磁分离技术作为一种新兴的分离技术具有处理量大、效率高、选择性好以及处理过程中不产生二 次污染等优势。基于磁分离技术的原理和技术特点，调研分析该技术在石油及化工行业废水处理、催化裂化催 化剂分离和费-托合成催化剂分离领域的应用现状。磁分离技术对于石油及化工行业废水中重金属、油类及微 细悬浮物有良好的分离效果；采用该技术分离、回收催化裂化催化剂流程简单，经济效益高；经磁分离技术分离 后，费-托合成液态产物中的催化剂含量显著降低。磁分离技术具有广阔的应用前景，建议在磁种回收、聚磁介 质的选择以及新型磁分离设备的研发等方面要重点关注和突破。
从某种角度来说所有物质都具备一定磁性, 按照在外部磁场中呈现的特点可分为：铁磁性物 质、顺磁性物质和反磁性物质。磁分离技术是利 用元素或组分间磁敏感性的差异，在外磁场作用 下进行分离的一种新兴技术，具有处理量大、效率 高、经济性好等特点。近二十年来，磁分离技术已 经成为尾矿分选、生物催化、煤脱硫、污水治理等 领域的研究热点［12］，在石油及化工领域也有较多 的应用实例。本课题简单介绍磁分离技术的原理 和技术特点，重点分析该技术在石油及化工行业 废水处理、催化裂化催化剂分离和费-托合成催化 剂分离领域的应用现状，并对未来需要重点关注 和突破的方向进行展望。
1.磁分离技术概述
1.1磁分离技术原理
当流体中的磁性颗粒通过磁场时，既受磁场 的吸引力作用，又受到与磁场力相抗衡的各种外 力作用，如流体动力及自身重力等。磁分离的基 本条件为：作用于颗粒物上的磁场力大于流体动 力。磁场力的大小与磁场强度、磁场梯度、颗粒 粒度和颗粒磁化系数呈正相关关系。对于强磁 性颗粒，磁化系数大，在磁场强度和磁场梯度不 高的条件下，仍能从流体中有效分离。对于弱磁 性颗粒，则需提高作用于颗粒上的磁场力才能从 流体中有效分离，可通过以下方式实现：增大磁 场强度、增大磁场梯度、通过絮凝等方式增大颗 粒粒度、通过投加磁种的方式增大颗粒的磁化系 数等。
1.2磁分离技术的分类
磁分离技术根据分离原理的差异可分为磁盘 分离技术、高梯度分离技术及超导磁分离技术。磁盘分离技术通过在不断旋转的圆盘板中嵌 入永磁体吸附物料中的磁性物质，再由刮板刮除, 实现磁性物质的分离，所需能耗仅是提供圆盘旋 转的动力。该技术具有耗电少、占地面积小、处理 能力大、操作简单等优点,但由于其产生的磁场 弱，对于微小颗粒的分离效率有限。因此目前的 研究重点集中在如何通过提高磁场强度及改进磁 盘结构提高微小颗粒的分离效率。
高梯度磁分离技术通过在均匀的磁场背景中 装填磁介质以产生高梯度磁场，从而对物料中不 同磁性的微粒进行分离。该技术具有处理能力 大、装置构造简单、分离效率高、应用范围广等优 点可用于高浓度液体物料中微米及纳米级颗 粒的分离，对于弱磁性及无磁性颗粒也有良好的 分离效果卩6］。
磁盘分离技术及高梯度磁分离技术的磁场来 源通常为永磁体或普通电磁体，目前能够提供的 最大磁场强度仅为1 T。由于磁场强度低，一般通过降低处理量的方式保证磁性颗粒的分离效率。 超导磁分离技术是近三十年兴起的一项技术，通 过超导材料提供的高强度磁场(3-10 T),产生 远超过物料自身重力及其他外力的磁力，吸附弱 磁性物质。在处理量较大时，仍能保证较高的分 离效率，现已成功应用于铁矿分选和工业废水处 理等领域［78。按照超导体达到临界状态所需环 境温度的不同，超导磁分离技术可分为低温超导 磁分离和高温超导磁分离9，其中低温超导技术 已有工业应用的实例，高温超导技术仍处于研究 试验阶段。
2.磁分离技术应用于废水处理
