超導(dǎo)磁分離綜述論文

1、華東師范大學(xué)復(fù)雜體系分離與分析期中論文題目：超導(dǎo)磁分離技術(shù)組號：8姓名：嚴(yán)儀昀學(xué)號：101415121382015/11/21 摘要：超導(dǎo)磁分離技術(shù)是磁分離技術(shù)中一種新的發(fā)展方向，根據(jù)超導(dǎo)體的某些特性，可有效處理高梯度磁分離技術(shù)面臨的發(fā)展瓶頸。本文先介紹了磁分離技術(shù)的概要，并著重闡述了超導(dǎo)磁分離技術(shù)的技術(shù)原理和設(shè)備，及其在污水處理等各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用情況，分析了超導(dǎo)磁較之傳統(tǒng)磁分離技術(shù)的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：超導(dǎo)磁分離技術(shù)；磁分離技術(shù)；高梯度磁分離技術(shù)；污水處理1 引言磁分離技術(shù)是一種將物質(zhì)進(jìn)行磁場處理的技術(shù)，隨著磁體技術(shù)的發(fā)展，磁分離技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了四大階段弱磁選、強(qiáng)磁選、常規(guī)高梯度磁選以及超導(dǎo)磁

2、選階段。超導(dǎo)磁分離技術(shù)是七十年代初步發(fā)展起來的新興技術(shù)，其采用超導(dǎo)磁體代替磁分離裝置中的常規(guī)磁體。與常規(guī)磁分離技術(shù)相比，超導(dǎo)磁分離技術(shù)具有體積小、重量輕、節(jié)省電能、生產(chǎn)能力大、場強(qiáng)高等特征優(yōu)勢。以往用于磁分離的磁體大多為普通電磁體或永久磁體，所提供的磁場在1 T 左右，磁分離效果不是很明顯。磁體的磁場強(qiáng)度是影響磁分離效率的重要參數(shù)，隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，采用超導(dǎo)材料繞制的超導(dǎo)磁體可獲得高磁場，磁場強(qiáng)度很容易達(dá)到3 T 甚至更高， 而且能在較大的空間范圍內(nèi)提供強(qiáng)磁場及高梯度磁場，用于磁分離可顯著提高處理量。因此，超導(dǎo)磁分離技術(shù)有著更為廣泛的研究和應(yīng)用范圍，其在礦石選礦、煤的脫硫、工業(yè)和生活污水的處

3、理等方面都已有了廣泛的研究和應(yīng)用。作為一種能夠發(fā)揮巨大經(jīng)濟(jì)效益的、潔凈節(jié)能的新興技術(shù)，超導(dǎo)磁分離技術(shù)的應(yīng)用研究具有重大社會意義。2 磁分離技術(shù)概述2.1 磁分離技術(shù)簡介磁場本身是一種具有特殊能量的場，經(jīng)磁場處理過的水或水溶液，其光學(xué)性質(zhì)、導(dǎo)電率、介電常數(shù)、粘度、化學(xué)反應(yīng)及表面張力和吸附、凝聚作用及電化學(xué)效應(yīng)等方面的特性都產(chǎn)生了可測量的變化，并且當(dāng)撤掉磁場后，這種變化能保持?jǐn)?shù)小時或數(shù)天，具有記憶效應(yīng)。由于這些現(xiàn)象的存在，多年來磁技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)。磁分離技術(shù)是將物質(zhì)進(jìn)行磁場處理的一種技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域，該技術(shù)是利用元素或組分磁敏感性的差異，借助外磁場將物質(zhì)進(jìn)行磁場處理，從而達(dá)到

