擬求解了混合液在不同操作參數(shù)下的分離特性，并將模擬值與文獻(xiàn)［46］的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，兩者分布趨勢(shì)相同，驗(yàn)證了模擬的可靠性［47］。 LIU J 等提出將磁場(chǎng)分離通道傾斜安置，通過(guò)改變通道內(nèi)的壓力分布，以改善實(shí)際運(yùn)行中海水波動(dòng)對(duì)油滴回收的干擾， 模擬結(jié)果表明， 當(dāng)通道傾角為15°時(shí)，分離段內(nèi)的壓力最低，最利于油滴上浮［48］。

圖3 含油海水分離過(guò)程

1.3 磁場(chǎng)分離技術(shù)應(yīng)用于氣體除雜

隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)氣體的應(yīng)用遍及諸多領(lǐng)域，使用量持續(xù)遞增，已成為保障現(xiàn)代工業(yè)高速、高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵［49］。FARADAY M 首次發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)氣體的流動(dòng)產(chǎn)生影響，之后便有學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于利用磁場(chǎng)分離技術(shù)將空氣內(nèi)氧氣、氮?dú)夥蛛x的探索［50］。 由于氧氣磁化系數(shù)的絕對(duì)值約為氮?dú)獾?00 倍［51］，因此在磁場(chǎng)環(huán)境中兩者會(huì)產(chǎn)生相反的流動(dòng)趨勢(shì)， 即氧氣會(huì)向著強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)擴(kuò)散，氮?dú)鈩t聚集在弱磁場(chǎng)區(qū)，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣內(nèi)氧氣、氮?dú)獾闹苯臃蛛x或高效富集。 為在保證氣體分離純度的基礎(chǔ)上，研發(fā)出更簡(jiǎn)易、可靠的磁場(chǎng)分離設(shè)備，學(xué)者們對(duì)磁場(chǎng)作用下的氣體運(yùn)移行為開(kāi)展了模擬及實(shí)驗(yàn)探索。 栗鳳超等設(shè)計(jì)了一種“磁篩”式氧氣富集結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加磁體厚度與長(zhǎng)度，可增強(qiáng)磁場(chǎng)均勻度、延長(zhǎng)磁力作用時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)氧氣的高效富集［52］。 BAO S R 等對(duì)磁場(chǎng)作用時(shí)的氧氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了可視化研究，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的施加可有效減小流動(dòng)過(guò)程中的對(duì)流影響，保證分離段內(nèi)氧氣擴(kuò)散的穩(wěn)定性，從而更有利于氧氣的高效富集與連續(xù)產(chǎn)出［53］。MAN Z H 等分析了梯度磁場(chǎng)下氧氣與氮?dú)獾姆蛛x過(guò)程，得出降低進(jìn)氣速度或增大磁場(chǎng)梯度，可有效提升輸出氣體內(nèi)的氧濃度［54］。

工業(yè)生產(chǎn)的眾多單元中也常伴有氣固混合相的生成，其中混雜的固相顆粒不僅容易對(duì)后續(xù)工藝的安全運(yùn)行造成干擾，導(dǎo)致工藝不穩(wěn)定性升高，而且也會(huì)加速對(duì)裝置的磨損，因此探究深度的氣固分離方法已備受關(guān)注［55，56］。 磁場(chǎng)分離技術(shù)的興起也為新型氣固凈化設(shè)備的研發(fā)開(kāi)拓了新方向，其中磁流化床因具有穩(wěn)定性強(qiáng)、分離速度快、可連續(xù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)［57，58］，已成為處理氣固混合工況的主流設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖4 所示［59］。 其原理為通過(guò)施加磁場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)固相顆粒的排布方式，從而促進(jìn)床體內(nèi)部的混合介質(zhì)向著更易于分離的流態(tài)轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)氣固混合相的快速分離，因此探究不同調(diào)節(jié)參數(shù)下磁流化床內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)規(guī)律是保證高效流化分離的關(guān)鍵。 ESPIN M J 等分析了磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)顆粒分布的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒在受到磁場(chǎng)作用時(shí)會(huì)聚結(jié)成鏈，從而有效減緩了床層間氣泡的形成，避免了顆粒的反混流動(dòng)，但當(dāng)繼續(xù)施加高強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，顆粒的大量團(tuán)聚反而會(huì)阻礙氣相的流動(dòng)，破壞床體的穩(wěn)定性［60］。 TIAN Y K 等研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度及其施加順序?qū)︻w粒流化過(guò)程的影響， 結(jié)果表明， 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度小于3 400 A/m時(shí)，顆粒的流化主要受氣體流速的影響，但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于該值時(shí)，顆粒的流化便主要受磁場(chǎng)的影響，且與先加磁場(chǎng)相比，后加磁場(chǎng)會(huì)引發(fā)床層間的壓力波動(dòng)，不利于顆粒的穩(wěn)定流化［61］。

