于 穎，楊秀娜，楊振宇，金 平

(中國(guó)石化大連(撫順)石油化工研究院，遼寧 大連 116045)

從某種角度來說所有物質(zhì)都具備一定磁性，按照在外部磁場(chǎng)中呈現(xiàn)的特點(diǎn)可分為：鐵磁性物質(zhì)、順磁性物質(zhì)和反磁性物質(zhì)。磁分離技術(shù)是利用元素或組分間磁敏感性的差異，在外磁場(chǎng)作用下進(jìn)行分離的一種新興技術(shù)，具有處理量大、效率高、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。近二十年來，磁分離技術(shù)已經(jīng)成為尾礦分選、生物催化、煤脫硫、污水治理等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]，在石油及化工領(lǐng)域也有較多的應(yīng)用實(shí)例。本課題簡(jiǎn)單介紹磁分離技術(shù)的原理和技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)分析該技術(shù)在石油及化工行業(yè)廢水處理、催化裂化催化劑分離和費(fèi)-托合成催化劑分離領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)未來需要重點(diǎn)關(guān)注和突破的方向進(jìn)行展望。

1 磁分離技術(shù)概述

1.1 磁分離技術(shù)原理

當(dāng)流體中的磁性顆粒通過磁場(chǎng)時(shí)，既受磁場(chǎng)的吸引力作用，又受到與磁場(chǎng)力相抗衡的各種外力作用，如流體動(dòng)力及自身重力等。磁分離的基本條件為：作用于顆粒物上的磁場(chǎng)力大于流體動(dòng)力。磁場(chǎng)力的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度、顆粒粒度和顆粒磁化系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于強(qiáng)磁性顆粒，磁化系數(shù)大，在磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度不高的條件下，仍能從流體中有效分離。對(duì)于弱磁性顆粒，則需提高作用于顆粒上的磁場(chǎng)力才能從流體中有效分離，可通過以下方式實(shí)現(xiàn)：增大磁場(chǎng)強(qiáng)度、增大磁場(chǎng)梯度、通過絮凝等方式增大顆粒粒度、通過投加磁種的方式增大顆粒的磁化系數(shù)等。

1.2 磁分離技術(shù)的分類

磁分離技術(shù)根據(jù)分離原理的差異可分為磁盤分離技術(shù)、高梯度分離技術(shù)及超導(dǎo)磁分離技術(shù)。

磁盤分離技術(shù)通過在不斷旋轉(zhuǎn)的圓盤板中嵌入永磁體吸附物料中的磁性物質(zhì)，再由刮板刮除，實(shí)現(xiàn)磁性物質(zhì)的分離，所需能耗僅是提供圓盤旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。該技術(shù)具有耗電少、占地面積小、處理能力大、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]，但由于其產(chǎn)生的磁場(chǎng)弱，對(duì)于微小顆粒的分離效率有限。因此目前的研究重點(diǎn)集中在如何通過提高磁場(chǎng)強(qiáng)度及改進(jìn)磁盤結(jié)構(gòu)提高微小顆粒的分離效率。

高梯度磁分離技術(shù)通過在均勻的磁場(chǎng)背景中裝填磁介質(zhì)以產(chǎn)生高梯度磁場(chǎng)，從而對(duì)物料中不同磁性的微粒進(jìn)行分離。該技術(shù)具有處理能力大、裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單、分離效率高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[4]，可用于高濃度液體物料中微米及納米級(jí)顆粒的分離，對(duì)于弱磁性及無磁性顆粒也有良好的分離效果[5-6]。

