磁場強化非均相分離技術的工業應用進展

馮麗麗 趙立新 蔣明虎

（東北石油大學機械科學與工程學院 黑龍江省石油石化多相介質處理及污染防治重點實驗室）

磁場分離技術的原理是：混合相間各組分磁化系數不同，當磁場作用時會導致各組分間由于不同的受力狀態而呈現出不同的運移軌跡，從而實現混合相的分離。 在磁場分離技術的工業應用中，分離效果與被分離介質上的磁場力呈正相關［1，2］，因此對于磁化系數較大的強磁性介質，無需較高的磁場強度或梯度即可實現高效分離；對于弱磁性、無磁性介質，則需要通過提高磁場強度或梯度、投加磁種等方式獲取足夠的磁場力從而實現混合相的分離。 近年來，隨著磁場分離技術的不斷發展和相關處理設備的不斷研發，磁場分離技術逐漸在礦物精選［3～6］、污水處理［7～10］、氣體除雜［11～13］等多相混合分離領域內成功應用。在此，筆者論述磁場分離單獨工藝及其組合工藝在分離混合相介質中的應用進展，并總結磁種在輔助磁場分離工藝中的研究，以期為提高磁場分離工藝的應用深度與廣度提供參考。

1 磁場分離單獨工藝

磁場分離技術因具有環保、高效、經濟、節能等優點，在分離混合相技術中脫穎而出，并成為緩解能源緊缺、推動工業發展、解決三廢排放的重要技術［14～16］。隨著對磁場分離技術的深入探究，其應用范圍也在逐漸拓寬，已滲透至許多工業領域，應用效果也在持續改善，可滿足多種工業的生產需求，尤其在固、液、氣等混合介質分離中極具應用前景。

1.1 磁場分離技術應用于礦物精選

20 世紀初， 隨著第一批工業磁選機的產生，磁場分離技術便開始應用于選礦領域內［17～19］。 作為分離磁性介質的典型設備，磁選機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間的碰撞干擾，但其對水資源的依存度高［20～22］；干選工藝可應用于富集礦物的干旱礦區，無需濕選工藝中由附加水力增添引發的脫水與烘干過程，因而整體流程簡易高效，應用較廣［23～25］。干式磁選機結構及其磁選過程如圖1、2 所示［26］。 礦物在經過強弱交替的磁場區域時，會隨著筒體的轉動而快速翻轉，將已聚結的磁團塊或磁鏈打散，使其中夾帶的非磁性介質在離心力與重力的作用下高效移動至磁選機外層，磁性介質則受磁場力的作用移動至磁選機內層，從而完成對礦物的精選。

圖1 干式磁選機結構示意圖

圖2 磁選機磁選過程

隨著對礦區的持續開采，礦區內的粗粒礦產日漸減少，提取細粒礦產已是必然趨勢，因此研發更先進的微細礦物精選設備是開采礦產的關鍵所在。 高梯度磁選機是在傳統磁選機的基礎上通過對分選區內增設較高的磁場梯度而研發的一種新型強磁選設備，具有可高效強化礦物間分離、可分選礦物粒徑下限更小等優勢，目前已成為微細礦物深度分選的首選設備［27～29］。 曹南杰等利用高梯度磁選機進行了鈦礦分選處理，不僅成功將尾礦內鈦品位由6.41%提升至47.02%，而且還 極 大 地 節 省 了 選 鈦 成 本， 效 益 顯 著［30］。REHMAN W U 等利用高梯度磁選機開展了錳礦提純試驗，經高梯度磁場選別后，最高錳品位可達45%，且對于選別粒度為75 μm 的礦石提純率可達40%以上［31］。 磁系作為高梯度磁選機內磁場的生成元件， 其與設備的分選能力緊密相關，是影響分選區內磁場特性的關鍵因素。 合理的磁極數量、結構與排布方式，不僅可以降低磁系的安裝難度，還可以保證設備的磁選性能，因此對最佳磁系進行設計研究至關重要。 SONG S 等通過鐵粉分選實驗得出，磁極數量的增加會加快介質在磁選區內的翻轉頻率，使得鐵粉回收率明顯上升［32］。 GERLICI J 等依次對圓形、梯形、矩形3 種不同橫截面的磁極結構展開了磁選模擬，發現使用矩形磁極可在磁選區內形成較強的磁場強度與梯度，且磁損耗最低［33］。 ZENG S L 等將磁極呈內傾式交替安裝于磁選機內筒處，與平面排布的磁極相比，該方式可在避免介質堵塞保證介質高速流動的同時，形成更強的磁場，使得外壁面處磁場達0.9 T［34］。

