1、华东师范大学复杂体系分离与分析期中论文题目：超导磁分离技术组号：8姓名：严仪昀学号：101415121382015/11/21 1摘要：超导磁分离技术是磁分离技术中一种新的发展方向，根据超导体的某些特性，可有效处理高梯度磁分离技术面临的发展瓶颈。本文先介绍了磁分离技术的概要，并着重阐述了超导磁分离技术的技术原理和设备，及其在污水处理等各领域的实际应用情况，分析了超导磁较之传统磁分离技术的优越性。关键词：超导磁分离技术；磁分离技术；高梯度磁分离技术；污水处理1 引言磁分离技术是一种将物质进行磁场处理的技术，随着磁体技术的发展，磁分离技术的发展也经历了四大阶段 弱磁选、强磁选、常规高梯度磁选以及超
2、导磁选阶段。超导磁分离技术是七十年代初步发展起来的新兴技术，其采用超导磁体代替磁分离装置中的常规磁体。与常规磁分离技术相比，超导磁分离技术具有体积小、重量轻、节省电能、生产能力大、场强高等特征优势。以往用于磁分离的磁体大多为普通电磁体或永久磁体，所提供的磁场在 1 T 左右，磁分离效果不是很明显。磁体的磁场强度是影响磁分离效率的重要参数，随着超导技术的发展，采用超导材料绕制的超导磁体可获得高磁场，磁场强度很容易达到3 T 甚至更高， 而且能在较大的空间范围内提供强磁场及高梯度磁场，用于磁分离可显著提高处理量。因此，超导磁分离技术有着更为广泛的研究和应用范围，其在矿石选矿、煤的脱硫、工业和生活污
3、水的处理等方面都已有了广泛的研究和应用。作为一种能够发挥巨大经济效益的、洁净节能的新兴技术，超导磁分离技术的应用研究具有重大社会意义。2 磁分离技术概述2.1 磁分离技术简介磁场本身是一种具有特殊能量的场，经磁场处理过的水或水溶液，其光学性质、导电率、介电常数、粘度、化学反应及表面张力和吸附、凝聚作用及电化学效应等方面的特性都产生了可测量的变化，并且当撤掉磁场后，这种变化2能保持数小时或数天，具有记忆效应。由于这些现象的存在，多年来磁技术一直是研究热点。磁分离技术是将物质进行磁场处理的一种技术，该技术的应用已经渗透到各个领域，该技术是利用元素或组分磁敏感性的差异，借助外磁场将物质进行磁场处理，
4、从而达到强化分离过程的一种新兴技术。随着强磁场、高梯度磁分离技术的问世，磁分离技术的应用已经从分离强磁性大颗粒到去除弱磁性及反磁性的细小颗粒，从最初的矿物分选、煤脱硫发展到工业水处理，从磁性与非磁性元素的分离发展到抗磁性流体均相混合物组分间的分离。作为洁净、节能的新兴技术，磁分离将显示出诱人的开发前景。近几年磁力分离法已成为一门新兴的水处理技术。磁分离作为物理处理技术在水处理中获得了许多成功应用，显示出许多优点。磁分离利用废水中杂质颗粒的磁性进行分离，对于水中非磁性或弱磁性的颗粒，利用磁性接种技术可使它们具有磁性。借助外力磁场的作用，将废水中有磁性的悬浮固体分离出来，从而达到净化水的目的。与沉
5、降、过滤等常规方法相比较，磁力分离法具有处理能力大、效率高、能量消耗少、设备简单紧凑等一系列优点，它不但已成功应用于高炉煤气洗涤水、炼钢烟尘净化废水，轧钢废水和烧结废水的净化，而且在其它工业废水、城市污水和地皮水的净化方面也很有发展前途。2.2 磁分离技术基本原理与分类磁选技术主要用于分选磁性不同的物质。被选物料在磁选机中成功分选的必要条件是：作用在较强磁性颗粒上的磁力F1必须大于所有与磁力方向相反的机械力F2（包括惯性力、重力、摩擦力、颗粒间作用力等）的合力，同时，作用在较弱磁性颗粒上的磁力F1必须小于相应机械力之和F2。在磁选中被选颗粒所受磁力可表示为：F1=0kVHgradH （1）其中
