磁场强化非均相分离技术的工业应用进展

冯丽丽 赵立新 蒋明虎

（东北石油大学机械科学与工程学院 黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室）

磁场分离技术的原理是：混合相间各组分磁化系数不同，当磁场作用时会导致各组分间由于不同的受力状态而呈现出不同的运移轨迹，从而实现混合相的分离。 在磁场分离技术的工业应用中，分离效果与被分离介质上的磁场力呈正相关［1，2］，因此对于磁化系数较大的强磁性介质，无需较高的磁场强度或梯度即可实现高效分离；对于弱磁性、无磁性介质，则需要通过提高磁场强度或梯度、投加磁种等方式获取足够的磁场力从而实现混合相的分离。 近年来，随着磁场分离技术的不断发展和相关处理设备的不断研发，磁场分离技术逐渐在矿物精选［3～6］、污水处理［7～10］、气体除杂［11～13］等多相混合分离领域内成功应用。在此，笔者论述磁场分离单独工艺及其组合工艺在分离混合相介质中的应用进展，并总结磁种在辅助磁场分离工艺中的研究，以期为提高磁场分离工艺的应用深度与广度提供参考。

1 磁场分离单独工艺

磁场分离技术因具有环保、高效、经济、节能等优点，在分离混合相技术中脱颖而出，并成为缓解能源紧缺、推动工业发展、解决三废排放的重要技术［14～16］。随着对磁场分离技术的深入探究，其应用范围也在逐渐拓宽，已渗透至许多工业领域，应用效果也在持续改善，可满足多种工业的生产需求，尤其在固、液、气等混合介质分离中极具应用前景。

1.1 磁场分离技术应用于矿物精选

20 世纪初， 随着第一批工业磁选机的产生，磁场分离技术便开始应用于选矿领域内［17～19］。 作为分离磁性介质的典型设备，磁选机按其选别矿物的方式可分为湿选和干选两类。 湿选工艺虽然可以减缓不同磁性固体介质间的碰撞干扰，但其对水资源的依存度高［20～22］；干选工艺可应用于富集矿物的干旱矿区，无需湿选工艺中由附加水力增添引发的脱水与烘干过程，因而整体流程简易高效，应用较广［23～25］。干式磁选机结构及其磁选过程如图1、2 所示［26］。 矿物在经过强弱交替的磁场区域时，会随着筒体的转动而快速翻转，将已聚结的磁团块或磁链打散，使其中夹带的非磁性介质在离心力与重力的作用下高效移动至磁选机外层，磁性介质则受磁场力的作用移动至磁选机内层，从而完成对矿物的精选。

图1 干式磁选机结构示意图

图2 磁选机磁选过程

随着对矿区的持续开采，矿区内的粗粒矿产日渐减少，提取细粒矿产已是必然趋势，因此研发更先进的微细矿物精选设备是开采矿产的关键所在。 高梯度磁选机是在传统磁选机的基础上通过对分选区内增设较高的磁场梯度而研发的一种新型强磁选设备，具有可高效强化矿物间分离、可分选矿物粒径下限更小等优势，目前已成为微细矿物深度分选的首选设备［27～29］。 曹南杰等利用高梯度磁选机进行了钛矿分选处理，不仅成功将尾矿内钛品位由6.41%提升至47.02%，而且还 极 大 地 节 省 了 选 钛 成 本， 效 益 显 著［30］。REHMAN W U 等利用高梯度磁选机开展了锰矿提纯试验，经高梯度磁场选别后，最高锰品位可达45%，且对于选别粒度为75 μm 的矿石提纯率可达40%以上［31］。 磁系作为高梯度磁选机内磁场的生成元件， 其与设备的分选能力紧密相关，是影响分选区内磁场特性的关键因素。 合理的磁极数量、结构与排布方式，不仅可以降低磁系的安装难度，还可以保证设备的磁选性能，因此对最佳磁系进行设计研究至关重要。 SONG S 等通过铁粉分选实验得出，磁极数量的增加会加快介质在磁选区内的翻转频率，使得铁粉回收率明显上升［32］。 GERLICI J 等依次对圆形、梯形、矩形3 种不同横截面的磁极结构展开了磁选模拟，发现使用矩形磁极可在磁选区内形成较强的磁场强度与梯度，且磁损耗最低［33］。 ZENG S L 等将磁极呈内倾式交替安装于磁选机内筒处，与平面排布的磁极相比，该方式可在避免介质堵塞保证介质高速流动的同时，形成更强的磁场，使得外壁面处磁场达0.9 T［34］。

