工业废水中磁性颗粒的富集装置设计研究

王柏玮 任 菡 刘 珂 牛锐锐 李泽正 高丽娜 张师平 吴 平

(北京科技大学数理学院磁光电复合材料与界面科学北京市重点实验室，北京 100083)

在节能减排背景下，钢铁行业的高能耗、高排放使其承受了巨大的社会压力。据统计, 生产每吨钢材时废水的排放量为2.5～15m3，其中氧化铁皮、氧化铁细粒悬浮物的含量一般为几百到数千mg/L[1]，其数量和经济价值十分可观。处理这种废水的传统工艺，是加絮凝剂、助凝剂在浓缩池内进行混凝沉淀，用机械法脱水，分离出其中的铁磁颗粒。传统工艺的处理系统复杂，工艺流程长，很难满足循环使用的要求。

磁分离方法目前在工农业、医疗领域有着越来越多的应用[2]，近年来国内外将该技术广泛应用于环保领域，来处理钢铁厂、造纸厂、电镀厂、纺织印染厂等工业废水[3]以及城市生活污水，取得了较好的效果。鉴于钢铁冶炼过程的工业废水中氧化铁含量较高，磁分离方法对这种工业废水会有良好的处理效果。本文提出了一种使用环形螺绕环内部形成的梯度磁场对富含氧化铁颗粒的液体进行磁性颗粒富集回收的原理性方法。

1 理论基础

顺磁性颗粒处于梯度磁场中时会受到磁场施加的磁化力的作用，并在此作用下趋向于向磁场增大的方向运动。这种情况不仅存在于纵向非均匀(梯度)磁场中，也同时存在于横向非均匀(梯度)磁场中。纵向梯度磁场是指磁场的梯度方向与磁场方向相同，横向梯度磁场是指,磁场的梯度方向与磁场方向垂直。朱重光[4，5]、蔡军[6，7]、栗凤超[8]、冀冰[9]、高丽娜[10]等研究了氧氮混合气体、顺磁性离子溶液及纳米颗粒溶液等在横向梯度磁场中的磁致流动行为，为顺磁性颗粒在横向梯度磁场中的流动行为研究打下了良好的基础。

假设一个顺磁性颗粒放置在横向梯度磁场中，如图1所示，可以将该颗粒等价为许多微小的电流环，其磁矩为：mi=ISen=I∬sdS，其中，I为环中电流；S为电流环所围面积；en为右旋单位法线矢量。由安培定律，电流环在梯度磁场中的受力为[11]

Fi=∮ldF=∮l(Idl×B)

(1)

其中，磁场B=Bxi+Byj+Bzk。

图1 等价为电流环的顺磁性颗粒在横向梯度磁场中的示意图

(2)

对于磁性颗粒而言，其y方向所受合力为

(3)

(4)

其中，μ0为真空磁导率；χp为颗粒的磁化率；V为颗粒的体积。可以从式(4)看出，在匀强磁场中磁性微粒所受合力为零，不会产生定向运动，而在一定的磁场梯度下，粒子所受磁场力与其体积和磁化率均成正比。

当球形固体颗粒与所处流体产生相对运动时，粒子受到的粘滞阻力

Fd=6πηrU

(5)

其中，η是流体的粘度(Pa·s)；r为粒子半径；U是粒子相对于流体的运动速度。对于液体中微小的球形颗粒来说，由于粘滞阻力和磁化力的作用，颗粒很快就会进入匀速运动状态，此时U可视为定值，颗粒所受粘滞阻力与磁化力相互平衡。根据(4)、(5)两式，可得

(6)

式(6)表明，磁性颗粒在横向梯度磁场内所受到的磁场力与颗粒粒径的尺寸及其磁化率有关，不同性质的磁性颗粒在磁化力作用下的运动状态也不尽相同，因此它们会处于分离通道中的不同位置，而在磁场的梯度方向上形成浓度差，这也就是基于磁泳的磁性分离方法的基本原理。

对于图2所示的环形螺绕环来说，由安培环路定理可知

∮B·dr=μ0NI

(7)

