超導磁分離污水處理系統研制取得新進展
近日，由中國科學院理化技術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”取得新進展，以超導磁體為核心的超導磁分離水處理系統成功運行，實現了磁分離水處理設備從無到有的突破，系統能夠自動化、長時間穩定運行。通過調試、測試，該水處理系統已能高效、快速地進行污水處理實驗，對照試驗表明，污水處理效果顯著。
目前，工業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，給環境造成危害。因此開展新型、高效、低成本超導磁分離工業廢水處理技術的研究對我國節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上取得創新進展。采用等離子有機覆膜技術在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勢，
采用這種"磁種子"材料對造紙廠廢水處理實驗表明經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。另一個技術創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可以方便地用于缺少液氦的地區，特別適合于規模小、分散的中小企業。是未來極具潛在應用價值的技術。
據了解，磁分離技術最早應用于選礦和瓷土工業，1960年前蘇聯首次用磁凝聚法處理鋼廠除塵廢水。但是永久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。近年來國內外研究人員嘗試采用超導磁分離技術分離磁性雜質，超導磁分離法與傳統的化學法、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模的設備，投資小于200萬元。因此超導磁分離技術，對于污水處理來說，是一種極具潛在應用前景的技術。研究結果表明超導磁分離技術對于富含氧化鐵雜質的鋼廠廢水磁分離凈化的效果明顯，然而該技術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、食品等工業廢水以及城鎮生活污水，由于這些廢水中的有毒有害物質大多為有機物，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，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絮團，再通過超導磁體的強磁場來實現分離廢水中污染物，實現工業污水的達標排放。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、網捕作用使污染物形成絮團。經過調整磁種表面官能團種類，可使該技術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中，高效磁種的研制是關鍵。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適當的粒徑，粒徑小則表面積較大，活性較高，能較好地與污水中污染物結合，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化學性質穩定，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合，并且通過用不同方式的表面改性來實現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，具有重要的應用前景，被認為是繼超導磁體在醫用核磁譜儀、礦物磁性雜質分離領域應用后的又一有望工業應用的新技術。隨著經濟的快速發展，環境污染和能源短缺愈發成為國家重點關注的課題。目前，我國的超導磁分離技術不斷取得突破，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，對于國民經濟發展具有重要意義。
一項超導磁體應用技術研究表明，采用超導高梯度磁分離技術可用于造紙、化工、醫藥工業廢水的凈化分離。與傳統的超導磁分離技術只能分離礦物、煤、高嶺土中磁性雜質不同，該技術通過預先加入改性的磁種子顆粒材料，從而分離工業廢水中無磁性的有機、無機污染物，實現工業污水的達標排放。
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研究，經過數年積累，做了大量的相關基礎研究探索，尤其對磁種子的研究開發，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，水流狀態穩定，系統連續運行，操作簡單，成為國內首臺超導磁分離水處理系統，開創了國內超導磁分離技術在水處理方面應用的先例。
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