1.2 磁场分离技术应用于污水处理

近年来， 传统污水净化方法逐渐受到能耗、设备占地、被分离物粒径及浓度的限制而无法实现预期的效果，为此研究学者们将磁场分离技术引入污水处理领域，其可实现对城市或工业污水内 微 细 悬 浮 物［35］、重 金 属 离 子［36，37］、油 类［38，39］、富营养盐类［40］的有效去除，且不受水温限制，分离进程快，空间需求小。 早期利用该技术促进污水净化的应用，主要集中于去除采矿和钢铁行业污水内所富集的磁性污染物。 MUKUTA C 和AKIYAMA Y 采用矿井水可持续磁分离处理系统，在旋转磁盘的强磁力下，污水内的磁性污染物被吸附在磁盘外表面， 实现与水体的分离，再随磁盘的转动被带至排泥槽，最后经刮泥板作用与磁盘完全分离；该系统可有效解决混有磁性废料的污水无法直排的难题，提高了直排污水的出流水质［41］。KWON H 等采用与文献［41］相似的强磁分离系统，成功去除了污水内的铁氧化物和重金属离子，使得水体浊度得到明显改善［42］。

含油污水是工业生产过程中的一大类废液，为实现其深度处理，研究学者们开展了关于应用磁场分离技术进行污水除油的研究。NISHIGAKI K 等首次提出， 基于海水与油滴导电率的不同，同时施加磁场从而诱导油水分离，以解决海洋表面薄油层污染问题［43］。 含油海水分离过程如图3所示。 含油海水在流经磁场分离通道时，导电的水微团受电磁力作用向下运移， 并集中在下层，而不导电的油微团则受浮力作用运移至上部的集油层，从而实现对分散油滴的分离回收、海水外排。 油水混合相分离率越高，对保证环境质量和后续工艺稳定运行以及获得高质量产品的优势越强［44］。 因此，关于如何利用磁场分离技术高效增强油水分离深度的研究愈发深入，学者们做了大量的模拟与实验。 ZHANG G Y 等通过理及数学模型，对磁场通道内含油海水的流动过程进行了数值模拟， 并结合水槽实验结果开展性能分析， 从而为海上分离样机的优化设计提供指导［45］。TAKEDA M 等使用聚合物颗粒代替海水内分散的油滴，开展混合液在流经磁场通道时的分离特性研究， 实验结果表明分离效率与磁场强度、颗粒粒径呈正相关，与海水流速呈负相关［46］。 PENG A 等在文献［46］的实验基础上，使用欧拉模型模拟求解了混合液在不同操作参数下的分离特性，并将模拟值与文献［46］的实验值进行对比，两者分布趋势相同，验证了模拟的可靠性［47］。 LIU J 等提出将磁场分离通道倾斜安置，通过改变通道内的压力分布，以改善实际运行中海水波动对油滴回收的干扰， 模拟结果表明， 当通道倾角为15°时，分离段内的压力最低，最利于油滴上浮［48］。

图3 含油海水分离过程

1.3 磁场分离技术应用于气体除杂

随着工业的发展，工业气体的应用遍及诸多领域，使用量持续递增，已成为保障现代工业高速、高质量发展的关键［49］。FARADAY M 首次发现磁场会对气体的流动产生影响，之后便有学者开展了关于利用磁场分离技术将空气内氧气、氮气分离的探索［50］。 由于氧气磁化系数的绝对值约为氮气的300 倍［51］，因此在磁场环境中两者会产生相反的流动趋势， 即氧气会向着强磁场区扩散，氮气则聚集在弱磁场区，从而可以实现对空气内氧气、氮气的直接分离或高效富集。 为在保证气体分离纯度的基础上，研发出更简易、可靠的磁场分离设备，学者们对磁场作用下的气体运移行为开展了模拟及实验探索。 栗凤超等设计了一种“磁筛”式氧气富集结构，发现适当增加磁体厚度与长度，可增强磁场均匀度、延长磁力作用时间，进而实现对氧气的高效富集［52］。 BAO S R 等对磁场作用时的氧气流动状态进行了可视化研究，发现磁场的施加可有效减小流动过程中的对流影响，保证分离段内氧气扩散的稳定性，从而更有利于氧气的高效富集与连续产出［53］。MAN Z H 等分析了梯度磁场下氧气与氮气的分离过程，得出降低进气速度或增大磁场梯度，可有效提升输出气体内的氧浓度［54］。