其中，N为单圈螺绕环上的导线总匝数；I为通过导线的电流。进一步解得

图2 圆形螺绕环内部梯度磁场示意图

图3 磁性颗粒在磁场下受力示意图

式(8)、(9)说明螺绕环的设计能很好地满足磁泳分离对磁场和磁场梯度的要求，通过控制圆环半径、线圈匝数和励磁电流等参数，很容易实现对磁场的调控。此外，式(9)表明磁场的梯度是沿着径向方向(指向中心)，所以颗粒应沿着径向方向向管内壁运动，从而实现磁性颗粒的富集。

采用Ansoft Maxwell 14.0电磁仿真软件对圆形螺绕环内磁场分布情况进行了原理性仿真，输入参数如下：内径150mm，外径220mm，安匝数(匝数N与电流I的乘积)为1×104，结果如图4所示。

图4 圆形螺绕环沿x轴方向磁场分布

圆形螺绕环的磁场主要集中在环形空腔内，在空腔内部存在一段急剧下降的磁场，即图4中横坐标为(150mm，220mm)的这一区间，这正是产生梯度磁场、使磁性颗粒受到磁化力作用的圆形空腔区域。

实验中，磁性粒子进入磁场时会被磁化而发生团聚，该机制也有助于磁性颗粒向管内壁方向的聚集。

2 装置搭建

图5 实验用流道及圆形螺绕环实物图

理论推导式(7)和(8)表明，螺绕环中产生的磁场与励磁电流和单位长度导线匝数成正比，磁场梯度与螺绕环半径成反比，在保持线圈为圆形、能够产生梯度磁场的前提下，可将骨架构造成盘旋形、类弹簧的结构，逐圈向上堆积，如图5所示。这样做，粒子同样可以受到总匝数为N的励磁线圈施加的力，但另一方面，由上两式可知，不仅减小了螺绕环的半径、增大了磁场梯度，也有效地缩小了分离装置的占地面积。

流道和出口设计如图6所示。

出口的分流部件，既要避免传统三通器件内壁粗糙、容易引发湍流的不足，又要达到有效阻隔流道中浓缩液和稀释液二次混合的要求。其具体设计如图6(b)所示，薄壁隔板伸入流道一定深度，使流道中两种不同浓度的溶液在出磁场前就被分开，能有效避免二次混合的发生。

图6 流道截面和出口分流设计(a) 流道形状及截面; (b) 三叉口式出口分流设计

基于上述分离核心部件的设计，在圆形螺绕环线圈内部空腔中，构建了沿径向反比减小的梯度磁场，使磁性颗粒受到磁化力的作用；通过将导管构造成螺旋形、类弹簧的结构，极大地延长了磁场的作用范围；在磁场的有效作用范围内，随着溶液流动磁性颗粒向导管内壁径方向富集，当磁性颗粒流动到出口处时，将聚集到内壁附近；在出口附近但仍在磁场作用范围的区域内，通过隔板将浓度不同的流层引流至不同的承接装置，实现磁性颗粒的富集回收。

具体实现过程如下：在螺旋形类弹簧结构的流道外部包裹漆包线并在流道出口处拼接三叉口分流部件；通过直流电压/电流源提供励磁电流，蠕动泵提供流体动力，待富集的目标分离物——悬浮于溶液中的磁性颗粒——流经梯度磁场并在出口处实现分流，不同浓度的溶液承接于不同的容器中，整个富集流程示意图如图7所示。实际搭建装置结构示意图和实物模型如图8所示。

图7 基于圆形螺绕环的磁性颗粒浓缩富集减排装置结构示意图

图8 整体实验装置(a) 实际装置; (b) 装置结构示意

3 实验结果与讨论

为模拟工业轧钢废水分离情况，实验制备了均匀分散的磁性颗粒溶液作为目标分离物，其中平均颗粒粒径约为9nm。需要指出的是，该尺寸小于悬浮轧钢废液中铁屑和磁性颗粒的平均粒径，若能实现成功富集，便证实了实际应用的可行性。实验中，螺绕环横向直径为14cm，盘旋上升7圈，内部空腔中的磁场指向螺绕环中心，最大磁场强度和梯度分别是98mT、20mT/cm，蠕动泵流速为25mL/min左右。