磁盤分離技術(shù)及高梯度磁分離技術(shù)的磁場(chǎng)來源通常為永磁體或普通電磁體，目前能夠提供的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度僅為1 T。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度低，一般通過降低處理量的方式保證磁性顆粒的分離效率。超導(dǎo)磁分離技術(shù)是近三十年興起的一項(xiàng)技術(shù)，通過超導(dǎo)材料提供的高強(qiáng)度磁場(chǎng)(3～10 T)，產(chǎn)生遠(yuǎn)超過物料自身重力及其他外力的磁力，吸附弱磁性物質(zhì)。在處理量較大時(shí)，仍能保證較高的分離效率，現(xiàn)已成功應(yīng)用于鐵礦分選和工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域[7-8]。按照超導(dǎo)體達(dá)到臨界狀態(tài)所需環(huán)境溫度的不同，超導(dǎo)磁分離技術(shù)可分為低溫超導(dǎo)磁分離和高溫超導(dǎo)磁分離[9]，其中低溫超導(dǎo)技術(shù)已有工業(yè)應(yīng)用的實(shí)例，高溫超導(dǎo)技術(shù)仍處于研究試驗(yàn)階段。

2 磁分離技術(shù)應(yīng)用于廢水處理

石油及化工行業(yè)廢水中的主要污染物為重金屬、石油類、COD、硫化物和氨氮等[10]，為適應(yīng)生產(chǎn)需要和國(guó)家日益提高的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，許多企業(yè)開始研發(fā)廢水處理新技術(shù)。磁分離技術(shù)作為一種新興的廢水處理技術(shù)，與常規(guī)的重力沉降、過濾法相比，具有分離效率高、處理能力大、能耗小等優(yōu)點(diǎn)[11]。針對(duì)廢水中的強(qiáng)磁性金屬污染物，可采用該技術(shù)直接進(jìn)行分離。而對(duì)于弱磁性或無磁性的石油類、COD、硫化物、氨氮等污染物則需要預(yù)先加入磁種，再利用磁場(chǎng)進(jìn)行分離。

2.1 磁種的分類

磁種按照其性能的不同，可分為吸附磁種、絮凝磁種和催化磁種等。

在廢水處理領(lǐng)域，常見的吸附磁種主要為鐵鹽。鐵鹽磁性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、表面積大，易吸附污染物形成沉淀，可同時(shí)處理磁性污染物和非磁性污染物。研究人員利用該磁種處理廢水中的金屬離子，取得了顯著效果[12-13]。

強(qiáng)磁性的鐵粉作為絮凝磁種在廢水處理領(lǐng)域有較多的應(yīng)用實(shí)例。鐵粉法具有分離效率高、耗能少、處理能力大等優(yōu)點(diǎn)。在廢水中同時(shí)加入鐵粉和絮凝劑，生成以磁性鐵粉為核心的絮凝狀沉淀，再經(jīng)磁場(chǎng)作用實(shí)現(xiàn)污染物與水體的分離。該磁種一般用于分離廢水中的重金屬離子[14]。

廢水處理領(lǐng)域使用較多的催化磁種為光催化劑和磁性材料的復(fù)合產(chǎn)品，用于催化氧化重金屬離子及難降解的有機(jī)污染物，具有處理量大、回收率高等優(yōu)點(diǎn)。目前，開發(fā)高效催化磁種是磁分離領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[15]。

2.2 應(yīng)用類型

2.2.1 磁盤分離技術(shù)與傳統(tǒng)的廢水處理方法相比，磁盤分離法的優(yōu)勢(shì)在于吸附面積大且速率快，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。姚明修等[16]在勝利油田草西聯(lián)合站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明磁種的粒徑及磁化強(qiáng)度直接影響磁盤的吸附能力。與目前油田常用的沉降法及過濾法相比，磁盤分離技術(shù)的污染物脫除率高。張哲等[17]采用磁絮凝技術(shù)凈化焦化廢水，考察絮凝劑及磁種的投加順序?qū)OD、氨氮脫除率的影響，結(jié)果表明以先投加磁種后投加絮凝劑的順序操作，分離效果最好。在最佳的投加量下，COD和氨氮脫除率分別達(dá)到62.5%和22.3%。吳巍等[18]采用磁盤分離裝置凈化煉油廢水，向廢水中投加絮凝劑及磁種加快磁性絮體生長(zhǎng)，再利用裝置主體上轉(zhuǎn)動(dòng)的磁盤吸附磁性絮體，最后由刮板刮除后輸入廢渣處理區(qū)，實(shí)現(xiàn)水體中污染物的分離。經(jīng)磁盤分離法處理后，廢水中COD和石油類污染物的脫除率分別可達(dá)58.5%和93.6%。