石油及化工行业废水中的主要污染物为重金 属、石油类、COD、硫化物和氨氮等［0 ,为适应生产 需要和国家日益提高的污染物排放标准，许多企 业开始研发废水处理新技术。磁分离技术作为一 种新兴的废水处理技术，与常规的重力沉降、过滤 法相比，具有分离效率高、处理能力大、能耗小等 优点［1。针对废水中的强磁性金属污染物，可采 用该技术直接进行分离。而对于弱磁性或无磁性 的石油类、COD、硫化物、氨氮等污染物则需要预 先加入磁种，再利用磁场进行分离。
2.1磁种的分类
磁种按照其性能的不同，可分为吸附磁种、絮 凝磁种和催化磁种等。 在废水处理领域，常见的吸附磁种主要为铁 盐。铁盐磁性强、结构稳定、表面积大，易吸附污 染物形成沉淀，可同时处理磁性污染物和非磁性 污染物。研究人员利用该磁种处理废水中的金属 离子，取得了显著效果［1213］。 强磁性的铁粉作为絮凝磁种在废水处理领域 有较多的应用实例。铁粉法具有分离效率高、耗 能少、处理能力大等优点。在废水中同时加入铁 粉和絮凝剂，生成以磁性铁粉为核心的絮凝状沉 淀，再经磁场作用实现污染物与水体的分离。该 磁种一般用于分离废水中的重金属离子［4。 废水处理领域使用较多的催化磁种为光催化 剂和磁性材料的复合产品，用于催化氧化重金属 离子及难降解的有机污染物，具有处理量大、回收 率高等优点。目前，开发高效催化磁种是磁分离 领域的研究热点之一［15］。
2.2应用类型
2.2.1磁盘分离技术
与传统的废水处理方法 相比，磁盘分离法的优势在于吸附面积大且速率 快，可实现连续操作。姚明修等［16］在胜利油田草 西联合站进行了现场试验，结果表明磁种的粒径 及磁化强度直接影响磁盘的吸附能力。与目前油 田常用的沉降法及过滤法相比，磁盘分离技术的 污染物脱除率高。张哲等［17］采用磁絮凝技术净化 焦化废水，考察絮凝剂及磁种的投加顺序对COD、 氨氮脱除率的影响，结果表明以先投加磁种后投 加絮凝剂的顺序操作，分离效果最好。在最佳的 投加量下，COD和氨氮脱除率分别达到62.5%和 22.3%。吴巍等［18］采用磁盘分离装置净化炼油 废水，向废水中投加絮凝剂及磁种加快磁性絮体 生长，再利用装置主体上转动的磁盘吸附磁性絮 体，最后由刮板刮除后输入废渣处理区，实现水 体中污染物的分离。经磁盘分离法处理后，废水 中 COD 和 石 油 类 污 染 物 的 脱 除 率 分 别 可 达 58. 5%和 93. 6%。 流经磁场作用区的大粒径、强磁性颗粒易被 磁体吸附；微小的弱磁性颗粒不易被吸附或被吸 附后随磁盘的转动被水流不断冲刷而流失。
当废水的流速一定时，磁场强度越高，磁吸附面积越 大，出水水质越好。因此，实现水体良好净化效果 的关键在于提高装置的磁吸附能力，这主要通过 改进磁盘结构或磁分离工艺过程实现。 谭国安等［19］采用两级磁分离净化设备分离废 水中的污染物，废水经预处理后首先流经磁鼓进 行污染物的粗分离，再流经磁盘进行深度分离，该 方法适用于高浓度废水的磁分离净化。倪明亮 等发明了一种环列式磁盘液体净化设备，磁盘 布置成平行列式。在合理的磁盘间距下，废水进 入流道后将形成微涡流，使流道中心的磁性污染 物自行流向磁盘侧面被吸附。在流量一定的条件 下，可减少2%〜7%的磁盘数量，在保证出水指标 的同时，提高了设备效能。
2.2.2高梯度磁分离技术