圖4 磁流化床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 磁場(chǎng)分離組合工藝

工業(yè)的高速發(fā)展，也使得分離環(huán)境變得逐漸復(fù)雜，待分離的混合相內(nèi)介質(zhì)組分增多，且組分間物化性質(zhì)差異大， 為滿足更高的分離需求，僅采用單一的處理技術(shù)，已較難達(dá)到既定的使用或排放標(biāo)準(zhǔn)［62，63］。 探究磁場(chǎng)分離技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)而形成高效的深度處理工藝。

2.1 氣浮-磁場(chǎng)分離技術(shù)

氣浮技術(shù)是通過(guò)引入微氣泡，使之在氣浮室內(nèi)與污染物相互粘附，形成密度低于水相的浮體繼而上浮至液面，從而使污染物與水相分離的凈水技術(shù)［64］。 在氣浮技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)微細(xì)污染物的去除難度較大，很多因素均會(huì)使其凈水效果受限［65］，如氣泡分散不均勻、溫度升高導(dǎo)致氣泡穩(wěn)定性變差、 浮體處于上下運(yùn)動(dòng)的翻滾狀態(tài)等。 因此，研究者們提出了將氣浮技術(shù)與磁場(chǎng)分離技術(shù)耦合應(yīng)用， 先采用氣浮技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，然后在減輕處理負(fù)荷的基礎(chǔ)上采用磁場(chǎng)分離技術(shù)， 以進(jìn)一步降低對(duì)污染物粒徑的去除下限，提高混合相間的分離精度，保證良性水力循環(huán)。

為探究該組合工藝的可行性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究。 楊瑞洪等在分別優(yōu)選確定氣浮、磁場(chǎng)分離單元的最佳操作條件后，以氣浮單元為一級(jí)分離工序，磁場(chǎng)分離單元為下一級(jí)分離工序，進(jìn)行了氣浮-磁場(chǎng)分離組合工藝除油試驗(yàn)，驗(yàn)證了該組合工藝除油的高效性［66］。 許浩偉等針對(duì)孤島油田污水高含聚的現(xiàn)狀， 采用了氣浮-磁場(chǎng)分離組合工藝方案，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)處理后水體內(nèi)懸浮物濃度可降至5 mg/L 以下，且處理速度較快，總處理時(shí)長(zhǎng)不足8 min［67］。 LEE J 等應(yīng)用氣浮-磁場(chǎng)分離組合工藝進(jìn)行了對(duì)工業(yè)廢水的復(fù)合處理研究，該組合工藝不僅高效改善了水體質(zhì)量，還消除了單一應(yīng)用氣浮工藝時(shí)對(duì)藥劑的依賴性，經(jīng)測(cè)定，該組合工藝可去除95%以上的固體浮渣及90%以上的重金屬［68］。 同時(shí)，為保證組合工藝凈水效果的穩(wěn)定性，學(xué)者們也進(jìn)行了其在多工況下的適應(yīng)性研究。 付法棟等分別在低含油與高含油兩種進(jìn)液條件下，對(duì)勝利油田進(jìn)行了氣浮-磁場(chǎng)分離凈水工藝改造， 現(xiàn)場(chǎng)工藝流程如圖5 所示，處理后經(jīng)水質(zhì)檢測(cè)得出，出水水質(zhì)均優(yōu)于預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)， 除油率均高達(dá)98%以上［69］。崔謙通過(guò)將氣浮、磁場(chǎng)分離技術(shù)聯(lián)用，研發(fā)了一種移動(dòng)式撬裝處理設(shè)備，對(duì)水質(zhì)波動(dòng)較大的油井壓裂返排液開(kāi)展了處理試驗(yàn)， 并綜合運(yùn)行效果、處理成本、技術(shù)效益各方面，優(yōu)化確定了其在處理不同作業(yè)區(qū)時(shí)的最佳工藝路線［70］。

圖5 改造后的氣浮-磁場(chǎng)分離技術(shù)工藝流程

2.2 膜-磁場(chǎng)分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是一種基于膜兩側(cè)作用力的差異，進(jìn)而對(duì)待處理液內(nèi)組分進(jìn)行選擇性透過(guò)的分離技術(shù)［71］。 濾膜作為膜技術(shù)的關(guān)鍵部分，在應(yīng)用過(guò)程中，易因其表面和內(nèi)部的垢質(zhì)堆積而引發(fā)膜通量大幅降低，且垢質(zhì)清洗難度大，這些均限制了膜技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。 研究發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)能有效預(yù)防垢質(zhì)生成，并對(duì)已堆積的垢質(zhì)有較好的去除效果，進(jìn)而可有效減輕膜污染。 因此可將磁場(chǎng)引入膜分離過(guò)程中，依靠磁場(chǎng)來(lái)改進(jìn)濾膜的分離特性。

