超導(dǎo)磁分離污水處理系統(tǒng)研制取得進(jìn)展

    近日，由中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫材料及應(yīng)用超導(dǎo)研究中心研制的“超導(dǎo)磁分離水處理系統(tǒng)"取得新進(jìn)展，以超導(dǎo)磁體為核心的超導(dǎo)磁分離水處理系統(tǒng)成功運(yùn)行，實現(xiàn)了磁分離水處理設(shè)備從無到有的突破，系統(tǒng)能夠自動化、長時間穩(wěn)定運(yùn)行。通過調(diào)試、測試，該水處理系統(tǒng)已能、快速地進(jìn)行污水處理實驗，對照試驗表明，污水處理*。

目前，工業(yè)廢水處理方法主要有化學(xué)法和生物化學(xué)法。然而，實用的化學(xué)法和生物化學(xué)法存在投資大、運(yùn)行成本高、反應(yīng)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)磁體冷卻技術(shù)上取得創(chuàng)新進(jìn)展。采用等離子有機(jī)覆膜技術(shù)在Fe3O4磁性顆粒表面生長帶活性基團(tuán)的有機(jī)薄膜，這層納米厚度的薄膜可以有效地捕捉污水中的有機(jī)物、無機(jī)離子，代替了有機(jī)絮凝劑的加入，而且由于有機(jī)膜與Fe3O4有很強(qiáng)的結(jié)合力，使得這種新型復(fù)合"磁種子"材料可以重復(fù)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(jī)直接冷卻超導(dǎo)磁體，從而擺脫超導(dǎo)磁體采用昂貴液氦的束縛，這樣將使得超導(dǎo)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(yīng)用價值的技術(shù)。

據(jù)了解，磁分離技術(shù)zui早應(yīng)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(qiáng)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(dǎo)磁分離技術(shù)分離磁性雜質(zhì)，超導(dǎo)磁分離法與傳統(tǒng)的化學(xué)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(qiáng)可達(dá)3~5特斯拉的超導(dǎo)磁體，加上相應(yīng)的制冷設(shè)備等，占地不超過20m2。能耗方面，由于超導(dǎo)材料無電阻，超導(dǎo)磁體幾乎不消耗電能，僅維持低溫的制冷機(jī)耗電，一天耗電量不超過100kW·h。成本方面，3~5特斯拉的超導(dǎo)磁體大約150萬元，對于每天千噸級處理規(guī)模的設(shè)備，投資小于200萬元。因此超導(dǎo)磁分離技術(shù)，對于污水處理來說，是一種潛在應(yīng)用前景的技術(shù)。研究結(jié)果表明超導(dǎo)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(jī)物，本身沒有磁性，用磁分離無法有效分離。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所李來風(fēng)研究員提出了等離子鍍膜改性磁種用于超導(dǎo)磁分離技術(shù)，可有效解決以上問題。首先設(shè)計一種外置線圈、由射頻電源供電的等離子體有機(jī)聚合裝置，通過該裝置對磁種顆粒材料進(jìn)行表面等離子有機(jī)聚合改性，改性后的磁種形成各種所需的表面官能團(tuán)，這些活性基團(tuán)可與污水中非磁性有害物質(zhì)絮團(tuán)，再通過超導(dǎo)磁體的強(qiáng)磁場來實現(xiàn)分離廢水中污染物，實現(xiàn)工業(yè)污水的達(dá)標(biāo)排放。李來風(fēng)研究員及其研究小組對絮團(tuán)機(jī)制進(jìn)行了初步探討，認(rèn)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(tuán)。經(jīng)過調(diào)整磁種表面官能團(tuán)種類，可使該技術(shù)適應(yīng)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(fù)使用。

在超導(dǎo)磁分離污水處理技術(shù)中，磁種的研制是關(guān)鍵。要達(dá)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(yīng)；②盡可能低的矯頑力，減輕無外磁場時的團(tuán)聚；③適當(dāng)?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(fù)使用；④化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被腐蝕；⑤表面用適當(dāng)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(dǎo)磁分離水處理是一項前沿的新型技術(shù)，具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是繼超導(dǎo)磁體在醫(yī)用核磁譜儀、礦物磁性雜質(zhì)分離領(lǐng)域應(yīng)用后的又一有望工業(yè)應(yīng)用的新技術(shù)。隨著經(jīng)濟(jì)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(dǎo)磁分離技術(shù)不斷取得突破，其在水處理方面的應(yīng)用有望成為解決水污染問題的對癥藥方，對于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

一項超導(dǎo)磁體應(yīng)用技術(shù)研究表明，采用超導(dǎo)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(dǎo)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(yù)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(jī)、無機(jī)污染物，實現(xiàn)工業(yè)污水的達(dá)標(biāo)排放。

理化所低溫材料及應(yīng)用超導(dǎo)研究中心從2005年開始低溫超導(dǎo)技術(shù)研究，經(jīng)過數(shù)年積累，做了大量的相關(guān)基礎(chǔ)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(shè)備研制方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，布局合理，占地面積小于6m2，可設(shè)計為車載移動式，水流狀態(tài)穩(wěn)定，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，操作簡單，成為*臺超導(dǎo)磁分離水處理系統(tǒng)，開創(chuàng)了國內(nèi)超導(dǎo)磁分離技術(shù)在水處理方面應(yīng)用的先例。

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