流經(jīng)磁場(chǎng)作用區(qū)的大粒徑、強(qiáng)磁性顆粒易被磁體吸附；微小的弱磁性顆粒不易被吸附或被吸附后隨磁盤的轉(zhuǎn)動(dòng)被水流不斷沖刷而流失。當(dāng)廢水的流速一定時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，磁吸附面積越大，出水水質(zhì)越好。因此，實(shí)現(xiàn)水體良好凈化效果的關(guān)鍵在于提高裝置的磁吸附能力，這主要通過改進(jìn)磁盤結(jié)構(gòu)或磁分離工藝過程實(shí)現(xiàn)。

譚國(guó)安等[19]采用兩級(jí)磁分離凈化設(shè)備分離廢水中的污染物，廢水經(jīng)預(yù)處理后首先流經(jīng)磁鼓進(jìn)行污染物的粗分離，再流經(jīng)磁盤進(jìn)行深度分離，該方法適用于高濃度廢水的磁分離凈化。倪明亮等[20]發(fā)明了一種環(huán)列式磁盤液體凈化設(shè)備，磁盤布置成平行列式。在合理的磁盤間距下，廢水進(jìn)入流道后將形成微渦流，使流道中心的磁性污染物自行流向磁盤側(cè)面被吸附。在流量一定的條件下，可減少2%～7%的磁盤數(shù)量，在保證出水指標(biāo)的同時(shí)，提高了設(shè)備效能。

2.2.2 高梯度磁分離技術(shù)高梯度磁分離技術(shù)可以直接分離廢水中微細(xì)的鐵磁性和順磁性污染物，也可以通過磁性接種、混凝等方式分離非磁性污染物。在石油及化工行業(yè)廢水處理領(lǐng)域，過濾型磁分離器即是采用了高梯度磁分離技術(shù)。過濾型磁分離器的主過濾區(qū)一般位于裝置的中心，磁體在過濾區(qū)的四周排布。主過濾區(qū)中設(shè)置多層不銹鋼格柵或堆放有導(dǎo)磁介質(zhì)的不銹鋼板，導(dǎo)磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中被磁化，在裝置內(nèi)產(chǎn)生高磁場(chǎng)梯度磁場(chǎng)，吸附磁性顆粒。Ying等[21]對(duì)磁過濾過程中磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁性顆粒大小、流體流速等參數(shù)的影響進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁性顆粒粒徑的增大、流體流速的降低，磁性顆粒脫除率提高。Karapinar[12]采用高梯度磁分離裝置分離廢水中的重金屬離子，發(fā)現(xiàn)金屬離子含量及磁種的加入量決定了裝置的磁場(chǎng)強(qiáng)度、流體流速等運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而決定了裝置的分離性能及運(yùn)行成本。姚燁棟等[22]利用高梯度磁分離裝置對(duì)低濃度的含油廢水進(jìn)行處理，采用的磁種為Fe3O4，絮凝劑為FeSO4，磁絮凝形成的污染物絮體被裝置中的導(dǎo)磁介質(zhì)吸附，進(jìn)而從水體中分離。該方法分離效率高，廢水中COD和油類污染物的脫除率高達(dá)80%。

高梯度磁分離器中的格柵孔徑越小或不銹鋼板上導(dǎo)磁介質(zhì)越細(xì)、填充量越多，分離效果越好。但磁性介質(zhì)排列越緊密，在處理含大量非磁性污染物的高濃度廢水時(shí)，磁接種、絮凝生成的磁性絮狀沉淀越易堵塞填充介質(zhì)。綜合考慮，磁性介質(zhì)的填充度控制在5%～10%[22]，在實(shí)際應(yīng)用過程中一般將高梯度磁分離工藝與其他分離工藝耦合使用。

