牛梓璇，胡　源，張艷紅，洪永鑫，李　燕

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇　徐州　221116)

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磁效應(yīng)對水處理的影響研究*

牛梓璇，胡源，張艷紅，洪永鑫，李燕

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州221116)

對磁效應(yīng)在水處理中的影響進(jìn)行了闡述。內(nèi)容涉及磁效應(yīng)對水處理的物理、化學(xué)、生物等方面的影響研究，簡要介紹了磁效應(yīng)在水處理中的力學(xué)效應(yīng)、電磁協(xié)同效應(yīng)和生物效應(yīng)等。并針對磁效應(yīng)在水處理中的物理、化學(xué)、生物等方面的應(yīng)用，分析可能存在的問題，提出改進(jìn)方向。該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，研究磁效應(yīng)在水處理中的多方面應(yīng)用,能極大地改善淡水資源稀缺的問題。

磁效應(yīng)；水處理；綜合應(yīng)用

磁場處理后的水，其物理、化學(xué)、生物性質(zhì)會發(fā)生變化，微生物經(jīng)磁化處理后可提高活性及對有機(jī)污染物的吸附和降解能力[1]，磁效應(yīng)在水處理中已經(jīng)有了很多應(yīng)用，將磁場應(yīng)用于水處理的研究也逐漸增多，內(nèi)容包括機(jī)理分析、應(yīng)用方法、影響因素、裝置設(shè)計等。磁場-電場協(xié)同應(yīng)用于水處理的方式能耗低，操作簡單且二次污染少，利用磁效應(yīng)處理水極具發(fā)展前景。

1　磁效應(yīng)對水處理的物理影響

1.1水中雜質(zhì)的分類

水中雜質(zhì)從某種程度上來說主要分為本身具有磁性的物質(zhì)和本身不具有磁性的物質(zhì)兩類。磁分離的物理作用是利用污水中雜質(zhì)顆粒的磁性進(jìn)行分離。對于污水中本身具有磁性的懸浮顆粒可以通過外加磁場產(chǎn)生磁力吸出，對于污水中非磁性或弱磁性的顆粒，可以利用磁性接種技術(shù)使它們具有磁性，再通過外加磁場的作用使之與污水分離，達(dá)到去除或回收雜質(zhì)的目的[2]。

另外，水中元素大部分都不具有磁性，為使水中的元素具有一定的磁性，還可以對水施加一系列的化學(xué)反應(yīng)，以使其中的非磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)換為磁性物質(zhì)。這樣磁場就會對這些物質(zhì)產(chǎn)生作用力，從而將污水中的懸浮顆粒分離出來。

1.2磁種吸附-磁處理法

污水中有部分污染物具有磁性，但更多的污染物本身并不是磁性物質(zhì)。如果想要利用磁分離技術(shù)，就必須用磁性物(即磁種)來吸附它們，此法即磁種吸附-磁處理法。可用鐵粉、磁鐵礦、赤鐵礦及其微粒和具有磁矩的細(xì)菌(吸附鐵磁性離子)等來作磁種[3]。如果磁種是固體，一般需要投加藥劑才能達(dá)到磁種與目標(biāo)物結(jié)合的目的。目前，使用磁種和磁處理技術(shù)已可除去廢水中的油、金屬離子、非磁性固體懸浮物、營養(yǎng)物質(zhì)、有機(jī)物等[4]。

1.3磁凝聚法

在污水處理中應(yīng)用磁效應(yīng)，可以通過磁凝聚法促使固液分離。污水通過磁場，水中的磁性顆粒被磁化，形成如同具有南北極的小磁體[5]。此時磁場梯度為零，顆粒受到的合力為零，但顆粒之間能相互吸引匯聚成更大的顆粒。因為磁性顆粒具有矯頑力，所以通過磁場后仍會繼續(xù)產(chǎn)生凝聚作用。

1.4磁分離技術(shù)

磁分離技術(shù)是對物質(zhì)進(jìn)行磁場處理從而實現(xiàn)物質(zhì)分離的一種技術(shù)[6]。水處理中磁分離法的基本原理，就是通過外加磁場產(chǎn)生的磁力，吸出污水中具有磁性的懸浮顆粒，使這部分物質(zhì)與水分離，以達(dá)到回收或去除它們的目的，最終得到較為純凈的水[7]。

1.5高梯度磁分離技術(shù)

