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超导磁分离技术作为物理分离法,已在选矿、高岭土纯化及分离煤和钢铁废水中磁性杂质等方面得到了应用。超导磁分离用于处理污水中无磁性的有机、无机污染物的研究越来越受到关注,被认为是继核磁谱仪后,超导磁体最有工业应用前景的技术。而目前限制超导磁分离技术用于污水处理的核心问题就是磁种材料。要求磁种能有效吸附水中无磁性污染物。
本论文工作针对超导磁分离污水处理对磁种材料的性能要求,开展磁种材料设计、制备及表征,采用等离子颗粒表面有机聚合改性法研制出能够有效絮凝污水中无磁性或弱磁性的有害物质的磁种。利用超导磁体产生的高梯度磁场实现了污水的净化。本论文工作对于超导磁分离技术用于污水处理,降低处理污水的固定投资和运行成本,缩短处理时间,节能降耗,实现污水的达标排放或循环利用有推动作用。
在本论文工作中,我们首先分析了流体中的磁性颗粒在梯度磁场下的受力情况,从而得到用于磁分离污水处理所用磁种的性能需求;之后用沉淀法合成了Fe3O4、γ-Fe2O3和辅助表征用的ZnO纳米颗粒。利用等离子体表面改性实现了在颗粒表面覆盖一层聚丙烯酸薄膜。通过XRD和TEM确认了颗粒的成分、晶型、尺寸,并直接观察到了颗粒表面的薄膜;红外光谱分析证明颗粒表面薄膜的成分是聚丙烯酸;振动样品磁强计测定了颗粒的磁响应,证明其磁性能可以满足磁分离污水处理技术对磁种的要求。
在分析磁性颗粒在梯度磁场下受力情况的基础上,我们搭建了由小型直流电磁铁提供磁场的Kolm型磁分离器,并对造纸厂污水进行了初步的处理实验。实验结果表明各个样品污水COD值均下降一半以上,证明所研制的磁种材料具有良好的絮凝效果。
实际污水处理装置所需要的高梯度磁场由G-M制冷机直接冷却超导磁体产生。通过计算、参数优化,我们设计了高温超导电流引线,并选择了同步整流式开关电源为超导磁体供电。经过多次冷却实验和励磁实验,磁体均能在6 T磁场下稳定可靠运行。
我们进一步设计并研制出了污水连续处理装置。其原理是用电机驱动缠绕不锈钢丝的钢丝绳,从放置在超导磁体室温孔内的U形管道连续通过,污水预先投加磁种,污染物与磁种形成絮团后在磁场作用下吸附在不锈钢丝上,被钢丝绳带出管路,经超声波清洗器洗脱后再重新进入污水管路,从而实现了污水处理的连续运行。通过对厂家提供的工业废水进行处理实验,结果表明此装置对造纸废水、采油废水、皮革废水均有较好效果。