在磁場(chǎng)的磁化影響下，會(huì)使得水體的部分理化性質(zhì)發(fā)生變化，因而可在不改變水體組分的前提下，利用磁場(chǎng)引起的這些變化阻礙水體內(nèi)垢質(zhì)的生成或堆積。 RONALD G 等將CaSO4·2H2O 過(guò)飽和溶液置于磁場(chǎng)環(huán)境后發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)的施加使得鈣鹽的可溶性變差， 因此導(dǎo)致總懸浮固體量上升，抑制了晶體的形成，從而大幅減緩了垢質(zhì)的生成［72］。 馬麗霞等經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磁化后的水分子活性會(huì)顯著提高，高滲透性的水分子可滲入至晶體內(nèi)部，打破垢質(zhì)原本的晶體受力狀態(tài)，從而使其逐漸脫落［73］。

磁場(chǎng)的引入也會(huì)使得濾膜本身的性能發(fā)生變化，從而改善膜分離過(guò)程，促進(jìn)膜通量提高，并降低濾膜清洗難度，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾膜抗污染性的有效調(diào)控。 MOHAMMAD R 等分別在不施加磁場(chǎng)與施加磁場(chǎng)的條件下，對(duì)濾膜脫鹽過(guò)程中的濾膜性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)照結(jié)果表明，磁場(chǎng)的存在提高了濾膜的滲透量，使得脫鹽率上升，并減緩了濾膜表面的結(jié)垢速率［74］。 SUN T 等同樣應(yīng)用磁性濾膜進(jìn)行了有無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)的分離實(shí)驗(yàn)，也證明了磁場(chǎng)的作用會(huì)使得濾膜的防垢能力及膜通量提高，且最佳膜通量約為無(wú)磁場(chǎng)輔助時(shí)的5 倍［75］。 上述實(shí)驗(yàn)研究均是從宏觀上觀測(cè)到磁場(chǎng)引起的膜通量變化現(xiàn)象，為了更深入地研究磁場(chǎng)對(duì)膜性能的作用機(jī)理，有學(xué)者應(yīng)用掃描電鏡等方法，開(kāi)展了在微觀下觀測(cè)磁場(chǎng)的引入對(duì)膜面結(jié)垢的影響過(guò)程。 在分離過(guò)程結(jié)束后，蘇濤應(yīng)用掃描電鏡觀察了膜表層的垢質(zhì)形態(tài)，具體如圖6 所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，未施加磁場(chǎng)時(shí)，膜表層的垢質(zhì)主要為致密且質(zhì)地較硬的方解石（圖6a）；而有磁場(chǎng)作用時(shí)，膜面上的晶體則是以質(zhì)地疏松易沖洗的文石為主（圖6b），因此膜通量較高［76］。 王雅潔也驗(yàn)證了磁場(chǎng)會(huì)抑制方解石晶體的成核及生長(zhǎng)過(guò)程，但卻可以促進(jìn)文石的形成，從而增加垢質(zhì)中文石所占的比率， 使其在水力沖洗下更易從膜面上脫落，進(jìn)而緩解膜污染，保證膜通量［77］。

圖6 膜表層垢質(zhì)形態(tài)

2.3 旋流-磁場(chǎng)分離技術(shù)

旋流分離技術(shù)已廣泛運(yùn)用于各種多相分離領(lǐng)域，其中典型設(shè)備為旋流器［78］，它是利用介質(zhì)在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的離心力來(lái)實(shí)現(xiàn)不同密度混合相間的分離。 以往通常采用優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)或工藝參數(shù)的方式對(duì)旋流器的運(yùn)行能力進(jìn)行調(diào)節(jié)，但存在旋流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝難度大、處理效果提升有限等不足。 隨著磁場(chǎng)分離技術(shù)的進(jìn)步，將磁場(chǎng)分離技術(shù)與旋流分離技術(shù)耦合應(yīng)用，基于力的疊加原理并引入磁場(chǎng)將磁力與離心力相配合，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合力場(chǎng)下旋流器性能的調(diào)節(jié)。 目前該方法已逐漸成為研究熱點(diǎn)，同時(shí)磁力旋流器應(yīng)運(yùn)而生［79］。

