超导磁分离：工业废水处理新途
■原始消息
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。
该技术是由此中国科学院理化技术研究所李来风研究员领导的研究小组通过与东北大学和沈阳水务集团有限公司水业技术研发中心合作共同完成，研究报告刊登于《科技导报》杂志2009年第3期，题为“超导磁分离及在造纸厂污水净化中的应用研究”，此研究得到国家科技部“十一五”863计划和中科院海外杰出学者基金资助。（据新华网）
工业废水如不达标排放，危害颇多。然而，目前使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、能耗高等诸多问题。对于小型排污企业废水处理，这些问题则愈加突出，厂家若因建立污水处理设施投资过高，大多可能采取直排或偷排，给环境造成了更大危害。因此，开展新型、高效、低成本工业废水处理技术的研究显得重要而迫切。
———技术解析———
铁磁颗粒与污染物絮接
工业废水中一般皆为有机、无机污染物，由于这些污染物本身没有磁性，靠磁场产生的磁吸引力无法分离。研究人员设计并研制出制冷机直接冷却的超导磁体，磁场可达3.92T。利用该超导磁体对造纸厂废水进行了磁分离处理。
实验采用预先在废水中加入经过表面等离子有机聚合改性的铁磁性颗粒并与污水中非磁性有害物质絮接，通过强磁场实现水中污染物的分离。实验结果表明，经磁分离处理的废水其COD值由起始的1780mg/L降到147mg/L，净化效果良好。
———技术背景———
磁分离的发展
磁分离是一种通过磁体提供的磁场吸力来实现物质分离的技术，属于物理分离法，是上世纪70年代初在美国发展起来的一种磁分离技术，应用该法可快速地分离混合物中的磁性杂质。
但是，由于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特斯拉(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3T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。
超导磁分离的应用
采用超导磁体分离矿石、煤、高岭土等固体物质中磁性杂质已得到广泛应用，比如开采出的煤中，不可避免的存在铁屑、雷管等磁性杂质，应用超导磁分离技术可以很好地除掉这些杂质。
超导磁体分离技术，在废水分离净化中尚少采用。近年采用超导磁分离技术分离净化钢厂、铝厂等废水中磁性金属杂质颗粒，分离效果明显，但还局限在分离废水中磁性金属污染物。
对于废水中的有机、无机污染物，由于这些污染物本身没有磁性，靠磁场产生的磁吸引力无法分离；若采用预先添加磁性颗粒，则普通电磁体因磁场强度太低，只有1T左右，分离效果不明显，因而在污水处理领域一直未得到应用。
■名词解释
特斯拉：磁感应强度单位，垂直于磁场方向的1米长的导线，通过1安培的电流受到磁场的作用力为1牛顿时，通电导线所在处的磁感强度就是1特斯拉。
■数字链接
36.6%
七大水系中有一半以上的河段受到不同程度的污染。36.6%河段的水质属于五类或劣五类，其中27.9%劣五类已完全丧失直接使用的功能。
524.5亿
据2005年统计数据，废水排放达524.5亿吨，其中工业废水排放量为243.1亿吨，占46％。化学需氧量总排放量(COD)和氨氮总排放量分别为1414.2万吨和149.8万吨。
20万
今年2月20日在江苏盐城发生的水污染事件，就是因为被评为盐城市“十大标兵企业”的标新化工有限公司偷排30吨含酚钾盐废水，导致20万居民饮用水污染，给人民生活和环境造成危害。
■专家解读
解读人：李来风（中科院理化所研究员、博导）
关键点：穿脱“西服”的“磁种子”
李来风：工业废水主要来自化工厂、制药厂、造纸厂、纺织厂、发酵工业、医院、重金属工业等，其中以医药、化工和造纸行业的废水排放量最大。污水里的污染物无外乎无机、有机酸碱盐离子，或者高分子有机物。值得注意的是，这些污染物本身并没有磁性，磁铁是无法吸出无磁性的东西。
这个时候就需要用到“磁种子”，就是带有磁性的铁磁颗粒。让污染物吸附在“磁种子”上，然后被磁铁吸出，就达到了净化废水的效果。最简单的“磁种子”，就是四氧化三铁。
然而，“磁种子”进到污水里去，怎样去吸附有机的东西？吸不住怎么办？
日本人想到了一个办法———加入絮凝剂。絮凝的污染物与“磁种子”包裹在一块，通过磁场带出。可是絮凝剂本身就是络合物，还是会造成二次污染。
我们想到，在“磁种子”表面上聚合一层有机物，形成各种表面官能团，这些活性基团与污染物链接，然后再把“西服”（即吸附，由于李来风多少带些口音，笔者乍听成了“西服”）脱掉，这样“磁种子”还可以继续使用。这一灵感来自于医学上使用的靶向药物，通过磁场导向，将带有药物的磁性颗粒引导人体指定部位然后释放，好比定向炸弹。
通过研究废水成分，多数工业废水中的污染物就是这些，经过调整“磁种子”表面官能团种类，可适用于多种废水处理。
多数离子性污染物有极性，可以吸附在各种官能团上，可某些重金属污染物却不能被吸附，对此，我们想到给“磁种子”穿上一层纤维素的外衣，这些纤维素便可以吸附重金属，同样，这样的“磁种子”脱了“西服”也可以重复使用。
突破点：成本与体积的节省
李来风：传统的工业废水处理方法主要有化学法和生物化学法，这些方法的问题在于投资大、运行成本高、反应时间长、占地面积大、能耗高等。
超导磁分离处理废水设备的体积非常小，比如场强可达三至五特斯拉的磁体，加上相应的制冷设备加起来占地不过20平方米。
能耗方面，当电流达到100—200安培时，其电压很低，只有1—2伏，所以总功率相当于一两百瓦。超导磁体需要低温维持，制冷设备的压缩机功率在八九千瓦，而温度到了就不再需要额定功率运行。据估算一天耗电量小于一百摄氏度，
成本方面，超导磁体是个很成熟的技术，3到5特斯拉的超导磁体，大约需要150多万，孔径在10厘米左右，一天处理一千多吨废水，问题不大。设备都是一次性投资，磁种子材料也没有多贵。也就是说每天千吨级的处理规模投资小于200万元。
将超导磁分离技术应用在废水处理，这个技术在国内算是一种新技术。与传统的化学、生物处理法相比，单位面积小，反应时间短，处理周期短。占地仅为传统污水处理的1％，整个系统紧凑，可以灵活运输，特别适合中小型企业的污水处理。
■核心提示
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不同，不仅具有投资小、占地少、处理周期短、处理效果好等优点，还可达到普通电磁体3倍以上的磁场强度，从而提高磁分离能力，是未来极具潜在应用价值的技术。
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