高梯度磁分离技术 可以直接分离废水中微细的铁磁性和顺磁性污染 物，也可以通过磁性接种、混凝等方式分离非磁性 污染物。在石油及化工行业废水处理领域，过滤 型磁分离器即是采用了高梯度磁分离技术。过滤 型磁分离器的主过滤区一般位于装置的中心，磁 体在过滤区的四周排布。主过滤区中设置多层不 锈钢格栅或堆放有导磁介质的不锈钢板，导磁介 质在磁场中被磁化，在装置内产生高磁场梯度磁 场，吸附磁性颗粒。Ying等对磁过滤过程中磁场强度、磁性颗粒大小、流体流速等参数的影响进行 考察,发现随着磁场强度和磁性颗粒粒径的增大、流 体流速的降低，磁性颗粒脱除率提高。Karapinar［12］ 采用高梯度磁分离装置分离废水中的重金属离 子，发现金属离子含量及磁种的加入量决定了装 置的磁场强度、流体流速等运行参数，进而决定了 装置的分离性能及运行成本。姚烨栋等［22］利用高 梯度磁分离装置对低浓度的含油废水进行处理, 采用的磁种为Fe3O4,絮凝剂为FeSO4,磁絮凝形 成的污染物絮体被装置中的导磁介质吸附，进而 从水体中分离。该方法分离效率高，废水中COD 和油类污染物的脱除率高达80%。
高梯度磁分离器中的格栅孔径越小或不锈钢 板上导磁介质越细、填充量越多，分离效果越好。 但磁性介质排列越紧密，在处理含大量非磁性污 染物的高浓度废水时，磁接种、絮凝生成的磁性絮 状沉淀越易堵塞填充介质。综合考虑，磁性介质 的填充度控制在5%〜10%［22］,在实际应用过程 中一般将高梯度磁分离工艺与其他分离工艺耦合 使用。
2.2.3超导磁分离技术
与传统的磁分离技术相比，超导磁分离技术具有工艺流程简单、处理量 大、分离速度快等优点，可实现连续操作［3。超导 磁分离装置按结构可分为磁盘式和磁过滤式。 磁盘式超导磁分离装置的主体为具有强磁性 的超导体磁盘，当污水流经装置时，经磁接种、絮 凝形成的磁性絮团受到远大于阻力和自身重力的 强磁力作用，在短时间内吸附在磁盘表面上。并 随着磁盘转动到分离区，经刮渣器刮除，排入废渣 区。磁过滤式超导磁分离装置强磁场产生的磁力 将磁性絮团吸附在多层金属过滤网表面，再通过清 洗、更换过滤网实现废水的连续净化。Morita等 开发了一种超磁分离污水处理系统，该系统将连 续旋转的磁过滤器与超导磁体相结合，可实现污 染物的深度分离。当分离器以常规工艺运行速度 的50倍高速运行时，性能较常规工艺提高90%。 超导磁分离技术在宣钢焦化厂的焦化废水处理中 实现了工业应用［5］,工艺流程如图1所示。经超 导高梯度磁分离装置处理后，废水中COD、氨氮脱 除率分别达到82%和94%。Li Luyuan等［勺采用 超导磁分离技术处理含重金属离子的化工废水， 试验发现添加磁种和絮凝剂聚丙烯酰胺，并延长 磁种的接种时间可以使废水中金属离子的脱除率 达到92%。
超磁分离装置可同时吸附强磁性和弱磁性物 质，显著提高了废水净化效率。但由于装置运行 成本较高［27］，该技术在石油及化工行业废水处理 领域尚未实现大范围的应用。
2.2.4磁分离耦合技术
随着石油及化工行业 废水排放标准的逐渐提高，单一的技术已难以满 足需求，需耦合多种技术，实现污染物的深度分 离。废水磁分离净化领域最具有代表性的耦合工 艺为气浮-磁分离工艺［8］,可应用于含油废水的处 理,流程如图2所示。废水流经气浮单元分离部分 的乳化油和分散油，再通过磁分离单元进行高精 度处理，分离细小悬浮颗粒。磁分离单元由磁吸 附和磁分离两部分组成，充分发挥磁盘分离装置 吸附面积大、速率快和高梯度磁分离装置分离精 度高的技术优势。许浩伟等［9］采用“高效溶气气 浮-磁分离”组合工艺，以高聚合物含量的含油污水 为原料进行水体净化试验。结果表明经组合工艺 处理后，污水中油和悬浮物的质量浓度均在5 mg/L 以下。付法栋等在污水站进行了气浮-磁分离 技术现场试验，结果表明对于油质量浓度为150〜 550 mg/L的污水，经气浮-磁分离工艺处理后，污 油脱除率可达到98.5%以上。
