王军，郭军刚，范峥

(1.陕西华光实业有限公司，陕西华县714102)

(2.金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西西安710077)

(3.西北大学化工系，陕西西安710069)

高梯度磁分离法是指利用磁场中磁化基质的感应磁场和高梯度磁场所产生的磁力从反应体系中分离出目标产物的一种方法。高梯度磁分离法最早出现在20世纪早期，但是由于在当时的条件下磁分离器所能达到的磁场强度和梯度还比较低、磁场强度也不能改变等缺点使得高梯度磁分离法的应用受到了一定程度的限制，发展比较缓慢。然而，随着高梯度磁分离技术的改进和完善，电磁分离器的磁场梯度得到了大大提高，分离能力也得到了明显的增强，高梯度磁分离法开始逐渐受到世界各国的普遍关注和高度重视，理论研究不断深化。由于与传统的分离方法相比，高梯度磁分离法具有工艺简便、设备紧凑、效率高、速度快、成本低等独特优点，因此，它被广泛地应用于能源、化工、生物、医药、冶炼、环保等诸多领域。

1 研究背景

磁是一种非常普遍的现象，在我们的日常生活中随处可见，无论是电子元件、通讯器材，还是电气设备、工业装置，都可以看到磁效应和磁性材料的身影。磁分离作为磁技术的重要应用，一直以来便是人们争先研究的焦点。

有关磁分离的第一项英国专利是1792年富拉顿用来精选铁矿的，不久，美国也发表了一项工业磁选机专利［1］。从电磁式弱磁场选矿过渡到永磁式选矿这一历史性跨越标志着磁分离技术在发达国家选矿领域已经日臻成熟，感应辊式强磁选机作为上世纪20年代强磁选机家族的杰出代表，应用最为广泛，但遗憾的是这种强磁选机只有一个分选面，结构笨重且成本较高。60年代末，麻省理工学院磁体实验室科姆教授成功研制了第一台高梯度磁选设备，并提出了无铁芯高梯度磁选专利［2］，它巧妙地把铁轭包在线圈外部从而构成磁路，利用线圈内腔作为分离空间，这就极大地提高了单位重量磁分离器的处理能力，此外，它还把不锈钢导磁材料作为聚磁介质，使其在微小空间中出现较高的磁场梯度，使得弱磁性的微细颗粒甚至半胶体颗粒得到高效去除。70年代初，科姆和马斯顿合作研制的世界上第一台工业生产用高梯度分离器一经出现［3］，就以其体积小、效率高、结构简单、处理量大、维护容易、适应范围广等一系列优点，使传统的磁分离技术发生了重大变革。迄今为止，科姆－马斯顿型高梯度磁分离器已被成功地应用于诸多科学试验和实际应用中，取得了令人满意的效果。

2 基本原理

高梯度磁分离器通常由轭铁、电磁线圈和装填不锈钢毛的分离容器组成。通电时，电磁线圈产生电磁场，流过分离器的磁性颗粒在磁场中受到磁力的作用，被钢毛基质捕获。分离器的磁场力愈强，捕获磁性颗粒的可能性就愈大。理论上，磁性颗粒所受的磁场力Fm同磁场强度H、磁场强度梯度磁性颗粒的磁化率x和体积V等呈正相关关系［4］：

从上式可以看出，对于一定粒度的颗粒(V一定)来说，增大这3个参数中的任何一个都可以增大磁场力Fm。在实际工业生产中，由于增大磁场强度H要耗费大量电能，而提高磁性颗粒的磁化率x则受到材料特性的约束，因此，增大磁场力Fm往往通过增大磁场强度梯度的方法来实现［5］。

磁场强度梯度是指单位距离的磁场强度变化，它的产生主要依靠分离器中的填料来实现［6］。其方法通常是在强磁场的N极和S极之间投加大量100 μm左右的不锈钢毛，使磁力线的疏密程度发生较大变化，从而构成高梯度磁分离空间［7］。当含有磁性悬浮微粒的反应体系通过高梯度磁分离器时，磁性颗粒便会被截留下来，从而实现目标产物的分离。

3 工业应用

3.1 在废水处理中的应用

随着工农业生产的不断发展和人们生活水平的不断提高，对水的需求量也在以惊人的速度增加。因此，合理地节约用水、降低水消耗和进行污水处理是解决目前水资源短缺、水资源利用率低的一项重大课题。由于传统的化学水处理方法不仅需要消耗大量的化学药品，而且其反应产物还可能造成二次污染［8］，因此，高梯度磁分离法作为近代发展起来的一门新兴学科，在处理工业用水方面显示出独特的优点和强大的生命力。