4、強(qiáng)化分離過程的一種新興技術(shù)。隨著強(qiáng)磁場、高梯度磁分離技術(shù)的問世，磁分離技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從分離強(qiáng)磁性大顆粒到去除弱磁性及反磁性的細(xì)小顆粒，從最初的礦物分選、煤脫硫發(fā)展到工業(yè)水處理，從磁性與非磁性元素的分離發(fā)展到抗磁性流體均相混合物組分間的分離。作為潔凈、節(jié)能的新興技術(shù)，磁分離將顯示出誘人的開發(fā)前景。近幾年磁力分離法已成為一門新興的水處理技術(shù)。磁分離作為物理處理技術(shù)在水處理中獲得了許多成功應(yīng)用，顯示出許多優(yōu)點(diǎn)。磁分離利用廢水中雜質(zhì)顆粒的磁性進(jìn)行分離，對于水中非磁性或弱磁性的顆粒，利用磁性接種技術(shù)可使它們具有磁性。借助外力磁場的作用，將廢水中有磁性的懸浮固體分離出來，從而達(dá)到凈化水的目的。與沉降、過濾

5、等常規(guī)方法相比較，磁力分離法具有處理能力大、效率高、能量消耗少、設(shè)備簡單緊湊等一系列優(yōu)點(diǎn)，它不但已成功應(yīng)用于高爐煤氣洗滌水、煉鋼煙塵凈化廢水，軋鋼廢水和燒結(jié)廢水的凈化，而且在其它工業(yè)廢水、城市污水和地皮水的凈化方面也很有發(fā)展前途。2.2 磁分離技術(shù)基本原理與分類磁選技術(shù)主要用于分選磁性不同的物質(zhì)。被選物料在磁選機(jī)中成功分選的必要條件是：作用在較強(qiáng)磁性顆粒上的磁力F1必須大于所有與磁力方向相反的機(jī)械力F2（包括慣性力、重力、摩擦力、顆粒間作用力等）的合力，同時，作用在較弱磁性顆粒上的磁力F1'必須小于相應(yīng)機(jī)械力之和F2'。在磁選中被選顆粒所受磁力可表示為：F1=0kVHgradH

6、 （1）其中，0為真空磁導(dǎo)率，k 為比磁化率，V 為顆粒的體積，HgradH 為磁場強(qiáng)度與其梯度的乘積。在被分選物的粒徑一定的情況下，磁力大小決定于顆粒的磁性和磁選設(shè)備的磁場性質(zhì)HgradH。在實(shí)際磁選過程中，往往通過提高磁選設(shè)備的磁場強(qiáng)度和磁場梯度等參數(shù)提高磁性顆粒所受的磁力。另一提高磁選效果的方法是通過物理化學(xué)方法改變被分選物的磁性質(zhì)，如磁種分選法等。磁分離技術(shù)是借助磁場力的作用，對不同磁性的物質(zhì)進(jìn)行分離的一種技術(shù)。一切宏觀的物體，在某種程度上都具有磁性，但按其在外磁場作用下的特性，可分為三類：鐵磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)和反磁性物質(zhì)。其中鐵磁性物質(zhì)是我們通?？衫玫拇欧N。各種物質(zhì)磁性差異正是磁

7、分離技術(shù)的基礎(chǔ)。磁分離法按裝置原理可分為磁凝聚分離、磁盤分離和高梯度磁分離法三種。按產(chǎn)生磁場的方法可分為永磁分離和電磁分離（包括超導(dǎo)電磁分離）。按工作方式可分為連續(xù)式磁分離和間斷式磁分離。按顆粒物去除方式可分為磁凝聚沉降分離和磁力吸著分離。3 超導(dǎo)磁分離技術(shù)概述3.1 技術(shù)原理非磁性以及弱磁性物質(zhì)在普通磁場下受到的磁力較小，分離效果不甚理想，這類物質(zhì)的磁分離只有在高梯度、高場強(qiáng)的磁場下才有其實(shí)際應(yīng)用價值；而提高磁場強(qiáng)度一般需要通過改進(jìn)磁體結(jié)構(gòu)或者更新磁體材料的方法實(shí)現(xiàn)。超導(dǎo)體在某一臨界溫度下電阻即為零，具有完全的導(dǎo)電性，導(dǎo)電性能大大提高，可以傳輸大電流，從而得到很高的磁場強(qiáng)度。超導(dǎo)體在超導(dǎo)磁分