1.2 磁場分離技術應用于污水處理

近年來， 傳統污水凈化方法逐漸受到能耗、設備占地、被分離物粒徑及濃度的限制而無法實現預期的效果，為此研究學者們將磁場分離技術引入污水處理領域，其可實現對城市或工業污水內 微 細 懸 浮 物［35］、重 金 屬 離 子［36，37］、油 類［38，39］、富營養鹽類［40］的有效去除，且不受水溫限制，分離進程快，空間需求小。 早期利用該技術促進污水凈化的應用，主要集中于去除采礦和鋼鐵行業污水內所富集的磁性污染物。 MUKUTA C 和AKIYAMA Y 采用礦井水可持續磁分離處理系統，在旋轉磁盤的強磁力下，污水內的磁性污染物被吸附在磁盤外表面， 實現與水體的分離，再隨磁盤的轉動被帶至排泥槽，最后經刮泥板作用與磁盤完全分離；該系統可有效解決混有磁性廢料的污水無法直排的難題，提高了直排污水的出流水質［41］。KWON H 等采用與文獻［41］相似的強磁分離系統，成功去除了污水內的鐵氧化物和重金屬離子，使得水體濁度得到明顯改善［42］。

含油污水是工業生產過程中的一大類廢液，為實現其深度處理，研究學者們開展了關于應用磁場分離技術進行污水除油的研究。NISHIGAKI K 等首次提出， 基于海水與油滴導電率的不同，同時施加磁場從而誘導油水分離，以解決海洋表面薄油層污染問題［43］。 含油海水分離過程如圖3所示。 含油海水在流經磁場分離通道時，導電的水微團受電磁力作用向下運移， 并集中在下層，而不導電的油微團則受浮力作用運移至上部的集油層，從而實現對分散油滴的分離回收、海水外排。 油水混合相分離率越高，對保證環境質量和后續工藝穩定運行以及獲得高質量產品的優勢越強［44］。 因此，關于如何利用磁場分離技術高效增強油水分離深度的研究愈發深入，學者們做了大量的模擬與實驗。 ZHANG G Y 等通過理及數學模型，對磁場通道內含油海水的流動過程進行了數值模擬， 并結合水槽實驗結果開展性能分析， 從而為海上分離樣機的優化設計提供指導［45］。TAKEDA M 等使用聚合物顆粒代替海水內分散的油滴，開展混合液在流經磁場通道時的分離特性研究， 實驗結果表明分離效率與磁場強度、顆粒粒徑呈正相關，與海水流速呈負相關［46］。 PENG A 等在文獻［46］的實驗基礎上，使用歐拉模型模擬求解了混合液在不同操作參數下的分離特性，并將模擬值與文獻［46］的實驗值進行對比，兩者分布趨勢相同，驗證了模擬的可靠性［47］。 LIU J 等提出將磁場分離通道傾斜安置，通過改變通道內的壓力分布，以改善實際運行中海水波動對油滴回收的干擾， 模擬結果表明， 當通道傾角為15°時，分離段內的壓力最低，最利于油滴上?。?8］。

圖3 含油海水分離過程

1.3 磁場分離技術應用于氣體除雜

隨著工業的發展，工業氣體的應用遍及諸多領域，使用量持續遞增，已成為保障現代工業高速、高質量發展的關鍵［49］。FARADAY M 首次發現磁場會對氣體的流動產生影響，之后便有學者開展了關于利用磁場分離技術將空氣內氧氣、氮氣分離的探索［50］。 由于氧氣磁化系數的絕對值約為氮氣的300 倍［51］，因此在磁場環境中兩者會產生相反的流動趨勢， 即氧氣會向著強磁場區擴散，氮氣則聚集在弱磁場區，從而可以實現對空氣內氧氣、氮氣的直接分離或高效富集。 為在保證氣體分離純度的基礎上，研發出更簡易、可靠的磁場分離設備，學者們對磁場作用下的氣體運移行為開展了模擬及實驗探索。 栗鳳超等設計了一種“磁篩”式氧氣富集結構，發現適當增加磁體厚度與長度，可增強磁場均勻度、延長磁力作用時間，進而實現對氧氣的高效富集［52］。 BAO S R 等對磁場作用時的氧氣流動狀態進行了可視化研究，發現磁場的施加可有效減小流動過程中的對流影響，保證分離段內氧氣擴散的穩定性，從而更有利于氧氣的高效富集與連續產出［53］。MAN Z H 等分析了梯度磁場下氧氣與氮氣的分離過程，得出降低進氣速度或增大磁場梯度，可有效提升輸出氣體內的氧濃度［54］。