2.2.3 超導(dǎo)磁分離技術(shù)與傳統(tǒng)的磁分離技術(shù)相比，超導(dǎo)磁分離技術(shù)具有工藝流程簡(jiǎn)單、處理量大、分離速度快等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作[23]。超導(dǎo)磁分離裝置按結(jié)構(gòu)可分為磁盤式和磁過濾式。

磁盤式超導(dǎo)磁分離裝置的主體為具有強(qiáng)磁性的超導(dǎo)體磁盤，當(dāng)污水流經(jīng)裝置時(shí)，經(jīng)磁接種、絮凝形成的磁性絮團(tuán)受到遠(yuǎn)大于阻力和自身重力的強(qiáng)磁力作用，在短時(shí)間內(nèi)吸附在磁盤表面上。并隨著磁盤轉(zhuǎn)動(dòng)到分離區(qū)，經(jīng)刮渣器刮除，排入廢渣區(qū)。磁過濾式超導(dǎo)磁分離裝置強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力將磁性絮團(tuán)吸附在多層金屬過濾網(wǎng)表面，再通過清洗、更換過濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)廢水的連續(xù)凈化。Morita等[24]開發(fā)了一種超磁分離污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁過濾器與超導(dǎo)磁體相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)污染物的深度分離。當(dāng)分離器以常規(guī)工藝運(yùn)行速度的50倍高速運(yùn)行時(shí)，性能較常規(guī)工藝提高90%。超導(dǎo)磁分離技術(shù)在宣鋼焦化廠的焦化廢水處理中實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用[25]，工藝流程如圖1所示。經(jīng)超導(dǎo)高梯度磁分離裝置處理后，廢水中COD、氨氮脫除率分別達(dá)到82%和94%。Li Luyuan等[26]采用超導(dǎo)磁分離技術(shù)處理含重金屬離子的化工廢水，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加磁種和絮凝劑聚丙烯酰胺，并延長(zhǎng)磁種的接種時(shí)間可以使廢水中金屬離子的脫除率達(dá)到92%。

圖1 低溫超導(dǎo)磁分離工藝流程

超磁分離裝置可同時(shí)吸附強(qiáng)磁性和弱磁性物質(zhì)，顯著提高了廢水凈化效率。但由于裝置運(yùn)行成本較高[27]，該技術(shù)在石油及化工行業(yè)廢水處理領(lǐng)域尚未實(shí)現(xiàn)大范圍的應(yīng)用。

2.2.4 磁分離耦合技術(shù)隨著石油及化工行業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸提高，單一的技術(shù)已難以滿足需求，需耦合多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污染物的深度分離。廢水磁分離凈化領(lǐng)域最具有代表性的耦合工藝為氣浮-磁分離工藝[28]，可應(yīng)用于含油廢水的處理，流程如圖2所示。廢水流經(jīng)氣浮單元分離部分的乳化油和分散油，再通過磁分離單元進(jìn)行高精度處理，分離細(xì)小懸浮顆粒。磁分離單元由磁吸附和磁分離兩部分組成，充分發(fā)揮磁盤分離裝置吸附面積大、速率快和高梯度磁分離裝置分離精度高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。許浩偉等[29]采用“高效溶氣氣浮-磁分離”組合工藝，以高聚合物含量的含油污水為原料進(jìn)行水體凈化試驗(yàn)。結(jié)果表明經(jīng)組合工藝處理后，污水中油和懸浮物的質(zhì)量濃度均在5 mgL以下。付法棟等[30]在污水站進(jìn)行了氣浮-磁分離技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)于油質(zhì)量濃度為150～550 mgL的污水，經(jīng)氣浮-磁分離工藝處理后，污油脫除率可達(dá)到98.5%以上。