6、，0为真空磁导率，k 为比磁化率，V 为颗粒的体积，HgradH 为磁场强度与其梯度的乘积。在被分选物的粒径一定的情况下，磁力大小决定于颗粒的磁性和磁选设备的磁场性质HgradH。在实际磁选过程中，往往通过提高磁选设备的磁场强度和磁场梯度等参数提高磁性颗粒所受的磁力。另一提高磁选效果的方法是通过物理化学方法改变被分选物的磁性质，如磁种分选法等。3磁分离技术是借助磁场力的作用，对不同磁性的物质进行分离的一种技术。一切宏观的物体，在某种程度上都具有磁性，但按其在外磁场作用下的特性，可分为三类：铁磁性物质、顺磁性物质和反磁性物质。其中铁磁性物质是我们通常可利用的磁种。各种物质磁性差异正是磁分离技术的
7、基础。磁分离法按装置原理可分为磁凝聚分离、磁盘分离和高梯度磁分离法三种。按产生磁场的方法可分为永磁分离和电磁分离（包括超导电磁分离） 。按工作方式可分为连续式磁分离和间断式磁分离。按颗粒物去除方式可分为磁凝聚沉降分离和磁力吸着分离。3 超导磁分离技术概述3.1 技术原理非磁性以及弱磁性物质在普通磁场下受到的磁力较小，分离效果不甚理想，这类物质的磁分离只有在高梯度、高场强的磁场下才有其实际应用价值；而提高磁场强度一般需要通过改进磁体结构或者更新磁体材料的方法实现。超导体在某一临界温度下电阻即为零，具有完全的导电性，导电性能大大提高，可以传输大电流，从而得到很高的磁场强度。超导体在超导磁分离技术中
8、的应用和发展进一步改进了对非磁性物质的磁分离效果。在实际磁选工作中，往往可以通过提高磁选设备的磁场强度和磁场梯度等参数来提高磁性颗粒物所受的磁力，从而提高分选效果。此外，通过物理化学方法改变被分选物的磁性，如磁种分选法，也可以提高分选效果。磁种主要是为处理弱磁性和非磁性污染物而向水中添加的磁性材料，主要有絮凝磁种、生物磁种和催化磁种。磁种分选法主要应用在污水处理领域。3.2 磁分离设备3.2.1 高梯度磁分离器高梯度磁分离（ High Gradient MagneticSeparation，HGMS）是1970年代初在美国发展起来的一种新的磁分离技术，也是现代磁分离技术的一个标志。它的应用已超
9、越了磁选的传统对象（处理磁性矿物）而进入给水处理、废水处理、废气治理、废渣处理等环境保护领域。HGMS与其他普通磁分离技术相比，4它能大规模、快速地分离磁性微粒，并可解决普通磁分离技术难以解决的许多问题，如：微细颗粒（粒度小到1m）、弱磁性颗粒（磁化率低到10-6）的分离等。高梯度磁分离器(磁滤器)是一种过滤操作单元，在设备中使用励磁线圈和磁回路形成高强磁场，利用不锈钢毛作为过滤基质来提高磁场梯度，对颗粒杂质有很强的磁力作用。一个内部填充填料的容器外加一个磁场就构成了高梯度磁分离器，如图1 所示，磁场强度一般为0.11.5T。常见的填料有纤维状或棒状铁磁性非晶质合金、不锈钢毛、海绵状金属（如海