工業生產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后續工藝的安全運行造成干擾，導致工藝不穩定性升高，而且也會加速對裝置的磨損，因此探究深度的氣固分離方法已備受關注［55，56］。 磁場分離技術的興起也為新型氣固凈化設備的研發開拓了新方向，其中磁流化床因具有穩定性強、分離速度快、可連續運行等優點［57，58］，已成為處理氣固混合工況的主流設備，結構如圖4 所示［59］。 其原理為通過施加磁場來調節固相顆粒的排布方式，從而促進床體內部的混合介質向著更易于分離的流態轉變，最終實現氣固混合相的快速分離，因此探究不同調節參數下磁流化床內的介質流動規律是保證高效流化分離的關鍵。 ESPIN M J 等分析了磁場強度對顆粒分布的影響，發現顆粒在受到磁場作用時會聚結成鏈，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，但當繼續施加高強磁場時，顆粒的大量團聚反而會阻礙氣相的流動，破壞床體的穩定性［60］。 TIAN Y K 等研究了磁場強度及其施加順序對顆粒流化過程的影響， 結果表明， 當磁場強度小于3 400 A/m時，顆粒的流化主要受氣體流速的影響，但當磁場強度大于該值時，顆粒的流化便主要受磁場的影響，且與先加磁場相比，后加磁場會引發床層間的壓力波動，不利于顆粒的穩定流化［61］。

圖4 磁流化床結構簡圖

2 磁場分離組合工藝

工業的高速發展，也使得分離環境變得逐漸復雜，待分離的混合相內介質組分增多，且組分間物化性質差異大， 為滿足更高的分離需求，僅采用單一的處理技術，已較難達到既定的使用或排放標準［62，63］。 探究磁場分離技術與其他技術的聯合應用，可實現各種技術間的優勢互補，進而形成高效的深度處理工藝。

2.1 氣浮-磁場分離技術

氣浮技術是通過引入微氣泡，使之在氣浮室內與污染物相互粘附，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［64］。 在氣浮技術的實際運用中，對微細污染物的去除難度較大，很多因素均會使其凈水效果受限［65］，如氣泡分散不均勻、溫度升高導致氣泡穩定性變差、 浮體處于上下運動的翻滾狀態等。 因此，研究者們提出了將氣浮技術與磁場分離技術耦合應用， 先采用氣浮技術進行預處理，然后在減輕處理負荷的基礎上采用磁場分離技術， 以進一步降低對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。

為探究該組合工藝的可行性，國內外學者開展了大量試驗研究。 楊瑞洪等在分別優選確定氣浮、磁場分離單元的最佳操作條件后，以氣浮單元為一級分離工序，磁場分離單元為下一級分離工序，進行了氣浮-磁場分離組合工藝除油試驗，驗證了該組合工藝除油的高效性［66］。 許浩偉等針對孤島油田污水高含聚的現狀， 采用了氣浮-磁場分離組合工藝方案，現場試驗結果表明，經處理后水體內懸浮物濃度可降至5 mg/L 以下，且處理速度較快，總處理時長不足8 min［67］。 LEE J 等應用氣浮-磁場分離組合工藝進行了對工業廢水的復合處理研究，該組合工藝不僅高效改善了水體質量，還消除了單一應用氣浮工藝時對藥劑的依賴性，經測定，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，為保證組合工藝凈水效果的穩定性，學者們也進行了其在多工況下的適應性研究。 付法棟等分別在低含油與高含油兩種進液條件下，對勝利油田進行了氣浮-磁場分離凈水工藝改造， 現場工藝流程如圖5 所示，處理后經水質檢測得出，出水水質均優于預期設計指標， 除油率均高達98%以上［69］。崔謙通過將氣浮、磁場分離技術聯用，研發了一種移動式撬裝處理設備，對水質波動較大的油井壓裂返排液開展了處理試驗， 并綜合運行效果、處理成本、技術效益各方面，優化確定了其在處理不同作業區時的最佳工藝路線［70］。