8、離技術(shù)中的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)一步改進(jìn)了對非磁性物質(zhì)的磁分離效果。在實(shí)際磁選工作中，往往可以通過提高磁選設(shè)備的磁場強(qiáng)度和磁場梯度等參數(shù)來提高磁性顆粒物所受的磁力，從而提高分選效果。此外，通過物理化學(xué)方法改變被分選物的磁性，如磁種分選法，也可以提高分選效果。磁種主要是為處理弱磁性和非磁性污染物而向水中添加的磁性材料，主要有絮凝磁種、生物磁種和催化磁種。磁種分選法主要應(yīng)用在污水處理領(lǐng)域。3.2 磁分離設(shè)備3.2.1 高梯度磁分離器高梯度磁分離（ High Gradient MagneticSeparation，HGMS）是1970年代初在美國發(fā)展起來的一種新的磁分離技術(shù)，也是現(xiàn)代磁分離技術(shù)的一個標(biāo)志。它的

9、應(yīng)用已超越了磁選的傳統(tǒng)對象（處理磁性礦物）而進(jìn)入給水處理、廢水處理、廢氣治理、廢渣處理等環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。HGMS與其他普通磁分離技術(shù)相比，它能大規(guī)模、快速地分離磁性微粒，并可解決普通磁分離技術(shù)難以解決的許多問題，如：微細(xì)顆粒（粒度小到1m）、弱磁性顆粒（磁化率低到10-6）的分離等。高梯度磁分離器(磁濾器)是一種過濾操作單元，在設(shè)備中使用勵磁線圈和磁回路形成高強(qiáng)磁場，利用不銹鋼毛作為過濾基質(zhì)來提高磁場梯度，對顆粒雜質(zhì)有很強(qiáng)的磁力作用。一個內(nèi)部填充填料的容器外加一個磁場就構(gòu)成了高梯度磁分離器，如圖1 所示，磁場強(qiáng)度一般為0.11.5T。常見的填料有纖維狀或棒狀鐵磁性非晶質(zhì)合金、不銹鋼毛、海綿狀金屬

10、（如海綿鎳）等，其作用主要是形成強(qiáng)的磁場和磁場梯度。一般來說，填料的磁性越強(qiáng)，磁分離器的分離效果越好。對同一填料來說，填料越細(xì)，填充程度越高，磁分離效果越好。但是填充度提高，流體阻力增大，一般在5左右為宜。超導(dǎo)磁分離磁線圈采用超導(dǎo)體導(dǎo)線，其在超導(dǎo)居里溫度下電阻接近于零，故可以產(chǎn)生非常大的電流，從而產(chǎn)生比常規(guī)磁場更強(qiáng)的磁場（210 T，常規(guī)鐵芯電磁體最大場強(qiáng)度約2.4 T）。強(qiáng)磁場、高梯度賦予超導(dǎo)磁分離技術(shù)更強(qiáng)的分選能力，特別是對弱磁性和順磁性微粒的有效分選。同時，由于線圈磁阻低，不產(chǎn)生電流熱效應(yīng)，既有利于設(shè)備長壽命使用，又減少電耗，降低了運(yùn)行成本。但超導(dǎo)磁體需要在低溫環(huán)境下使用，低溫組件的引入

11、增加了超導(dǎo)磁選設(shè)備的成本，限制了超導(dǎo)磁選的使用推廣。近年來超導(dǎo)材料和超導(dǎo)磁體研究的不斷取得發(fā)展，使得超導(dǎo)磁分離可以在更高溫度下實(shí)現(xiàn)更高效率的分選，從而使之成為最有發(fā)展前途的新型污水處理技術(shù)之一。3.2.2磁選設(shè)備的發(fā)展超導(dǎo)磁分離技術(shù)的廣泛應(yīng)用離不開超導(dǎo)磁選設(shè)備的發(fā)展演變，技術(shù)的應(yīng)用需要借助具體設(shè)備來發(fā)揮作用。隨著超導(dǎo)磁分離技術(shù)的不斷發(fā)展，超導(dǎo)磁選設(shè)備也不斷更新?lián)Q代，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著日益高效的分選作用。繼1961年誕生第一個超導(dǎo)磁體之后，60年代末，美國的JDBannister發(fā)明了第一臺超導(dǎo)磁選機(jī)，并于1970年獲得了美國超導(dǎo)磁選機(jī)的第一個專利；1970年，英國的科恩(Cohen)和古德(G