工业生产的众多单元中也常伴有气固混合相的生成，其中混杂的固相颗粒不仅容易对后续工艺的安全运行造成干扰，导致工艺不稳定性升高，而且也会加速对装置的磨损，因此探究深度的气固分离方法已备受关注［55，56］。 磁场分离技术的兴起也为新型气固净化设备的研发开拓了新方向，其中磁流化床因具有稳定性强、分离速度快、可连续运行等优点［57，58］，已成为处理气固混合工况的主流设备，结构如图4 所示［59］。 其原理为通过施加磁场来调节固相颗粒的排布方式，从而促进床体内部的混合介质向着更易于分离的流态转变，最终实现气固混合相的快速分离，因此探究不同调节参数下磁流化床内的介质流动规律是保证高效流化分离的关键。 ESPIN M J 等分析了磁场强度对颗粒分布的影响，发现颗粒在受到磁场作用时会聚结成链，从而有效减缓了床层间气泡的形成，避免了颗粒的反混流动，但当继续施加高强磁场时，颗粒的大量团聚反而会阻碍气相的流动，破坏床体的稳定性［60］。 TIAN Y K 等研究了磁场强度及其施加顺序对颗粒流化过程的影响， 结果表明， 当磁场强度小于3 400 A/m时，颗粒的流化主要受气体流速的影响，但当磁场强度大于该值时，颗粒的流化便主要受磁场的影响，且与先加磁场相比，后加磁场会引发床层间的压力波动，不利于颗粒的稳定流化［61］。

图4 磁流化床结构简图

2 磁场分离组合工艺

工业的高速发展，也使得分离环境变得逐渐复杂，待分离的混合相内介质组分增多，且组分间物化性质差异大， 为满足更高的分离需求，仅采用单一的处理技术，已较难达到既定的使用或排放标准［62，63］。 探究磁场分离技术与其他技术的联合应用，可实现各种技术间的优势互补，进而形成高效的深度处理工艺。

2.1 气浮-磁场分离技术

气浮技术是通过引入微气泡，使之在气浮室内与污染物相互粘附，形成密度低于水相的浮体继而上浮至液面，从而使污染物与水相分离的净水技术［64］。 在气浮技术的实际运用中，对微细污染物的去除难度较大，很多因素均会使其净水效果受限［65］，如气泡分散不均匀、温度升高导致气泡稳定性变差、 浮体处于上下运动的翻滚状态等。 因此，研究者们提出了将气浮技术与磁场分离技术耦合应用， 先采用气浮技术进行预处理，然后在减轻处理负荷的基础上采用磁场分离技术， 以进一步降低对污染物粒径的去除下限，提高混合相间的分离精度，保证良性水力循环。

为探究该组合工艺的可行性，国内外学者开展了大量试验研究。 杨瑞洪等在分别优选确定气浮、磁场分离单元的最佳操作条件后，以气浮单元为一级分离工序，磁场分离单元为下一级分离工序，进行了气浮-磁场分离组合工艺除油试验，验证了该组合工艺除油的高效性［66］。 许浩伟等针对孤岛油田污水高含聚的现状， 采用了气浮-磁场分离组合工艺方案，现场试验结果表明，经处理后水体内悬浮物浓度可降至5 mg/L 以下，且处理速度较快，总处理时长不足8 min［67］。 LEE J 等应用气浮-磁场分离组合工艺进行了对工业废水的复合处理研究，该组合工艺不仅高效改善了水体质量，还消除了单一应用气浮工艺时对药剂的依赖性，经测定，该组合工艺可去除95%以上的固体浮渣及90%以上的重金属［68］。 同时，为保证组合工艺净水效果的稳定性，学者们也进行了其在多工况下的适应性研究。 付法栋等分别在低含油与高含油两种进液条件下，对胜利油田进行了气浮-磁场分离净水工艺改造， 现场工艺流程如图5 所示，处理后经水质检测得出，出水水质均优于预期设计指标， 除油率均高达98%以上［69］。崔谦通过将气浮、磁场分离技术联用，研发了一种移动式撬装处理设备，对水质波动较大的油井压裂返排液开展了处理试验， 并综合运行效果、处理成本、技术效益各方面，优化确定了其在处理不同作业区时的最佳工艺路线［70］。

图5 改造后的气浮-磁场分离技术工艺流程

2.2 膜-磁场分离技术

膜分离技术是一种基于膜两侧作用力的差异，进而对待处理液内组分进行选择性透过的分离技术［71］。 滤膜作为膜技术的关键部分，在应用过程中，易因其表面和内部的垢质堆积而引发膜通量大幅降低，且垢质清洗难度大，这些均限制了膜技术的工业化应用。 研究发现，磁场能有效预防垢质生成，并对已堆积的垢质有较好的去除效果，进而可有效减轻膜污染。 因此可将磁场引入膜分离过程中，依靠磁场来改进滤膜的分离特性。