周彤等［9］通过高梯度磁分离法对开山屯化学纤维桨厂的纸浆废水进行处理，并取得了显著的经济效益。黄自力等［10］研究了通过添加磁种和混凝剂，用高梯度磁分离技术去除污水中正磷酸盐污染物的方法，并对其一系列工艺参数进行了详细的讨论。储著玮等［11］利用高梯度磁分离技术简易、快速地回收酸性洗铜废水中的有价金属铜，并讨论了萃取剂、酸度、填充密度以及流速对回收效率的影响。姚晔栋等［4］研究了利用高梯度磁分离法处理含油废水的基本原理和工艺条件，并指出当废水含油量wo，in=(120～700)×10－6，wCOD，in=2.1×10－3时，利用高梯度磁分离法可使油和化学需氧量的去除率均达到80%左右。

糖蜜酒精废水作为大型综合性糖厂排放的主要污染物，一直以来便是制糖工业面临的一个棘手问题。糖蜜酒精废水是高浓度有机废水，其污染物主要包括悬浮在废水中的固体不溶物、油脂、蛋白质、淀粉、胶体，溶解在水中的糖、酸、碱、盐以及可能存在的病毒、病菌等。由于糖蜜酒精废水中主要含有一些有机物质，磁性很弱，几乎不具有磁性，不能直接采用高梯度磁分离法对其进行分离，因此，只有向溶液中投加适量的"磁种"才能增加体系的磁化率，有效地降低糖蜜酒精废水的色度、浊度以及化学需氧量。郑必胜等［12］通过大量试验发现，糖蜜酒精废水的处理和"磁种"的再生可以通过调节溶液的pH值来进行控制，并指出糖蜜酒精废水处理的最佳pH值为5左右，而"磁种"再生的最佳pH值则为11左右，从而为糖厂解决废水污染、促进综合利用提供了详细的科学依据。

3.2 在矿产分选中的应用

矿产资源作为人类社会最重要的物质生产资料之一，一直以来便是国民经济产业链上最重要第一环。由于我国矿产资源普遍存在着单一矿少、综合矿多的复杂局面，假如继续沿用过去那种单一开发、丢弃其他的落后开采方式，必将导致严重的环境污染和自然资源的极大浪费。因此，利用高梯度磁分离技术对矿产进行有效的分选不仅能够提高矿产资源的品位，同时，还可以变废为宝，提高矿产资源的综合利用率。

朱友益等［13］在原矿含铁33.53%、细度小于0.074 mm占70%的条件下，通过永磁立环高梯度磁选机对酒钢桦树沟铁矿的弱磁性铁矿物进行了分选，并使分选后的精矿品位达47.54%、回收率达71.50%。赣州精选厂使用高梯度磁分离法对黑、白钨混合精矿进行分离，使黑钨精矿WO3品位达到62.41%，黑钨矿的总回收率达到81.06%［14］。瑞典加尔彭贝里精选厂利用高梯度磁分离技术从铅精矿中回收铜，韶关精选厂用高梯度磁选机从钼精矿脱铜［15］，而墨西哥科拉韦拉州的赫尔库莱斯铁矿则使用高梯度永磁磁选机从尾矿中回收了大量的含铁矿物［16］。

3.3 在固体废料回收中的应用

目前，工业生产及日常生活中丢弃的固体废料主要包括工业废渣、废机动车辆、废电子电器产品、城市垃圾及其焚烧渣等。利用高梯度磁分离技术对固体废料中的有用部分进行分离和回收，不仅能够极大地节约成本，提高资源利用率，同时还可以起到保护环境、减少污染的重要作用。例如，德国Schmclzer［15］经过研究后发现，城市废料垃圾焚烧后产生的固体废渣经破碎、筛分和磁选后可以得到大量的磁性产物和有色金属物料。

4 结论

高梯度磁分离法是一种新兴的分离技术，它对于处理废水中的磁性物质而言，具有工艺简便、设备紧凑、效率高、速度快、成本低等优点，但由于其增加了"磁种"的投加、分离和再生等操作步骤，从而使得工艺过程复杂化，成本也相应提高［6］。目前，超导高梯度磁分离法作为新一代的高梯度磁分离技术，正以其耗电少、体积小等诸多优点吸引着人们的广泛关注［17，18］。高梯度磁分离法作为分离科学研究的热点和焦点之一，其主要的发展方向是开发新的"磁种"类型，探索"磁种"的分离和再生技术以及研究减少高梯度磁分离法电耗和提高处理效率的方法等［19］。相信在不远的未来，高梯度磁分离法必将迎来一个更加美好的明天。

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