12、ood)發(fā)表了其第一代超導(dǎo)磁選機(jī)論文。如今，國外已研制了多種超導(dǎo)磁選機(jī)：如Bannister超導(dǎo)鼓式磁選機(jī)，MK一1型超導(dǎo)四極頭磁選機(jī)，超導(dǎo)帶式磁選機(jī)，超導(dǎo)水力旋流器，MK一2、MK一3、MK一4型超導(dǎo)開梯度磁選機(jī)，MASU一3型超導(dǎo)開梯度磁選機(jī)，往復(fù)單列罐和雙列罐超導(dǎo)周期式高梯度磁選機(jī)，伊利茲(Ericz)超導(dǎo)周期式高梯度磁選機(jī)，DECOS超導(dǎo)圓筒磁選機(jī)，超導(dǎo)磁流體分離儀等。超導(dǎo)磁選機(jī)自20世紀(jì)60年代開始研制以來，不久便開始投入到工業(yè)應(yīng)用，這些磁選設(shè)備的不斷發(fā)展和改進(jìn)進(jìn)一步提升了超導(dǎo)磁選技術(shù)在具體應(yīng)用領(lǐng)域的分選效果。相對來說，國內(nèi)在磁選設(shè)備的研制、探索方面則涉足較晚。80年代起國內(nèi)才開始研

13、制試驗(yàn)室型的超導(dǎo)磁選機(jī)，但是這類磁選機(jī)在工業(yè)應(yīng)用推廣上的進(jìn)展也比較緩慢。后來，近10多年前國內(nèi)又開始引進(jìn)美國的工業(yè)型超導(dǎo)磁選機(jī)，但其引進(jìn)和維護(hù)的成本較高，很難實(shí)現(xiàn)大范圍推廣應(yīng)用。近年來，國內(nèi)加緊開始研制工業(yè)型超導(dǎo)磁選機(jī)，如山東華特磁電科技股份有限公司、濰坊新力超導(dǎo)磁電科技有限公司與中國科學(xué)院高能物理研究所合作研制的雙筒式超導(dǎo)磁選機(jī)，目前已在在工業(yè)上開始試用、推廣。4 超導(dǎo)磁分離技術(shù)的應(yīng)用隨著相關(guān)技術(shù)以及超導(dǎo)磁選設(shè)備的不斷發(fā)展、改進(jìn)，超導(dǎo)磁分離技術(shù)的應(yīng)用范圍日益深入到工業(yè)生產(chǎn)和生活中的方方面面。從最初應(yīng)用在高嶺土提純、礦石選礦、煤的脫硫等領(lǐng)域，到現(xiàn)今廣泛應(yīng)用在污水處理領(lǐng)域，超導(dǎo)磁分離技術(shù)發(fā)揮著越

14、來越重要的應(yīng)用價值。4.1 礦石選礦初采的礦物成分一般比較復(fù)雜，需要進(jìn)行不同礦石的分選，利用礦物顆粒磁性的不同，可以在不均勻磁場中對礦石進(jìn)行分選，提高礦物原材料的質(zhì)量。利用一般常規(guī)分選法比較復(fù)雜，回收率差，而且對于弱磁性和微細(xì)顆粒難以實(shí)現(xiàn)有效分選。常規(guī)磁分離裝置也受其磁力限制，對某些弱磁性和細(xì)小的物質(zhì)無法分選出來。只有利用超導(dǎo)磁體的高磁場才能提供足夠的磁力對礦物質(zhì)進(jìn)行富集分選，甚至可以利用超導(dǎo)磁分離技術(shù)將常規(guī)磁選處理后的殘余細(xì)末也再次回收起來。超導(dǎo)磁分離技術(shù)在礦石分選領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用階段，英國曾采用MKIV型磁選機(jī)對用作陶瓷原料的花崗石進(jìn)行了分選，分選效果良好；我國有色金屬研究院對石英砂

