【儀表網(wǎng) 行業(yè)聚焦點】近日，由中國科學院理化技術(shù)研究所低溫材料及應用超導研究中心研制的“超導磁分離水處理系統(tǒng)”取得新進展，以超導磁體為核心的超導磁分離水處理系統(tǒng)成功運行，實現(xiàn)了磁分離水處理設備從無到有的突破，系統(tǒng)能夠自動化、長時間穩(wěn)定運行。通過調(diào)試、測試，該水處理系統(tǒng)已能、快速地進行污水處理實驗，對照試驗表明，污水處理效果較好。
目前，工業(yè)廢水處理方法主要有化學法和生物化學法。然而，實用的化學法和生物化學法存在投資大、運行成本高、反應時間長、占地面積大、效率低、能耗高等問題。對于小型造紙廠廢水處理，這些問題更加突出，廠家因建立污水處理設施投資過高，大多采取直排，給環(huán)境造成危害。因此開展新型、、低成本超導磁分離工業(yè)廢水處理技術(shù)的研究對我國節(jié)能減排具有重要意義。
中科院理化所的工作克服了以上難題，在磁種子材料和超導磁體冷卻技術(shù)上取得創(chuàng)新進展。采用等離子有機覆膜技術(shù)在Fe3O4磁性顆粒表面生長帶活性基團的有機薄膜，這層納米厚度的薄膜可以有效地捕捉污水中的有機物、無機離子，代替了有機絮凝劑的加入，而且由于有機膜與Fe3O4有很強的結(jié)合力，使得這種新型復合"磁種子"材料可以重復使用，較單純的Fe3O4磁種子材料有明顯優(yōu)勢，
采用這種"磁種子"材料對造紙廠廢水處理實驗表明經(jīng)磁分離處理的集水池廢水COD值由起始的1780mg/L降到147mg/L，去除率超過90%%，凈化效果良好。另一個技術(shù)創(chuàng)新點是采用制冷機直接冷卻超導磁體，從而擺脫超導磁體采用昂貴液氦的束縛，這樣將使得超導磁分離污水處理系統(tǒng)可以方便地用于缺少液氦的地區(qū)，特別適合于規(guī)模小、分散的中小企業(yè)。是未來潛在應用價值的技術(shù)。
據(jù)了解，磁分離技術(shù)早應用于選礦和瓷土工業(yè)，1960年前蘇聯(lián)用磁凝聚法處理鋼廠除塵廢水。但是磁鐵或電磁鐵的磁場強度有限，對于弱磁性顆粒處理效果不理想。近年來國內(nèi)外研究人員嘗試采用超導磁分離技術(shù)分離磁性雜質(zhì)，超導磁分離法與傳統(tǒng)的化學法、生物法以及普通電磁體磁分離相比，具有投資小、占地少、耗電量小等優(yōu)點。占地方面，場強可達3~5特斯拉的超導磁體，加上相應的制冷設備等，占地不超過20m2。能耗方面，由于超導材料無電阻，超導磁體幾乎不消耗電能，僅維持低溫的制冷機耗電，一天耗電量不超過100kW·h。成本方面，3~5特斯拉的超導磁體大約150萬元，對于每天千噸級處理規(guī)模的設備，投資小于200萬元。因此超導磁分離技術(shù)，對于污水處理來說，是一種潛在應用前景的技術(shù)。研究結(jié)果表明超導磁分離技術(shù)對于富含氧化鐵雜質(zhì)的鋼廠廢水磁分離凈化的效果明顯，然而該技術(shù)只能分離水中的磁性污染物，對于石油采出水、造紙、化工、制藥、食品等工業(yè)廢水以及城鎮(zhèn)生活污水，由于這些廢水中的有毒有害物質(zhì)大多為有機物，本身沒有磁性，用磁分離無法有效分離。
中國科學院理化技術(shù)研究所李來風研究員提出了等離子鍍膜改性磁種用于超導磁分離技術(shù)，可有效解決以上問題。首先設計一種外置線圈、由射頻電源供電的等離子體有機聚合裝置，通過該裝置對磁種顆粒材料進行表面等離子有機聚合改性，改性后的磁種形成各種所需的表面官能團，這些活性基團可與污水中非磁性有害物質(zhì)絮團，再通過超導磁體的強磁場來實現(xiàn)分離廢水中污染物，實現(xiàn)工業(yè)污水的達標排放。李來風研究員及其研究小組對絮團機制進行了初步探討，認為磁種作為電解質(zhì)削弱了污染物表面的雙電層，通過靜電吸附作用以及架橋、網(wǎng)捕作用使污染物形成絮團。經(jīng)過調(diào)整磁種表面官能團種類，可使該技術(shù)適應于不同種類的污水處理。同時使用過的磁種還能通過脫附，重復使用。
在超導磁分離污水處理技術(shù)中，磁種的研制是關(guān)鍵。要達到良好的污水處理效果，要求磁種材料具有：①盡可能高的體積磁化率，以得到較好的磁響應；②盡可能低的矯頑力，減輕無外磁場時的團聚；③適當?shù)牧剑叫t表面積較大，活性較高，能較好地與污水中污染物結(jié)合，但粒徑太小則會影響磁化率，同時使用時損耗也大，不利于回收和重復使用；④化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易被腐蝕；⑤表面用適當方式改性，使得磁種能更好地與污染物結(jié)合，并且通過用不同方式的表面改性來實現(xiàn)處理不同類型的污水。
低溫超導磁分離水處理是一項前沿的新型技術(shù)，具有重要的應用前景，被認為是繼超導磁體在醫(yī)用核磁譜儀、礦物磁性雜質(zhì)分離領域應用后的又一有望工業(yè)應用的新技術(shù)。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺愈發(fā)成為國家重點關(guān)注的課題。目前，我國的超導磁分離技術(shù)不斷取得突破，其在水處理方面的應用有望成為解決水污染問題的對癥藥方，對于國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。
一項超導磁體應用技術(shù)研究表明，采用超導高梯度磁分離技術(shù)可用于造紙、化工、醫(yī)藥工業(yè)廢水的凈化分離。與傳統(tǒng)的超導磁分離技術(shù)只能分離礦物、煤、高嶺土中磁性雜質(zhì)不同，該技術(shù)通過預先加入改性的磁種子顆粒材料，從而分離工業(yè)廢水中無磁性的有機、無機污染物，實現(xiàn)工業(yè)污水的達標排放。
理化所低溫材料及應用超導研究中心從2005年開始低溫超導技術(shù)研究，經(jīng)過數(shù)年積累，做了大量的相關(guān)基礎研究探索，尤其對磁種子的研究開發(fā)，針對不同污染物，成功研制出不同適用的磁種子。在設備研制方面進行優(yōu)化設計，布局合理，占地面積小于6m2，可設計為車載移動式，水流狀態(tài)穩(wěn)定，系統(tǒng)連續(xù)運行，操作簡單，成為國內(nèi)首臺超導磁分離水處理系統(tǒng)，開創(chuàng)了國內(nèi)超導磁分離技術(shù)在水處理方面應用的先例。