在磁场的磁化影响下，会使得水体的部分理化性质发生变化，因而可在不改变水体组分的前提下，利用磁场引起的这些变化阻碍水体内垢质的生成或堆积。 RONALD G 等将CaSO4·2H2O 过饱和溶液置于磁场环境后发现，磁场的施加使得钙盐的可溶性变差， 因此导致总悬浮固体量上升，抑制了晶体的形成，从而大幅减缓了垢质的生成［72］。 马丽霞等经实验发现，磁化后的水分子活性会显著提高，高渗透性的水分子可渗入至晶体内部，打破垢质原本的晶体受力状态，从而使其逐渐脱落［73］。

磁场的引入也会使得滤膜本身的性能发生变化，从而改善膜分离过程，促进膜通量提高，并降低滤膜清洗难度，实现对滤膜抗污染性的有效调控。 MOHAMMAD R 等分别在不施加磁场与施加磁场的条件下，对滤膜脱盐过程中的滤膜性能进行了评价，对照结果表明，磁场的存在提高了滤膜的渗透量，使得脱盐率上升，并减缓了滤膜表面的结垢速率［74］。 SUN T 等同样应用磁性滤膜进行了有无磁场作用时的分离实验，也证明了磁场的作用会使得滤膜的防垢能力及膜通量提高，且最佳膜通量约为无磁场辅助时的5 倍［75］。 上述实验研究均是从宏观上观测到磁场引起的膜通量变化现象，为了更深入地研究磁场对膜性能的作用机理，有学者应用扫描电镜等方法，开展了在微观下观测磁场的引入对膜面结垢的影响过程。 在分离过程结束后，苏涛应用扫描电镜观察了膜表层的垢质形态，具体如图6 所示，对比发现，未施加磁场时，膜表层的垢质主要为致密且质地较硬的方解石（图6a）；而有磁场作用时，膜面上的晶体则是以质地疏松易冲洗的文石为主（图6b），因此膜通量较高［76］。 王雅洁也验证了磁场会抑制方解石晶体的成核及生长过程，但却可以促进文石的形成，从而增加垢质中文石所占的比率， 使其在水力冲洗下更易从膜面上脱落，进而缓解膜污染，保证膜通量［77］。

图6 膜表层垢质形态

2.3 旋流-磁场分离技术

旋流分离技术已广泛运用于各种多相分离领域，其中典型设备为旋流器［78］，它是利用介质在高速旋转运动中产生的离心力来实现不同密度混合相间的分离。 以往通常采用优化几何结构或工艺参数的方式对旋流器的运行能力进行调节，但存在旋流器结构复杂、安装难度大、处理效果提升有限等不足。 随着磁场分离技术的进步，将磁场分离技术与旋流分离技术耦合应用，基于力的叠加原理并引入磁场将磁力与离心力相配合，以实现复合力场下旋流器性能的调节。 目前该方法已逐渐成为研究热点，同时磁力旋流器应运而生［79］。

磁力旋流器中增设的磁场是为旋流器内介质提供附加的磁力，通过改变其所受力场，从而辅助旋流器的工作过程。 根据增设磁场位置的不同， 产生的磁力方向可指向旋流器轴心或壁面。为了研究在旋流器不同位置增设磁场后设备的处理效果， 王拴连分别探究了在旋流器溢流管、底流口及锥段位置增设永磁场后对设备性能的影响， 并基于ANSYS 软件分析了当增设不同数量的磁极时旋流器内介质的分布规律，发现六磁极的磁场排布时磁场特性最强，设备分选效果最佳［80］。FRICKER A G 将旋流器置于同一轴心的环状磁铁内，由于外磁极的面积大于内磁极，故形成了指向轴心的磁场力，因此在应用该设备分选矿砂中的铁磁矿时分选率可达95%［81］。 胡琳等将电磁套安装于旋流器锥体外壁，并将铁氧体置于对应位置的锥体内壁，设计了一种可间歇运行的磁力旋流器， 用以处理工作液内残留的加工渣；当电磁套接通电源后， 磁通在线圈中形成闭环，受磁场作用，铁氧体会将随底流流动的铁磁颗粒吸引至内壁面处，而当电磁套断开电源后，铁磁颗粒便可从沉渣口排出［82］。 为促进机械化作业，付双成等设计了一种轴心式吸引铁磁颗粒并可连续脱铁排料的磁力旋流器， 结构如图7 所示，通过对比安装缠绕线圈的铁棒、缠绕线圈的铁管、一定厚度的导磁片3 种不同磁系结构时颗粒的受力变化，得出当安装的磁系为缠绕线圈的铁棒时设备的脱铁效率最佳［83］。