15、、鋁土礦、活性炭等進(jìn)行過除鐵提純研究；此外，超導(dǎo)磁選機(jī)也可對黃金和金剛石進(jìn)行處理，并能取得良好效果。磁選技術(shù)長期以來主要應(yīng)用在分選黑色金屬礦石方面，目前其在鐵礦石選礦方面仍處于主導(dǎo)地位。同時，磁選技術(shù)還廣泛應(yīng)用在稀有金屬和非金屬礦石的分選，如鎢、錫粗精礦的分選、海濱砂礦粗精礦的分選、石棉礦的預(yù)選等。此外，藍(lán)晶石、石英、紅電氣石、長石、霞石、閃長巖等都在不同程度上應(yīng)用磁選作業(yè)進(jìn)行分選。4.2 高嶺土提純高嶺土提純屬于礦物分選的一個小分支，超導(dǎo)磁分離技術(shù)最初在礦物分選尤其是高嶺土提純方面應(yīng)用廣泛。由于高嶺土是一種以高嶺石和高嶺石族礦物為主、含有許多其它礦物的土質(zhì)巖石，其含有的鐵、鈦等雜質(zhì)常會使高嶺

16、土著色，影響了高嶺土的燒結(jié)白度和性能，從而限制了高嶺土的應(yīng)用范圍。因此，運(yùn)用相關(guān)技術(shù)對高嶺土進(jìn)行提純研究相當(dāng)重要。六十年代后期，開始興起利用磁分離設(shè)備進(jìn)行高嶺土提純的應(yīng)用研究。1969年，美國Huber粘土公司正式投入運(yùn)行第一臺高梯度磁分離裝置工業(yè)樣機(jī)，取得了良好的應(yīng)用效果，磁分離技術(shù)的應(yīng)用在這一領(lǐng)域充分展示了其優(yōu)越性。但由于常規(guī)磁體磁飽和的限制磁場一般不能高于2T，這使得了高嶺土的提純效果在一定程度上受到了限制。七十年代起，隨著超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)磁分離設(shè)備逐漸發(fā)展成熟并應(yīng)用到高嶺土提純工業(yè)中。超導(dǎo)磁分離技術(shù)能產(chǎn)生極高的場強(qiáng)，使得其在應(yīng)用過程中能極大地提高高嶺土的提純度，提升高嶺土的行業(yè)

17、經(jīng)濟(jì)價值。在高嶺土提純實(shí)踐工作中，美國Eriez公司出產(chǎn)的超導(dǎo)磁分離設(shè)備在最初的兩年礦山服務(wù)中就將高嶺土的白度提高了四度，極大地提高了高嶺土的性能和使用價值。國內(nèi)方面，中國科學(xué)院電工研究所自1985年起即開始研究超導(dǎo)磁分離技術(shù)及其應(yīng)用；1987年研制成功一臺超導(dǎo)高梯度磁分離裝置。在高嶺土提純方面，中國科學(xué)院于1987年起開始了高嶺土提純用超導(dǎo)高梯度磁分離工業(yè)樣機(jī)的科研項(xiàng)目。4.3 燃煤脫硫煤中含有的硫分主要有硫鐵礦、硫酸鹽和有機(jī)硫三種形態(tài)。這三種形態(tài)的硫都會造成嚴(yán)重的大氣環(huán)境污染。其中，有機(jī)硫和硫鐵礦硫可以燃燒并生成二氧化硫和三氧化硫等有害氣體；硫酸鹽硫雖然不參與燃燒，但卻是灰分的一部分。因此