利用高梯度磁分離技術(shù)進(jìn)行水處理的工作原理是通過填充不銹鋼鋼毛作為過濾基質(zhì)，當(dāng)對高梯度磁分離器外加磁場時，由于鋼毛導(dǎo)磁率極高，鋼毛附近產(chǎn)生磁力變化形成磁場梯度。磁性顆粒通過分離區(qū)時會受磁力作用軌跡發(fā)生變化。磁化的鋼毛對液體中懸浮雜質(zhì)的磁力作用大于水流動力和顆粒本身重力作用，懸浮雜質(zhì)被截留在鋼毛基質(zhì)上，使其被去除，從而達(dá)到凈化目的，采用高梯度磁分離技術(shù)進(jìn)行水處理時，由于廢水中含有大量的非磁性懸浮顆粒，因此進(jìn)行分離之前必須加入磁種與混凝劑，經(jīng)過沉淀除去粗顆粒后再進(jìn)行高梯度磁分離[8]。高梯度磁分離還多用在對飲用水的處理，對殺菌、抑菌有更深層次的影響，細(xì)菌或被鋼毛吸附或因電流破壞細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)致死，相對于用其他消毒劑，此方法更安全，且方便簡單成本低。

2　磁效應(yīng)對水處理的化學(xué)影響

磁效應(yīng)不僅對污水的物理性質(zhì)有極大的影響，能夠?qū)⒁恍┐判灶w粒通過磁場產(chǎn)生的磁力除去，它還能提高某些催化劑的性能，并且促使水中的一些離子、分子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)?？梢岳么判?yīng)的這些特性，有效地去除各種廢水、污水中的有害或不需要的離子和分子等，以達(dá)到水處理的目的。目前有許多團(tuán)隊正在從事磁場對水處理中化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究，并且取得了一定的成績。

磁效應(yīng)對水處理的化學(xué)影響的研究，主要集中在有機(jī)磁化學(xué)領(lǐng)域。有機(jī)磁化學(xué)機(jī)理主要有：自由基對機(jī)理、建立在量子化學(xué)基礎(chǔ)上的反應(yīng)速率機(jī)理、三重態(tài)-三重態(tài)機(jī)理、三重態(tài)-偶極子對機(jī)理和三重態(tài)機(jī)理等。

孫水裕等進(jìn)行了利用磁種凝聚/磁分離技術(shù)處理Ni2+電鍍廢水相關(guān)試驗，結(jié)果表明：經(jīng)磁種凝聚/磁分離技術(shù)處理后，廢水中Ni2+的去除率高達(dá)99%以上，最終得到的NP為0.42 mg/L，結(jié)果非常令人吃驚[9]。陳瑞福研究了磁場對吸附劑吸附Zn2+、Hg2+等的影響，試驗表明，吸附劑的吸附效果要高于同等條件下沒有磁場的情況，且在一定范圍內(nèi)，吸附效果隨著磁場的增強而提高[10]。

除了以上應(yīng)用，磁效應(yīng)在電化學(xué)方面也有應(yīng)用。朱又春等在外加磁場的條件下對含CuSO4的廢液進(jìn)行了電解實驗，實驗表明，外加磁場后可以使電解電流密度提高1倍以上，除此以外還減少了濃差極化現(xiàn)象[11]。在陰極析出的Cu也比無磁的同等情況下更均勻和密致。由此可見，磁效應(yīng)確實能夠提高某些電化學(xué)反應(yīng)的速度和質(zhì)量，說明磁場-電場協(xié)同技術(shù)在水處理中能夠得到靈活運用。

3　磁效應(yīng)對水處理的生物影響

3.1磁效應(yīng)影響生物體的新陳代謝

生物體的新陳代謝是指生物活體與外界不斷進(jìn)行物質(zhì)交換的過程，包括合成代謝和分解代謝。磁效應(yīng)可以實現(xiàn)生物質(zhì)能向電能的轉(zhuǎn)化，從而影響微生物的新陳代謝。排泄代謝廢物時，磁場也會和生物體中的水發(fā)生作用，使生物體內(nèi)的水直接參與生物體內(nèi)的氧化和運送營養(yǎng)物質(zhì)等過程，從而影響生物在水環(huán)境中的生化反應(yīng)。