图7 磁力旋流器结构示意图

虽然磁性介质在磁场的磁化下易彼此吸引团聚扰乱介质分布，但旋流场产生的强剪切力会破坏已形成的絮团， 从而有效避免磁团聚现象，保证处理效率。 戚威盛等通过对比磁性颗粒在分别经过普通旋流器与磁力旋流器后的沉降末速，得出磁场的施加可增大磁性颗粒的运移速度，更利于其进入外旋流而排出，因此磁场的施加不仅提高了旋流器对颗粒的分离效率，还增强了旋流器对微粒径颗粒的分离效果［84］。 FREEMAN R J和ROWSON N A 设计了一种安装永磁铁的磁力旋流器，相比于普通旋流器其对铁磁矿的回收速度更快，且回收率提升了13%［85］。 冯圣生对比了有无旋流场耦合时两种工艺的赤泥选铁率，得出经旋流器脱泥后再磁选相较于单一的磁选处理方式，可使总铁回收率提升6%左右［86］。

3 磁种辅助式磁场分离工艺

磁种是使得无磁性介质得以应用磁场分离技术进行处理的关键材料。 通过先向待处理液内投加磁种，再经适当的结合时间后，使无磁性介质有效地与磁种结合，可改变待处理液内介质的性态，此时可以应用磁场分离技术实现介质的分离［87，88］。 区自清和吴维中提出将磁种投加至磁场分离工艺中来辅助油水分离，处理流程如图8 所示，向吸附处理后的含油污水内投加磁种，使污水内的油滴与磁种结合， 再经过磁场分离设备，利用强磁场的吸附力实现附着油滴的磁絮体与水相分离的目的，经过再生处理后的吸附剂与磁种均可多次重复利用［89］。 LIU L 等在利用磁芯式磁力旋流器分离油水混合液时，通过向混合液内投加磁种，以借助磁力作用使磁化后的油相向磁芯运移，从而促进油滴聚结，可将除油率由74.9%提升至98.1%［90］。 为探究上述处理过程中磁种与油滴间的结合机理， 袁维富等经电泳实验测定，油滴和磁种分别为带负电荷与正电荷的互异质点， 在对磁种与待处理液的搅拌混合过程中，油滴与磁种会不断吸引靠近，最终实现两者间的吸附［91］。

图8 磁种辅助磁场分离工艺流程

投加磁种后，可通过搅拌促进磁种与污染物间的结合，但也存在因磁种利用率低，导致污染物无法被充分吸附，结合效果、经济性较差等问题。 增强磁种的吸附能力，提升磁种吸附的选择性， 增大磁种与污染物间可接触的比表面积，既可节约磁种的制备和投加成本，又能拓广磁场分离技术的适用范围，因此应用易吸附、高选择性、易再生的高效改性磁种已成为深化污染物处理的重要方向之一（表1）。

表1 磁种的制备方法及其处理效果对比

4 结束语

目前，有关磁场分离技术的研究正处于快速发展阶段，在针对混合介质的深度分离中，磁场分离技术的单独应用和组合应用均展现出极强的可行性，强磁分离设备的研发及磁种的辅助应用也使其适用范围逐渐拓宽， 可用于对强磁性、弱磁性、 无磁性不同导磁性介质间的分离以及固、液、气不同相态介质间的分离。

基于目前已有研究和应用成果，为进一步提升磁场分离技术的应用成效，今后仍需对如下几方面展开更具体的探究：

a.研发高效、低能耗、稳定性强的磁场分离设备。 为推广磁场分离技术在多相混合分离领域内的工业应用，需加强对新型磁场分离设备的结构设计和优化，以及高性能强磁系的制备。

b.深化磁场分离技术与多种分离技术间的组合应用。 当采用多种分离技术进行耦合处理时，要发挥每种技术间的协同效应，秉承简易化、环保化、自动化的发展理念，在满足复杂工况处理需求的同时，设计出更简易高效的组合工艺。

c.探究磁场分离机理。 在应用不同结构的磁场分离设备时，介质复杂的运动过程使其分离性能难以预测，因此需结合微观和宏观角度，对磁场作用时的介质分离原理展开分析，从而为模拟和试验的开展提供依据。

d.高性能复合磁种的制备、分离与回收。 基于磁种的磁场分离技术是分离混合相内无磁性介质的一种有效方法，因此对于易吸附、易再生磁种的深入研发，有利于在实际应用中最大化的发挥磁场分离性能。