18、，有效控制和去除煤中硫的含量至關(guān)重要。由于硫鐵礦和硫酸鹽一般都是弱磁性的，煤是逆磁性的，可利用這種磁性的差異采取磁分離技術(shù)脫去煤中的硫分和灰分，以及其它相關(guān)弱磁性顆粒物。應(yīng)用超導(dǎo)磁分離技術(shù)進(jìn)行燃煤脫硫的典型案例主要有：1980年美國MCA公司用超導(dǎo)高梯度磁分離裝置進(jìn)行了UpperFreeport(Delmont)和111inos No。6(Old Ban)煤的研究；1983年荷蘭FDO和HOLEC公司用高梯度磁分離裝置進(jìn)行了四種德國煤樣的濕式和干式脫硫，取得了較好的脫硫除灰效果；英國帝國理工學(xué)院ECohen和CCL公司JAGood設(shè)計了開梯度和四極型超導(dǎo)磁選機(jī)，并用此裝置分選了兩種高灰份Pen

19、nsyvania水煤漿，脫硫效果顯著；中科院電工所利用其自制的超導(dǎo)磁分離裝置對我國西南地區(qū)高硫煤進(jìn)行了脫硫脫灰樣品試驗(yàn)。超導(dǎo)磁分離技術(shù)在燃煤脫硫方面的應(yīng)用日益廣泛和成熟，帶來了極大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。4.4污水處理目前，污水處理采取的主要是物理法、化學(xué)法和生化法，但這些傳統(tǒng)方法在治理污水的過程中存在處理面積大、反應(yīng)時間長、投資大、效率低、能耗高等問題。而磁選技術(shù)運(yùn)用在污水處理中時具有簡單方便、速度快、投資小、效率高，極少產(chǎn)生二次污染|，因此該技術(shù)具有很大的潛在應(yīng)用價值。超導(dǎo)磁分離技術(shù)應(yīng)用在高嶺土提純、礦石選礦、燃煤脫硫等固體物質(zhì)中的分選效果良好，在國內(nèi)外都已得到了廣泛應(yīng)用；但由于污水中的有機(jī)和無

20、機(jī)污染物缺乏磁性，很難僅僅依靠磁場的作用進(jìn)行分離處理，因此早期時該技術(shù)在污水處理領(lǐng)域還很少涉及。近年來，隨著Fe3O4等磁種添加和回收技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)磁分離技術(shù)逐漸在污水處理領(lǐng)域中興起。日本大阪大學(xué)自1987 年開始進(jìn)行超導(dǎo)磁分離污水處理的基礎(chǔ)研究，目前已研制出超導(dǎo)高梯度場磁分離污水的原型樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的試驗(yàn)，經(jīng)磁分離處理的污水其COD 值從1 000 mg/L 降到20 mg/L。除雜率達(dá)到了約80；利用超導(dǎo)磁分離技術(shù)進(jìn)行污水處理時在污水中加人了Fe3O4 “磁種子”和絮凝劑，實(shí)現(xiàn)污水中有害物質(zhì)的絮凝，從而實(shí)現(xiàn)污水中污染物的磁分離。2005年，中國科學(xué)院電工研究所在其研制的傳導(dǎo)冷卻高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)上對鋼廠的污水進(jìn)行了磁分離凈化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明這一系統(tǒng)對鋼廠污水中氧化鐵雜質(zhì)的磁分離效果比常規(guī)磁體系統(tǒng)有明顯提升。圖2 日本工業(yè)化的超導(dǎo)磁高梯度分離器4.5 超導(dǎo)磁分離技術(shù)的優(yōu)越性隨著科技進(jìn)步和工業(yè)實(shí)踐的發(fā)展，超導(dǎo)磁分離技術(shù)在高嶺土提純、礦石選礦、燃煤脫硫、污水處理等領(lǐng)域表現(xiàn)出了越來越多的優(yōu)越性。在礦物分選領(lǐng)域，應(yīng)用常規(guī)分選法存在處理方法復(fù)雜、回收率低，難以分選微細(xì)顆粒而導(dǎo)致其最終隨尾礦排出；應(yīng)用常規(guī)磁分離法存在磁場強(qiáng)度的限制，對弱磁性物質(zhì)無法有效分選；而超導(dǎo)磁分離則利用超導(dǎo)磁體的高磁場可有效分選微細(xì)顆粒、弱磁性物質(zhì)、甚至可以分選經(jīng)常規(guī)分選后殘留在尾礦中的細(xì)末。燃煤