圖2 氣浮-磁分離技術(shù)工藝流程

采用氣浮-磁分離工藝處理含油廢水，除油效果穩(wěn)定，不產(chǎn)生二次污染，有利于水的循環(huán)利用[31]。該工藝目前面臨的問題集中在含油污泥的處理及磁種的回收利用。

2.3 磁種的回收

磁分離操作完成后，磁種若不及時(shí)回收，一方面會(huì)進(jìn)一步污染水體，另一方面將造成磁性材料的浪費(fèi)。目前對(duì)于磁種回收的研究仍處于試驗(yàn)階段，研究人員一般采用離心或旋流的方式從水體中分離磁種。

Qiu Yiqin等[32]將待處理的含磁種廢液與氫氧化鈉溶液混合，在一定轉(zhuǎn)速下離心分離，再利用去離子水清洗，經(jīng)干燥得到純凈的磁種材料。戚威盛等[33]利用磁力旋流器對(duì)絮體中的磁種進(jìn)行分離回收，結(jié)果表明在適宜的進(jìn)料壓力、電流強(qiáng)度條件下，磁種的回收率可達(dá)99.5%。王鵬凱[34]通過分析旋流場(chǎng)內(nèi)絮體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果，闡明了磁力旋流器的分離機(jī)理。

磁分離技術(shù)作為一種簡(jiǎn)單、高效的水處理技術(shù)對(duì)于石油及化工行業(yè)廢水中重金屬、油類及微細(xì)懸浮物有良好的分離效果。在未來的發(fā)展進(jìn)程中，高磁場(chǎng)強(qiáng)度、高磁場(chǎng)梯度、節(jié)能環(huán)保型磁分離裝置的研發(fā)以及磁種分離、回收技術(shù)的研究將成為重點(diǎn)關(guān)注的方向。

3 磁分離技術(shù)應(yīng)用于催化裂化催化劑分離

催化裂化裝置長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，催化劑上沉積Fe，Ni，V等重金屬，常采用補(bǔ)充新催化劑的方法，保持系統(tǒng)中催化劑的選擇性和活性，同時(shí)卸出裝置中部分被污染的催化劑。Fe為鐵磁性物質(zhì)，Ni、V等為順磁性物質(zhì)，可采用磁分離技術(shù)將催化劑按重金屬含量的高低進(jìn)行分選，回收重金屬含量低，仍具有一定活性的催化劑返回裝置使用，提高催化劑的利用率[35]。

武漢新通創(chuàng)科技有限公司研發(fā)的催化劑磁分離技術(shù)及設(shè)備成功在中國(guó)石化濟(jì)南分公司催化裂化裝置實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用[36]。圖3為磁分離過程示意。首先利用振動(dòng)過濾系統(tǒng)去除大粒徑的雜質(zhì)，再將催化劑經(jīng)分布器均勻地分布在傳送帶上，傳送帶的端部安裝有高磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁輥，催化劑落入傳送帶時(shí)，磁性高的催化劑被吸附在表面，離開磁場(chǎng)后，受重力作用落入高金屬?gòu)U催化劑箱中。磁性低的催化劑在慣性的作用下，落入前端低金屬高活性催化劑箱中，返回催化裂化裝置中重新使用。應(yīng)用結(jié)果表明，低磁性催化劑回收率為60%時(shí)，催化劑比表面積提高了24 m2g；鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了18.7%；微反活性提高了12.5%。裝置液化氣、汽油、柴油等總液體收率增加1.51%，每年產(chǎn)品可新增利稅1 000萬元以上。

圖3 磁分離過程示意

此外，中國(guó)石油錦西石化分公司也成功將催化劑磁分離技術(shù)應(yīng)用在催化裂化裝置中[37]，用于分離回收重油和蠟油催化裂化催化劑，生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，低磁性催化劑回收率為40%時(shí)，催化劑性質(zhì)明顯改善，比表面積增大，金屬Ni脫除率大于20%，微反活性提高5個(gè)單位。回收利用低磁性催化劑后，產(chǎn)品收率和組成分布基本保持不變，兩套催化裂化裝置共節(jié)省催化劑支出約952.5萬元a。