磁力旋流器中增設(shè)的磁場(chǎng)是為旋流器內(nèi)介質(zhì)提供附加的磁力，通過(guò)改變其所受力場(chǎng)，從而輔助旋流器的工作過(guò)程。 根據(jù)增設(shè)磁場(chǎng)位置的不同， 產(chǎn)生的磁力方向可指向旋流器軸心或壁面。為了研究在旋流器不同位置增設(shè)磁場(chǎng)后設(shè)備的處理效果， 王拴連分別探究了在旋流器溢流管、底流口及錐段位置增設(shè)永磁場(chǎng)后對(duì)設(shè)備性能的影響， 并基于ANSYS 軟件分析了當(dāng)增設(shè)不同數(shù)量的磁極時(shí)旋流器內(nèi)介質(zhì)的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)六磁極的磁場(chǎng)排布時(shí)磁場(chǎng)特性最強(qiáng)，設(shè)備分選效果最佳［80］。FRICKER A G 將旋流器置于同一軸心的環(huán)狀磁鐵內(nèi)，由于外磁極的面積大于內(nèi)磁極，故形成了指向軸心的磁場(chǎng)力，因此在應(yīng)用該設(shè)備分選礦砂中的鐵磁礦時(shí)分選率可達(dá)95%［81］。 胡琳等將電磁套安裝于旋流器錐體外壁，并將鐵氧體置于對(duì)應(yīng)位置的錐體內(nèi)壁，設(shè)計(jì)了一種可間歇運(yùn)行的磁力旋流器， 用以處理工作液內(nèi)殘留的加工渣；當(dāng)電磁套接通電源后， 磁通在線圈中形成閉環(huán)，受磁場(chǎng)作用，鐵氧體會(huì)將隨底流流動(dòng)的鐵磁顆粒吸引至內(nèi)壁面處，而當(dāng)電磁套斷開(kāi)電源后，鐵磁顆粒便可從沉渣口排出［82］。 為促進(jìn)機(jī)械化作業(yè)，付雙成等設(shè)計(jì)了一種軸心式吸引鐵磁顆粒并可連續(xù)脫鐵排料的磁力旋流器， 結(jié)構(gòu)如圖7 所示，通過(guò)對(duì)比安裝纏繞線圈的鐵棒、纏繞線圈的鐵管、一定厚度的導(dǎo)磁片3 種不同磁系結(jié)構(gòu)時(shí)顆粒的受力變化，得出當(dāng)安裝的磁系為纏繞線圈的鐵棒時(shí)設(shè)備的脫鐵效率最佳［83］。

圖7 磁力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

雖然磁性介質(zhì)在磁場(chǎng)的磁化下易彼此吸引團(tuán)聚擾亂介質(zhì)分布，但旋流場(chǎng)產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力會(huì)破壞已形成的絮團(tuán)， 從而有效避免磁團(tuán)聚現(xiàn)象，保證處理效率。 戚威盛等通過(guò)對(duì)比磁性顆粒在分別經(jīng)過(guò)普通旋流器與磁力旋流器后的沉降末速，得出磁場(chǎng)的施加可增大磁性顆粒的運(yùn)移速度，更利于其進(jìn)入外旋流而排出，因此磁場(chǎng)的施加不僅提高了旋流器對(duì)顆粒的分離效率，還增強(qiáng)了旋流器對(duì)微粒徑顆粒的分離效果［84］。 FREEMAN R J和ROWSON N A 設(shè)計(jì)了一種安裝永磁鐵的磁力旋流器，相比于普通旋流器其對(duì)鐵磁礦的回收速度更快，且回收率提升了13%［85］。 馮圣生對(duì)比了有無(wú)旋流場(chǎng)耦合時(shí)兩種工藝的赤泥選鐵率，得出經(jīng)旋流器脫泥后再磁選相較于單一的磁選處理方式，可使總鐵回收率提升6%左右［86］。