采用气浮-磁分离工艺处理含油废水，除油效 果稳定，不产生二次污染，有利于水的循环利 用［1］。该工艺目前面临的问题集中在含油污泥的 处理及磁种的回收利用。
2.3磁种的回收
磁分离操作完成后，磁种若不及时回收，一方面会进一步污染水体，另一方面将造成磁性材料 的浪费。目前对于磁种回收的研究仍处于试验阶 段，研究人员一般采用离心或旋流的方式从水体 中分离磁种。Qiu Yiqin等［32］将待处理的含磁种废液与氢 氧化钠溶液混合，在一定转速下离心分离，再利 用去离子水清洗，经干燥得到纯净的磁种材料。 戚威盛等［33］利用磁力旋流器对絮体中的磁种进 行分离回收，结果表明在适宜的进料压力、电流 强度条件下，磁种的回收率可达99.5%。王鹏 凯［34］通过分析旋流场内絮体的运动规律，结合数 值模拟和试验结果，阐明了磁力旋流器的分离 机理。磁分离技术作为一种简单、高效的水处理技 术对于石油及化工行业废水中重金属、油类及微 细悬浮物有良好的分离效果。在未来的发展进程 中，高磁场强度、高磁场梯度、节能环保型磁分离 装置的研发以及磁种分离、回收技术的研究将成 为重点关注的方向。
3.磁分离技术应用于催化裂化催化剂分离
催化裂化装置长时间运行后，催化剂上沉积 Fe,Ni,V等重金属，常采用补充新催化剂的方法, 保持系统中催化剂的选择性和活性，同时卸出装 置中部分被污染的催化剂。Fe为铁磁性物质，Ni、 V等为顺磁性物质，可采用磁分离技术将催化剂 按重金属含量的高低进行分选，回收重金属含量 低，仍具有一定活性的催化剂返回装置使用，提高 催化剂的利用率［5］。
4.磁分离技术应用于费-托合成催化剂分离
费-托合成浆态床反应器相对固定床反应器和 流化床反应器具有结构简单、温度分布均匀、产品 产率高、可在线装填和卸载催化剂等优点。费-托 合成反应使用的固体催化剂分为Fe基和Co基催 化剂，颗粒粒径为20-300 !m。由于反应生成的 液体产物黏度大，部分微小的固体催化剂颗粒悬 浮在其中，若不提前分离，容易导致催化剂流失, 同时堵塞管路，影响后续工艺流程。费-托合成催化剂的传统分离方法包括重力沉 降法、加压过滤法、膜分离法和超临界分离法等, 分别存在分离时间长、设备容易堵塞、操作复杂等 问题［3940］。磁分离技术作为分离磁性微粒的最有 效技术之一，在费-托合成催化剂分离领域有良好 的应用前景。磁分离技术主要分为两类：一是通 过磁场磁化使颗粒聚集并进行沉降分离；二是通 过磁场的磁力作用进行吸附分离。
5.结论与展望
磁分离技术作为一种高效、环保、经济的分离 技术，在石油及化工领域的应用极具潜力，随着技 术的不断进步，其应用效果也在逐步提高，但磁分 离技术在石油及化工领域的应用还存在诸多问 题：①目前对于磁种回收的研究仍处于试验阶段, 若磁分离操作完成后不及时回收磁种，会进一步 污染水体，同时造成磁性材料的浪费。②为提高 磁场梯度，必须选择磁饱和度高的聚磁介质，但是 为保证在装置反冲洗过程中将磁性颗粒冲洗完 全，不影响装置的长周期运行，必须选择低剩磁的 聚磁介质，造成装置运行成本大幅增加。因此聚 磁介质的选择难度大。③有关磁分离技术的理论 研究较少，对于不同磁场类型及磁场作用方式对 分离效果影响的研究不完善，进而影响石油及化 工领域高场强、节能型磁分离设备的设计和研发。
基于上述存在的问题，为充分发挥磁分离技 术的优势，促进其在石油及化工领域的应用，易脱 附磁种的制备与回收，廉价、低剩磁、高磁饱和度 聚磁介质的选择，超导磁分离和磁分离耦合技术 领域新型磁分离设备的研发是研究者需要重点关 注和突破的方向。
作者简介：于颖（中国石化大连石油化工研究院）