10、绵镍）等，其作用主要是形成强的磁场和磁场梯度。一般来说，填料的磁性越强，磁分离器的分离效果越好。对同一填料来说，填料越细，填充程度越高，磁分离效果越好。但是填充度提高，流体阻力增大，一般在5左右为宜。超导磁分离磁线圈采用超导体导线，其在超导居里温度下电阻接近于零，故可以产生非常大的电流，从而产生比常规磁场更强的磁场（210 T，常规铁芯电磁体最大场强度约 2.4 T） 。强磁场、高梯度赋予超导磁分离技术更强的分选能力，特别是对弱磁性和顺磁性微粒的有效分选。同时，由于线圈磁阻低，不产生电流热效应，既有利于设备长寿命使用，又减少电耗，降低了运行成本。但超导磁体需要在低温环境下使用，低温组件的引入增
11、加了超导磁选设备的成本，限制了超导磁选的使用推广。近年来超导材料和超导磁体研究的不断取5得发展，使得超导磁分离可以在更高温度下实现更高效率的分选，从而使之成为最有发展前途的新型污水处理技术之一。3.2.2 磁选设备的发展超导磁分离技术的广泛应用离不开超导磁选设备的发展演变，技术的应用需要借助具体设备来发挥作用。随着超导磁分离技术的不断发展，超导磁选设备也不断更新换代，在工业生产中发挥着日益高效的分选作用。继 1961 年诞生第一个超导磁体之后，60 年代末，美国的 JDBannister发明了第一台超导磁选机，并于 1970 年获得了美国超导磁选机的第一个专利；1970 年，英国的科恩(Coh
12、en)和古德(Good)发表了其第一代超导磁选机论文。如今，国外已研制了多种超导磁选机：如 Bannister 超导鼓式磁选机，MK 一 1型超导四极头磁选机，超导带式磁选机，超导水力旋流器，MK 一 2、MK 一3、MK 一 4 型超导开梯度磁选机，MASU 一 3 型超导开梯度磁选机，往复单列罐和双列罐超导周期式高梯度磁选机，伊利兹(Ericz)超导周期式高梯度磁选机，DECOS 超导圆筒磁选机，超导磁流体分离仪等。超导磁选机自 20 世纪 60 年代开始研制以来，不久便开始投入到工业应用，这些磁选设备的不断发展和改进进一步提升了超导磁选技术在具体应用领域的分选效果。相对来说，国内在磁选设
13、备的研制、探索方面则涉足较晚。80 年代起国内才开始研制试验室型的超导磁选机，但是这类磁选机在工业应用推广上的进展也比较缓慢。后来，近 10 多年前国内又开始引进美国的工业型超导磁选机，但其引进和维护的成本较高，很难实现大范围推广应用。近年来，国内加紧开始研制工业型超导磁选机，如山东华特磁电科技股份有限公司、潍坊新力超导磁电科技有限公司与中国科学院高能物理研究所合作研制的双筒式超导磁选机，目前已在在工业上开始试用、推广。4 超导磁分离技术的应用随着相关技术以及超导磁选设备的不断发展、改进，超导磁分离技术的应用范围日益深入到工业生产和生活中的方方面面。从最初应用在高岭土提纯、矿石选矿、煤的脱硫等
14、领域，到现今广泛应用在污水处理领域，超导磁分离技术发挥着越来越重要的应用价值。64.1 矿石选矿初采的矿物成分一般比较复杂，需要进行不同矿石的分选，利用矿物颗粒磁性的不同，可以在不均匀磁场中对矿石进行分选，提高矿物原材料的质量。利用一般常规分选法比较复杂，回收率差，而且对于弱磁性和微细颗粒难以实现有效分选。常规磁分离装置也受其磁力限制，对某些弱磁性和细小的物质无法分选出来。只有利用超导磁体的高磁场才能提供足够的磁力对矿物质进行富集分选，甚至可以利用超导磁分离技术将常规磁选处理后的残余细末也再次回收起来。超导磁分离技术在矿石分选领域已经达到了工业应用阶段，英国曾采用 MKIV 型磁选机对用作陶瓷