采用磁分離技術(shù)分選、回收催化裂化催化劑流程簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益高且高效環(huán)保。目前催化劑磁分離裝置多為傳送帶式，占地面積大，且傳送帶較厚，吸附力強(qiáng)，影響磁輥對(duì)催化劑的磁力作用。非傳送帶式結(jié)構(gòu)磁分離裝置的研發(fā)是今后催化裂化催化劑磁分離領(lǐng)域的研究方向之一[38]。

4 磁分離技術(shù)應(yīng)用于費(fèi)-托合成催化劑分離

費(fèi)-托合成漿態(tài)床反應(yīng)器相對(duì)固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、溫度分布均勻、產(chǎn)品產(chǎn)率高、可在線裝填和卸載催化劑等優(yōu)點(diǎn)。費(fèi)-托合成反應(yīng)使用的固體催化劑分為Fe基和Co基催化劑，顆粒粒徑為20～300 μm。由于反應(yīng)生成的液體產(chǎn)物黏度大，部分微小的固體催化劑顆粒懸浮在其中，若不提前分離，容易導(dǎo)致催化劑流失，同時(shí)堵塞管路，影響后續(xù)工藝流程。

費(fèi)-托合成催化劑的傳統(tǒng)分離方法包括重力沉降法、加壓過濾法、膜分離法和超臨界分離法等，分別存在分離時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備容易堵塞、操作復(fù)雜等問題[39-40]。磁分離技術(shù)作為分離磁性微粒的最有效技術(shù)之一，在費(fèi)-托合成催化劑分離領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。磁分離技術(shù)主要分為兩類：一是通過磁場(chǎng)磁化使顆粒聚集并進(jìn)行沉降分離；二是通過磁場(chǎng)的磁力作用進(jìn)行吸附分離。

4.1 磁分離沉降法分離費(fèi)-托合成催化劑

最初設(shè)計(jì)的磁分離裝置形式是在漿態(tài)床反應(yīng)器分離區(qū)加設(shè)磁性裝置，產(chǎn)生磁場(chǎng)。在磁場(chǎng)的作用下，液體產(chǎn)物和氣體中的磁性催化劑沉降到分離區(qū)底部，實(shí)現(xiàn)催化劑與費(fèi)-托合成產(chǎn)物的分離。Saxena等[41]利用外加磁場(chǎng)分離費(fèi)-托合成液體產(chǎn)物中的固體催化劑，結(jié)果表明在適宜的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁化時(shí)間條件下，微小催化劑顆粒的沉降速率將提高50%～70%。Miao等[42]對(duì)費(fèi)-托合成產(chǎn)物中催化劑顆粒在磁場(chǎng)和重力場(chǎng)中的沉降速率進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明在磁場(chǎng)中顆粒被磁化，聚集形成大粒徑的“磁性絮團(tuán)”，沉降速率更快。

由于費(fèi)-托合成反應(yīng)器直徑大，磁體一般分布在反應(yīng)器外側(cè)，反應(yīng)器內(nèi)部磁場(chǎng)較弱，且磁化的催化劑容易團(tuán)聚，難以進(jìn)行消磁處理，影響后續(xù)操作。為確保裝置的平穩(wěn)、連續(xù)運(yùn)行，研究人員嘗試將液體產(chǎn)物引入漿態(tài)床反應(yīng)器外沉降裝置進(jìn)行催化劑的沉降分離操作，取得了顯著效果[43]。