圖5 改造后的氣浮-磁場分離技術工藝流程

2.2 膜-磁場分離技術

膜分離技術是一種基于膜兩側作用力的差異，進而對待處理液內組分進行選擇性透過的分離技術［71］。 濾膜作為膜技術的關鍵部分，在應用過程中，易因其表面和內部的垢質堆積而引發膜通量大幅降低，且垢質清洗難度大，這些均限制了膜技術的工業化應用。 研究發現，磁場能有效預防垢質生成，并對已堆積的垢質有較好的去除效果，進而可有效減輕膜污染。 因此可將磁場引入膜分離過程中，依靠磁場來改進濾膜的分離特性。

在磁場的磁化影響下，會使得水體的部分理化性質發生變化，因而可在不改變水體組分的前提下，利用磁場引起的這些變化阻礙水體內垢質的生成或堆積。 RONALD G 等將CaSO4·2H2O 過飽和溶液置于磁場環境后發現，磁場的施加使得鈣鹽的可溶性變差， 因此導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的生成［72］。 馬麗霞等經實驗發現，磁化后的水分子活性會顯著提高，高滲透性的水分子可滲入至晶體內部，打破垢質原本的晶體受力狀態，從而使其逐漸脫落［73］。

磁場的引入也會使得濾膜本身的性能發生變化，從而改善膜分離過程，促進膜通量提高，并降低濾膜清洗難度，實現對濾膜抗污染性的有效調控。 MOHAMMAD R 等分別在不施加磁場與施加磁場的條件下，對濾膜脫鹽過程中的濾膜性能進行了評價，對照結果表明，磁場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垢速率［74］。 SUN T 等同樣應用磁性濾膜進行了有無磁場作用時的分離實驗，也證明了磁場的作用會使得濾膜的防垢能力及膜通量提高，且最佳膜通量約為無磁場輔助時的5 倍［75］。 上述實驗研究均是從宏觀上觀測到磁場引起的膜通量變化現象，為了更深入地研究磁場對膜性能的作用機理，有學者應用掃描電鏡等方法，開展了在微觀下觀測磁場的引入對膜面結垢的影響過程。 在分離過程結束后，蘇濤應用掃描電鏡觀察了膜表層的垢質形態，具體如圖6 所示，對比發現，未施加磁場時，膜表層的垢質主要為致密且質地較硬的方解石（圖6a）；而有磁場作用時，膜面上的晶體則是以質地疏松易沖洗的文石為主（圖6b），因此膜通量較高［76］。 王雅潔也驗證了磁場會抑制方解石晶體的成核及生長過程，但卻可以促進文石的形成，從而增加垢質中文石所占的比率， 使其在水力沖洗下更易從膜面上脫落，進而緩解膜污染，保證膜通量［77］。

圖6 膜表層垢質形態

2.3 旋流-磁場分離技術

旋流分離技術已廣泛運用于各種多相分離領域，其中典型設備為旋流器［78］，它是利用介質在高速旋轉運動中產生的離心力來實現不同密度混合相間的分離。 以往通常采用優化幾何結構或工藝參數的方式對旋流器的運行能力進行調節，但存在旋流器結構復雜、安裝難度大、處理效果提升有限等不足。 隨著磁場分離技術的進步，將磁場分離技術與旋流分離技術耦合應用，基于力的疊加原理并引入磁場將磁力與離心力相配合，以實現復合力場下旋流器性能的調節。 目前該方法已逐漸成為研究熱點，同時磁力旋流器應運而生［79］。

磁力旋流器中增設的磁場是為旋流器內介質提供附加的磁力，通過改變其所受力場，從而輔助旋流器的工作過程。 根據增設磁場位置的不同， 產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磁場后設備的處理效果， 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永磁場后對設備性能的影響， 并基于ANSYS 軟件分析了當增設不同數量的磁極時旋流器內介質的分布規律，發現六磁極的磁場排布時磁場特性最強，設備分選效果最佳［80］。FRICKER A G 將旋流器置于同一軸心的環狀磁鐵內，由于外磁極的面積大于內磁極，故形成了指向軸心的磁場力，因此在應用該設備分選礦砂中的鐵磁礦時分選率可達95%［81］。 胡琳等將電磁套安裝于旋流器錐體外壁，并將鐵氧體置于對應位置的錐體內壁，設計了一種可間歇運行的磁力旋流器， 用以處理工作液內殘留的加工渣；當電磁套接通電源后， 磁通在線圈中形成閉環，受磁場作用，鐵氧體會將隨底流流動的鐵磁顆粒吸引至內壁面處，而當電磁套斷開電源后，鐵磁顆粒便可從沉渣口排出［82］。 為促進機械化作業，付雙成等設計了一種軸心式吸引鐵磁顆粒并可連續脫鐵排料的磁力旋流器， 結構如圖7 所示，通過對比安裝纏繞線圈的鐵棒、纏繞線圈的鐵管、一定厚度的導磁片3 種不同磁系結構時顆粒的受力變化，得出當安裝的磁系為纏繞線圈的鐵棒時設備的脫鐵效率最佳［83］。

