超导磁分离污水处理系统研制取得新进展

近日，由中国科学院理化技术研究所低温材料及应用超导研究中心研制的“超导磁分离水处理系统”取得新进展，以超导磁体为核心的超导磁分离水处理系统成功运行，实现了磁分离水处理设备从无到有的突破，系统能够自动化、长时间稳定运行。通过调试、测试，该水处理系统已能高效、快速地进行污水处理实验，对照试验表明，污水处理效果显著。

目前，工业废水处理方法主要有化学法和生物化学法。然而，实用的化学法和生物化学法存在投资大、运行成本高、反应时间长、占地面积大、效率低、能耗高等问题。对于小型造纸厂废水处理，这些问题更加突出，厂家因建立污水处理设施投资过高，大多采取直排，给环境造成危害。因此开展新型、高效、低成本超导磁分离工业废水处理技术的研究对我国节能减排具有重要意义。

中科院理化所的工作克服了以上难题，在磁种子材料和超导磁体冷却技术上取得创新进展。采用等离子有机覆膜技术在Fe3O4磁性颗粒表面生长带活性基团的有机薄膜，这层纳米厚度的薄膜可以有效地捕捉污水中的有机物、无机离子，代替了有机絮凝剂的加入，而且由于有机膜与Fe3O4有很强的结合力，使得这种新型复合"磁种子"材料可以重复使用，较单纯的Fe3O4磁种子材料有明显优势，

采用这种"磁种子"材料对造纸厂废水处理实验表明经磁分离处理的集水池废水COD值由起始的1780mg/L降到147mg/L，去除率超过90%%，净化效果良好。另一个技术创新点是采用制冷机直接冷却超导磁体，从而摆脱超导磁体采用昂贵液氦的束缚，这样将使得超导磁分离污水处理系统可以方便地用于缺少液氦的地区，特别适合于规模小、分散的中小企业。是未来极具潜在应用价值的技术。

据了解，磁分离技术最早应用于选矿和瓷土工业，1960年前苏联首次用磁凝聚法处理钢厂除尘废水。但是永久磁铁或电磁铁的磁场强度有限，对于弱磁性颗粒处理效果不理想。近年来国内外研究人员尝试采用超导磁分离技术分离磁性杂质，超导磁分离法与传统的化学法、生物法以及普通电磁体磁分离相比，具有投资小、占地少、耗电量小等优点。占地方面，场强可达3~5特斯拉的超导磁体，加上相应的制冷设备等，占地不超过20m2。能耗方面，由于超导材料无电阻，超导磁体几乎不消耗电能，仅维持低温的制冷机耗电，一天耗电量不超过100kW˙h。成本方面，3~5特斯拉的超导磁体大约150万元，对于每天千吨级处理规模的设备，投资小于200万元。因此超导磁分离技术，对于污水处理来说，是一种极具潜在应用前景的技术。研究结果表明超导磁分离技术对于富含氧化铁杂质的钢厂废水磁分离净化的效果明显，然而该技术只能分离水中的磁性污染物，对于石油采出水、造纸、化工、制药、食品等工业废水以及城镇生活污水，由于这些废水中的有毒有害物质大多为有机物，本身没有磁性，用磁分离无法有效分离。

中国科学院理化技术研究所李来风研究员提出了等离子镀膜改性磁种用于超导磁分离技术，可有效解决以上问题。首先设计一种外置线圈、由射频电源供电的等离子体有机聚合装置，通过该装置对磁种颗粒材料进行表面等离子有机聚合改性，改性后的磁种形成各种所需的表面官能团，这些活性基团可与污水中非磁性有害物质絮团，再通过超导磁体的强磁场来实现分离废水中污染物，实现工业污水的达标排放。李来风研究员及其研究小组对絮团机制进行了初步探讨，认为磁种作为电解质削弱了污染物表面的双电层，通过静电吸附作用以及架桥、网捕作用使污染物形成絮团。经过调整磁种表面官能团种类，可使该技术适应于不同种类的污水处理。同时使用过的磁种还能通过脱附，重复使用。

在超导磁分离污水处理技术中，高效磁种的研制是关键。要达到良好的污水处理效果，要求磁种材料具有：①尽可能高的体积磁化率，以得到较好的磁响应;②尽可能低的矫顽力，减轻无外磁场时的团聚;③适当的粒径，粒径小则表面积较大，活性较高，能较好地与污水中污染物结合，但粒径太小则会影响磁化率，同时使用时损耗也大，不利于回收和重复使用;④化学性质稳定，不易被腐蚀;⑤表面用适当方式改性，使得磁种能更好地与污染物结合，并且通过用不同方式的表面改性来实现处理不同类型的污水。

低温超导磁分离水处理是一项前沿的新型技术，具有重要的应用前景，被认为是继超导磁体在医用核磁谱仪、矿物磁性杂质分离领域应用后的又一有望工业应用的新技术。随着经济的快速发展，环境污染和能源短缺愈发成为国家重点关注的课题。目前，我国的超导磁分离技术不断取得突破，其在水处理方面的应用有望成为解决水污染问题的对症药方，对于国民经济发展具有重要意义。

一项超导磁体应用技术研究表明，采用超导高梯度磁分离技术可用于造纸、化工、医药工业废水的净化分离。与传统的超导磁分离技术只能分离矿物、煤、高岭土中磁性杂质不同，该技术通过预先加入改性的磁种子颗粒材料，从而分离工业废水中无磁性的有机、无机污染物，实现工业污水的达标排放。

理化所低温材料及应用超导研究中心从2005年开始低温超导技术研究，经过数年积累，做了大量的相关基础研究探索，尤其对磁种子的研究开发，针对不同污染物，成功研制出不同适用的磁种子。在设备研制方面进行优化设计，布局合理，占地面积小于6m2，可设计为车载移动式，水流状态稳定，系统连续运行，操作简单，成为国内首台超导磁分离水处理系统，开创了国内超导磁分离技术在水处理方面应用的先例。