4.2 高梯度磁分離法分離費(fèi)-托合成催化劑

高梯度磁分離技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單，磁性顆粒分離速度快，不使用化學(xué)試劑較為環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[44]。Mobil公司研發(fā)了一種高梯度磁分離裝置[45](如圖4所示)，應(yīng)用于費(fèi)-托合成液態(tài)產(chǎn)物中固體催化劑的分離。裝置內(nèi)部填充易被磁化的磁性介質(zhì)如鐵屑、鐵絲、不銹鋼等，含有催化劑的液態(tài)產(chǎn)物流經(jīng)磁分離裝置時(shí)，催化劑顆粒被吸附在磁性介質(zhì)表面，液態(tài)產(chǎn)物通過后被輸送至后續(xù)精制裝置進(jìn)行再加工。應(yīng)用結(jié)果表明，經(jīng)高梯度磁分離裝置分離后，液態(tài)產(chǎn)物中的固含量(w)由0.13%降至0.015%。

圖4 Mobil公司磁分離裝置示意

Okada等[46]采用流體力學(xué)方法，分析了高梯度磁分離過程中流體的流動(dòng)、磁場(chǎng)力和顆粒擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)分離效率的影響，并通過計(jì)算得到了裝置的整體分離效率。Oder等[47]利用高梯度磁分離裝置分離費(fèi)-托合成產(chǎn)物中磁性催化劑，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為2 000 Gs、磁化時(shí)間為240 s、產(chǎn)物進(jìn)料量為42 Lmin的條件下，催化劑顆粒脫除率可達(dá)97%。Zhang Jinli等[48]建立三維數(shù)學(xué)模型對(duì)高梯度磁分離裝置中磁場(chǎng)的磁力分布進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明磁場(chǎng)中磁力線的分布與磁分離器中格柵的排列方式和外部的磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)。在優(yōu)化條件下，費(fèi)-托合成液體產(chǎn)物中鐵磁性顆粒的含量可降至30 μgg以下，分離效率達(dá)到99.77%。

采用磁分離技術(shù)分離費(fèi)-托合成催化劑，操作簡(jiǎn)單、分離效率高且處理能力大。在實(shí)際應(yīng)用中，高梯度磁分離法分離速度快，對(duì)微小催化劑顆粒的分離精度更高，因此應(yīng)用范圍更廣。但為保證分離效果，裝置中磁介質(zhì)排布較為密集，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易堵塞，需要間斷性地?cái)嚯娺M(jìn)行反沖洗處理。目前的研究重點(diǎn)集中在保證分離精度的前提下，對(duì)磁性介質(zhì)選擇和排布進(jìn)行優(yōu)化，降低反沖洗的頻率。

5 結(jié)論與展望

磁分離技術(shù)作為一種高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的分離技術(shù)，在石油及化工領(lǐng)域的應(yīng)用極具潛力，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，其應(yīng)用效果也在逐步提高，但磁分離技術(shù)在石油及化工領(lǐng)域的應(yīng)用還存在諸多問題：①目前對(duì)于磁種回收的研究仍處于試驗(yàn)階段，若磁分離操作完成后不及時(shí)回收磁種，會(huì)進(jìn)一步污染水體，同時(shí)造成磁性材料的浪費(fèi)。②為提高磁場(chǎng)梯度，必須選擇磁飽和度高的聚磁介質(zhì)，但是為保證在裝置反沖洗過程中將磁性顆粒沖洗完全，不影響裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，必須選擇低剩磁的聚磁介質(zhì)，造成裝置運(yùn)行成本大幅增加。因此聚磁介質(zhì)的選擇難度大。③有關(guān)磁分離技術(shù)的理論研究較少，對(duì)于不同磁場(chǎng)類型及磁場(chǎng)作用方式對(duì)分離效果影響的研究不完善，進(jìn)而影響石油及化工領(lǐng)域高場(chǎng)強(qiáng)、節(jié)能型磁分離設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)。

基于上述存在的問題，為充分發(fā)揮磁分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)其在石油及化工領(lǐng)域的應(yīng)用，易脫附磁種的制備與回收，廉價(jià)、低剩磁、高磁飽和度聚磁介質(zhì)的選擇，超導(dǎo)磁分離和磁分離耦合技術(shù)領(lǐng)域新型磁分離設(shè)備的研發(fā)是研究者需要重點(diǎn)關(guān)注和突破的方向。