圖7 磁力旋流器結構示意圖

雖然磁性介質在磁場的磁化下易彼此吸引團聚擾亂介質分布，但旋流場產生的強剪切力會破壞已形成的絮團， 從而有效避免磁團聚現象，保證處理效率。 戚威盛等通過對比磁性顆粒在分別經過普通旋流器與磁力旋流器后的沉降末速，得出磁場的施加可增大磁性顆粒的運移速度，更利于其進入外旋流而排出，因此磁場的施加不僅提高了旋流器對顆粒的分離效率，還增強了旋流器對微粒徑顆粒的分離效果［84］。 FREEMAN R J和ROWSON N A 設計了一種安裝永磁鐵的磁力旋流器，相比于普通旋流器其對鐵磁礦的回收速度更快，且回收率提升了13%［85］。 馮圣生對比了有無旋流場耦合時兩種工藝的赤泥選鐵率，得出經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 磁種輔助式磁場分離工藝

磁種是使得無磁性介質得以應用磁場分離技術進行處理的關鍵材料。 通過先向待處理液內投加磁種，再經適當的結合時間后，使無磁性介質有效地與磁種結合，可改變待處理液內介質的性態，此時可以應用磁場分離技術實現介質的分離［87，88］。 區自清和吳維中提出將磁種投加至磁場分離工藝中來輔助油水分離，處理流程如圖8 所示，向吸附處理后的含油污水內投加磁種，使污水內的油滴與磁種結合， 再經過磁場分離設備，利用強磁場的吸附力實現附著油滴的磁絮體與水相分離的目的，經過再生處理后的吸附劑與磁種均可多次重復利用［89］。 LIU L 等在利用磁芯式磁力旋流器分離油水混合液時，通過向混合液內投加磁種，以借助磁力作用使磁化后的油相向磁芯運移，從而促進油滴聚結，可將除油率由74.9%提升至98.1%［90］。 為探究上述處理過程中磁種與油滴間的結合機理， 袁維富等經電泳實驗測定，油滴和磁種分別為帶負電荷與正電荷的互異質點， 在對磁種與待處理液的攪拌混合過程中，油滴與磁種會不斷吸引靠近，最終實現兩者間的吸附［91］。

圖8 磁種輔助磁場分離工藝流程

投加磁種后，可通過攪拌促進磁種與污染物間的結合，但也存在因磁種利用率低，導致污染物無法被充分吸附，結合效果、經濟性較差等問題。 增強磁種的吸附能力，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，既可節約磁種的制備和投加成本，又能拓廣磁場分離技術的適用范圍，因此應用易吸附、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比

4 結束語

目前，有關磁場分離技術的研究正處于快速發展階段，在針對混合介質的深度分離中，磁場分離技術的單獨應用和組合應用均展現出極強的可行性，強磁分離設備的研發及磁種的輔助應用也使其適用范圍逐漸拓寬， 可用于對強磁性、弱磁性、 無磁性不同導磁性介質間的分離以及固、液、氣不同相態介質間的分離。

基于目前已有研究和應用成果，為進一步提升磁場分離技術的應用成效，今后仍需對如下幾方面展開更具體的探究：

a.研發高效、低能耗、穩定性強的磁場分離設備。 為推廣磁場分離技術在多相混合分離領域內的工業應用，需加強對新型磁場分離設備的結構設計和優化，以及高性能強磁系的制備。

b.深化磁場分離技術與多種分離技術間的組合應用。 當采用多種分離技術進行耦合處理時，要發揮每種技術間的協同效應，秉承簡易化、環?；?、自動化的發展理念，在滿足復雜工況處理需求的同時，設計出更簡易高效的組合工藝。

c.探究磁場分離機理。 在應用不同結構的磁場分離設備時，介質復雜的運動過程使其分離性能難以預測，因此需結合微觀和宏觀角度，對磁場作用時的介質分離原理展開分析，從而為模擬和試驗的開展提供依據。

d.高性能復合磁種的制備、分離與回收。 基于磁種的磁場分離技術是分離混合相內無磁性介質的一種有效方法，因此對于易吸附、易再生磁種的深入研發，有利于在實際應用中最大化的發揮磁場分離性能。