3 磁種輔助式磁場(chǎng)分離工藝

磁種是使得無(wú)磁性介質(zhì)得以應(yīng)用磁場(chǎng)分離技術(shù)進(jìn)行處理的關(guān)鍵材料。 通過(guò)先向待處理液內(nèi)投加磁種，再經(jīng)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合時(shí)間后，使無(wú)磁性介質(zhì)有效地與磁種結(jié)合，可改變待處理液內(nèi)介質(zhì)的性態(tài)，此時(shí)可以應(yīng)用磁場(chǎng)分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的分離［87，88］。 區(qū)自清和吳維中提出將磁種投加至磁場(chǎng)分離工藝中來(lái)輔助油水分離，處理流程如圖8 所示，向吸附處理后的含油污水內(nèi)投加磁種，使污水內(nèi)的油滴與磁種結(jié)合， 再經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)分離設(shè)備，利用強(qiáng)磁場(chǎng)的吸附力實(shí)現(xiàn)附著油滴的磁絮體與水相分離的目的，經(jīng)過(guò)再生處理后的吸附劑與磁種均可多次重復(fù)利用［89］。 LIU L 等在利用磁芯式磁力旋流器分離油水混合液時(shí)，通過(guò)向混合液內(nèi)投加磁種，以借助磁力作用使磁化后的油相向磁芯運(yùn)移，從而促進(jìn)油滴聚結(jié)，可將除油率由74.9%提升至98.1%［90］。 為探究上述處理過(guò)程中磁種與油滴間的結(jié)合機(jī)理， 袁維富等經(jīng)電泳實(shí)驗(yàn)測(cè)定，油滴和磁種分別為帶負(fù)電荷與正電荷的互異質(zhì)點(diǎn)， 在對(duì)磁種與待處理液的攪拌混合過(guò)程中，油滴與磁種會(huì)不斷吸引靠近，最終實(shí)現(xiàn)兩者間的吸附［91］。

圖8 磁種輔助磁場(chǎng)分離工藝流程

投加磁種后，可通過(guò)攪拌促進(jìn)磁種與污染物間的結(jié)合，但也存在因磁種利用率低，導(dǎo)致污染物無(wú)法被充分吸附，結(jié)合效果、經(jīng)濟(jì)性較差等問(wèn)題。 增強(qiáng)磁種的吸附能力，提升磁種吸附的選擇性， 增大磁種與污染物間可接觸的比表面積，既可節(jié)約磁種的制備和投加成本，又能拓廣磁場(chǎng)分離技術(shù)的適用范圍，因此應(yīng)用易吸附、高選擇性、易再生的高效改性磁種已成為深化污染物處理的重要方向之一（表1）。

表1 磁種的制備方法及其處理效果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，有關(guān)磁場(chǎng)分離技術(shù)的研究正處于快速發(fā)展階段，在針對(duì)混合介質(zhì)的深度分離中，磁場(chǎng)分離技術(shù)的單獨(dú)應(yīng)用和組合應(yīng)用均展現(xiàn)出極強(qiáng)的可行性，強(qiáng)磁分離設(shè)備的研發(fā)及磁種的輔助應(yīng)用也使其適用范圍逐漸拓寬， 可用于對(duì)強(qiáng)磁性、弱磁性、 無(wú)磁性不同導(dǎo)磁性介質(zhì)間的分離以及固、液、氣不同相態(tài)介質(zhì)間的分離。

基于目前已有研究和應(yīng)用成果，為進(jìn)一步提升磁場(chǎng)分離技術(shù)的應(yīng)用成效，今后仍需對(duì)如下幾方面展開(kāi)更具體的探究：

a.研發(fā)高效、低能耗、穩(wěn)定性強(qiáng)的磁場(chǎng)分離設(shè)備。 為推廣磁場(chǎng)分離技術(shù)在多相混合分離領(lǐng)域內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用，需加強(qiáng)對(duì)新型磁場(chǎng)分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以及高性能強(qiáng)磁系的制備。

b.深化磁場(chǎng)分離技術(shù)與多種分離技術(shù)間的組合應(yīng)用。 當(dāng)采用多種分離技術(shù)進(jìn)行耦合處理時(shí)，要發(fā)揮每種技術(shù)間的協(xié)同效應(yīng)，秉承簡(jiǎn)易化、環(huán)保化、自動(dòng)化的發(fā)展理念，在滿足復(fù)雜工況處理需求的同時(shí)，設(shè)計(jì)出更簡(jiǎn)易高效的組合工藝。

c.探究磁場(chǎng)分離機(jī)理。 在應(yīng)用不同結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)分離設(shè)備時(shí)，介質(zhì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程使其分離性能難以預(yù)測(cè)，因此需結(jié)合微觀和宏觀角度，對(duì)磁場(chǎng)作用時(shí)的介質(zhì)分離原理展開(kāi)分析，從而為模擬和試驗(yàn)的開(kāi)展提供依據(jù)。

d.高性能復(fù)合磁種的制備、分離與回收。 基于磁種的磁場(chǎng)分離技術(shù)是分離混合相內(nèi)無(wú)磁性介質(zhì)的一種有效方法，因此對(duì)于易吸附、易再生磁種的深入研發(fā)，有利于在實(shí)際應(yīng)用中最大化的發(fā)揮磁場(chǎng)分離性能。