实验过程中，磁性颗粒进入磁场时被磁化，发生了磁团聚，颗粒尺寸从初始的数纳米团聚至数毫米肉眼可见的尺寸，加大了粒子靠自身重力下沉的影响。实验结果表明，粒子主要富集在斜下方靠近内壁的方向。在管道出口处设置分流装置，收集管道斜下方靠近内壁侧流出的溶液为浓缩液，斜上方靠外壁侧流出的溶液为稀释液，得到图9所示的结果。通过肉眼可以明显分辨出浓缩液和稀释液浊度的差别，说明所设计装置可以有效富集磁性颗粒。对于富集效率的定量分析，需要借助仪器进一步进行测量。

图9 磁性溶液分离结果

光束穿过有一定厚度的均匀近透明液体介质时，在保持溶液性质和入射光波长不变的情况下，溶液对光的吸收程度只与溶液浓度和液层厚度有关。如图10所示，当一束强度为I0的平行单色光垂直照射到液层厚度为d、浓度为c的溶液时，由于溶液中吸光质点(分子或离子) 的吸收，通过溶液后光的强度减弱为IT，根据比尔-朗伯定律，可以得到溶液吸光度A与溶液厚度b及浓度c的关系为

图10 比尔-朗伯定律公式中各物理量定义

实验采用直射光路，将待测溶液放入相同型号的比色皿中，采用钨灯作为照射光源。此时吸收层厚度相同，吸光度只与溶液浓度有关，通过WGD-8/8A型光栅光谱仪获得溶液透过光强信息，就可以对不同溶液浊度[13]进行表征。

通过对图11的光强—波长数据进行处理，得到稀释液、原溶液和浓缩液浓度之间的比值分别是：

C稀/C原= 0.850，C浓/C原=1.126

(12)

图11 原溶液、稀释液和浓缩液的透过光谱

可以看出，原溶液流过装置后，由不同出口处流出的溶液浓度出现了较大差别：“浓缩口”流出的溶液浓度较高，浓度是原溶液的1.1倍；而“稀释口”流出的溶液浓度较低，浓度是原溶液的0.85倍；“浓缩口”与“稀释口”流出溶液的的浓度相差约为32%。可见，该装置能有效地富集溶液中的磁性颗粒，并达到连续分离颗粒的效果。

圆形螺绕环中的磁场及磁场梯度与励磁电流呈正比关系。从理论上说，在一定范围内，励磁电流越大，管内的磁场及磁场的梯度值(dB/dx)就越大，颗粒受力越大，越有利于分离；但励磁电流过大时，会产生过强的磁场和磁场梯度，使得磁性颗粒受力过大，被吸附到管壁处滞留，无法顺畅流出。这说明对于此类装置来说，存在一个最佳的励磁电流大小，既能为管道中的颗粒提供足够大的富集驱动力，同时又不阻碍颗粒的流出。实验表明，对于本文装置和所制备的Fe3O4颗粒水溶液，当溶液流速为25ml/min时，开始阶段分离效率随磁场大小和梯度的增大而升高，励磁电流超过2 A时，分离效率减小。

溶液的流速对分离效率也有较明显影响。当流速过快时，磁性颗粒通过流道较快，受力时间过短，分离效果不够明显；若流速过于缓慢，粒子在流道的内壁方向堆积，形成滞留，分离效果也会下降。这说明对于此类装置来说，存在一个最佳溶液流速，使富集效果和效率达到最佳。

6 结语

本文提出了一种浓聚回收悬浮于液相中的铁磁颗粒的原理性方法。以环形螺绕环内部空腔中的梯度磁场为基础，通过将导管构造成螺旋形类弹簧结构，使溶液中的铁磁颗粒在一个甚至多个环内受到梯度磁场的作用，在随着溶液流动的过程中向环形导管内壁方向富集。这种装置具有设备结构简单，不受自然温度影响，无二次污染，满足循环分离等方面的优势，可用于工业废水中悬浮铁磁性细小颗粒分离和回收。

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