15、原料的花岗石进行了分选，分选效果良好；我国有色金属研究院对石英砂、铝土矿、活性炭等进行过除铁提纯研究；此外，超导磁选机也可对黄金和金刚石进行处理，并能取得良好效果。磁选技术长期以来主要应用在分选黑色金属矿石方面，目前其在铁矿石选矿方面仍处于主导地位。同时，磁选技术还广泛应用在稀有金属和非金属矿石的分选，如钨、锡粗精矿的分选、海滨砂矿粗精矿的分选、石棉矿的预选等。此外，蓝晶石、石英、红电气石、长石、霞石、闪长岩等都在不同程度上应用磁选作业进行分选。4.2 高岭土提纯高岭土提纯属于矿物分选的一个小分支，超导磁分离技术最初在矿物分选尤其是高岭土提纯方面应用广泛。由于高岭土是一种以高岭石和高岭石族矿物
16、为主、含有许多其它矿物的土质岩石，其含有的铁、钛等杂质常会使高岭土着色，影响了高岭土的烧结白度和性能，从而限制了高岭土的应用范围。因此，运用相关技术对高岭土进行提纯研究相当重要。六十年代后期，开始兴起利用磁分离设备进行高岭土提纯的应用研究。1969 年，美国 Huber 粘土公司正式投入运行第一台高梯度磁分离装置工业样机，取得了良好的应用效果，磁分离技术的应用在这一领域充分展示了其优越性。但由于常规磁体磁饱和的限制磁场一般不能高于 2T，这使得了高岭土的提纯效果在一定程度上受到了限制。七十年代起，随着超导磁体技术的发展，超导磁分离设备逐渐发展成熟并应用到高岭土提纯工业中。超导磁分离技术能产生极
17、高的场强，使得其在应用过程中能极大地提高高岭土的提纯度，提升高岭土的行业经济价值。在高岭土提纯7实践工作中，美国 Eriez 公司出产的超导磁分离设备在最初的两年矿山服务中就将高岭土的白度提高了四度，极大地提高了高岭土的性能和使用价值。国内方面，中国科学院电工研究所自 1985 年起即开始研究超导磁分离技术及其应用；1987 年研制成功一台超导高梯度磁分离装置。在高岭土提纯方面，中国科学院于 1987 年起开始了高岭土提纯用超导高梯度磁分离工业样机的科研项目。4.3 燃煤脱硫煤中含有的硫分主要有硫铁矿、硫酸盐和有机硫三种形态。这三种形态的硫都会造成严重的大气环境污染。其中，有机硫和硫铁矿硫可以
18、燃烧并生成二氧化硫和三氧化硫等有害气体；硫酸盐硫虽然不参与燃烧，但却是灰分的一部分。因此，有效控制和去除煤中硫的含量至关重要。由于硫铁矿和硫酸盐一般都是弱磁性的，煤是逆磁性的，可利用这种磁性的差异采取磁分离技术脱去煤中的硫分和灰分，以及其它相关弱磁性颗粒物。应用超导磁分离技术进行燃煤脱硫的典型案例主要有：1980 年美国 MCA 公司用超导高梯度磁分离装置进行了UpperFreeport(Delmont)和 111inos No。6(Old Ban)煤的研究；1983 年荷兰FDO 和 HOLEC 公司用高梯度磁分离装置进行了四种德国煤样的湿式和干式脱硫，取得了较好的脱硫除灰效果；英国帝国理工
19、学院 ECohen 和 CCL 公司JAGood 设计了开梯度和四极型超导磁选机，并用此装置分选了两种高灰份Pennsyvania 水煤浆，脱硫效果显著；中科院电工所利用其自制的超导磁分离装置对我国西南地区高硫煤进行了脱硫脱灰样品试验。超导磁分离技术在燃煤脱硫方面的应用日益广泛和成熟，带来了极大的经济和环境效益。4.4 污水处理目前，污水处理采取的主要是物理法、化学法和生化法，但这些传统方法在治理污水的过程中存在处理面积大、反应时间长、投资大、效率低、能耗高等问题。而磁选技术运用在污水处理中时具有简单方便、速度快、投资小、效率高，极少产生二次污染|，因此该技术具有很大的潜在应用价值。超导磁分离