3.2磁效應(yīng)影響細(xì)胞膜的滲透作用

細(xì)菌進(jìn)行普通的生命活動要通過細(xì)胞膜與外界進(jìn)行物質(zhì)交換，同化作用是生物體從外界攝取營養(yǎng)物質(zhì)合成為自身細(xì)胞物質(zhì)的過程，異化作用是生物自身的或外來的各種復(fù)雜有機(jī)物分解為簡單化合物的過程，這些過程涉及細(xì)胞膜的滲透作用。磁效應(yīng)對細(xì)胞膜的滲透有影響，即影響細(xì)菌從外界環(huán)境中攝取物質(zhì)以維持自身正常的生命活動以及合成自身細(xì)胞物質(zhì)，從而影響細(xì)菌進(jìn)行正常生命活動。

3.3磁效應(yīng)影響生物體內(nèi)蛋白質(zhì)和酶的活性

生物體內(nèi)一些蛋白質(zhì)中含有微量的呈順磁性的過渡金屬原子，這些原子在磁場中受作用力，引起蛋白質(zhì)的變性而后引起催化活性的變化。酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，不同的金屬原子在洛倫茲力作用下對酶活性有抑制作用。故磁場力直接作用于細(xì)胞會使其失去活性而鈍化，從而抑制細(xì)菌的生長。

綜上，在磁場的作用下，生物細(xì)胞的新陳代謝、滲透作用以及蛋白質(zhì)和酶活性都會受到一定程度的影響，從而抑制了部分細(xì)菌的生長，對殺菌有一定的效果。實驗證明當(dāng)磁場強度達(dá)到4000 GS時,殺菌率可達(dá)20%以上。

4　磁效應(yīng)在水處理中應(yīng)用尚存在的問題

4.1磁效應(yīng)的物理應(yīng)用可能存在的問題

產(chǎn)生磁力的設(shè)備的選擇比較麻煩,需要考慮多方面的因素。利用磁性接種技術(shù)使水中部分非磁性或弱磁性的顆粒具有磁性,或是對水施加一系列的化學(xué)反應(yīng)以使其中的部分物質(zhì)轉(zhuǎn)換成磁性物質(zhì)，這個過程會比較麻煩。由于高梯度磁場的作用產(chǎn)生的感應(yīng)電流比較微弱,不易控制和應(yīng)用。

4.2磁效應(yīng)的化學(xué)應(yīng)用可能存在的問題

磁場會和生物體中的水分發(fā)生相互作用，影響生物體內(nèi)水分子參與的生物反應(yīng)。磁的作用可能會影響水中有利于我們身體健康的微量元素,使水中本來微乎其微的有利元素消失。由于磁力的影響,水中離子會有所運動,但是這樣的運動不易控制。

4.3磁效應(yīng)的生物應(yīng)用可能存在的問題

磁效應(yīng)影響水中微生物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和酶的活性,水中部分對我們有積極作用的微生物可能會收到一定程度的影響,這有悖于我們最初的目的。在應(yīng)用磁的過程中,磁可能會受到外界條件的干擾,不易控制，導(dǎo)致對生物產(chǎn)生不利影響。

5　結(jié)　語

磁效應(yīng)在水處理中的應(yīng)用有較好的發(fā)展?jié)摿Γ瑢崿F(xiàn)磁效應(yīng)在水處理中的大規(guī)模應(yīng)用，需要考慮其在物理、化學(xué)、生物應(yīng)用三個方面尚存在的問題，并加以解決。還應(yīng)更深入地對磁場作用的機(jī)理進(jìn)行研究，以期能更好地控制磁場作用的過程，到達(dá)最高效的處理效果。另外，還應(yīng)從磁效應(yīng)與其他技術(shù)聯(lián)合作用的方面多加研究，如磁電滲析水處理的方法，以拓寬磁效應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

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Study on Influence of Magnetic Effect in Water Treatment*

NIU Zi-xuan， HU Yuan， ZHANG Yan-hong， HONG Yong-xin， LI Yan

(China University of Mining and Technology，Jiangsu Xuzhou 221116, China)

The influence of magnetic effect in water treatment was summarized, which involved magnetic effect in aspects of physical, chemical and biological. A brief introduction was given to the mechanical effects of magnet, electromagnetic cooperation effects and biological effects in water treatment. According to the application of magnetic effect in water treatment in aspects of physical, chemical and biological, possible problems were analyzed, the improvement direction was put forward. This technology has widely applied in many aspects of water treatment. It can improve the shortage of fresh water resources.

magnetic effect；water treatment；application

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(No: 201510290042X)。

牛梓璇(1998-)，女，本科在讀學(xué)生，中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)。

李燕(1969-)，女，博士，中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院副教授，主要從事水污染控制相關(guān)研究。

X505

A

1001-9677(2016)016-0021-03