20、技术应用在高岭土提纯、矿石选矿、燃煤脱硫等固体物质中的分选效果良好，在国内外都已得到了广泛应用；但由于污水中的有机和无机污染物缺乏磁性，很难仅仅依靠磁场的作用进行分离处理，因此早期时该技术在污水处理领域还8很少涉及。近年来，随着 Fe3O4 等磁种添加和回收技术的发展，超导磁分离技术逐渐在污水处理领域中兴起。日本大阪大学自 1987 年开始进行超导磁分离污水处理的基础研究，目前已研制出超导高梯度场磁分离污水的原型样机进行实验室规模的试验，经磁分离处理的污水其 COD 值从 1 000 mg/L 降到 20 mg/L。除杂率达到了约 80；利用超导磁分离技术进行污水处理时在污水中加人了 Fe3O
21、4 “磁种子”和絮凝剂，实现污水中有害物质的絮凝，从而实现污水中污染物的磁分离。2005 年，中国科学院电工研究所在其研制的传导冷却高温超导磁体系统上对钢厂的污水进行了磁分离净化试验，试验结果表明这一系统对钢厂污水中氧化铁杂质的磁分离效果比常规磁体系统有明显提升。图 2 日本工业化的超导磁高梯度分离器4.5 超导磁分离技术的优越性随着科技进步和工业实践的发展，超导磁分离技术在高岭土提纯、矿石选矿、燃煤脱硫、污水处理等领域表现出了越来越多的优越性。在矿物分选领域，应用常规分选法存在处理方法复杂、回收率低，难以分选微细颗粒而导致其最终随尾矿排出；应用常规磁分离法存在磁场强度的限制，对弱磁性物质无法
22、有效分选；而超导磁分离则利用超导磁体的高磁场可有效分选微细颗粒、弱磁性物质、甚至可以分选经常规分选后残留在尾矿中的细末。燃煤脱硫方面，利用超导磁分离技术对煤进行脱硫，可以有效减少煤烟的环境污染，这是国内外共同关心的问题。污水处理方面，超导磁分离技术对造纸、化学制品制造纺织、电力工业以及生活污水的净化处理研究等都已获得显著效9果，可实现污水处理后的循环使用，在减轻环境污染的同时还可节约水资源，实现环境效益与社会效益的和谐统一。5 小结超导磁分离技术目前是磁分离技术中一个重要的发展方向，超导体在一定温度下的超导性能大大提升了分离效果和处理量。因此超导磁分离技术在矿石选矿、燃煤脱硫和污水处理等领域都
23、已有了广泛的研究和应用。作为一种能够发挥巨大经济效益的、洁净节能的新兴技术，超导磁分离技术将有着更加广阔的发展和应用前景。参考文献：1. 何莉娜. 超导磁分离技术的应用研究. 低温与超导 2014-01-022. 陈显利，焦雨红，张浩，徐向东，龚领会，李来风. 超导磁分离工业废水处理技术研究. 低温工程 2009-02-153. 陈显利，焦雨红，张浩，徐向东，龚领会，李来风. 超导磁分离在造纸厂污水净化中的应用. 科技导报 2009-02-134. 王宏，黄传军，李来风. 超导高梯度磁分离造纸厂污水处理. 西南大学学报(自然科学版) 2009-03-205. 张笑冰. 超导高梯度分离技术的应用及前景. 2012 中国水处理技术研讨会暨 32 届年会论文集 2012 年 11 月6. 李建军，朱金波，张丽亭，刘银. 磁选技术在水污染治理中的应用. 水处理技术 2012年 7 月7. 余运佳，严陆光. 超导磁分离技术的应用. 电工电能新技术 1990-12-318. 余运佳. 超导磁分离技术的发展. 矿冶工程 1990-10-01
