磁分離技術是指利用元素或組分磁勢的差異，借助外磁場對物質進行處理，從而達到強化分離過程的一種分離技術.根據外磁場源的不同，磁分離可以分為永磁分離、電磁分離、超導磁分離;根據應用環境的不同可將其分為濕式磁分離和干式磁分離;根據磁反應器的不同可分為傳統磁分離、磁盤分離、高梯度磁分離和開梯度磁分離.因其快速高效的分離效果，特別是隨著超導磁體技術與高梯度磁技術的發展，磁分離已在尾礦分選、鋼渣回收、高嶺土脫色等領域得到了廣泛的應用，并且近
二、三十年來，磁分離在生物技術、水處理、水生態修復等領域得到了眾多的研究和應用.
不同于常規水處理技術，磁分離技術利用磁場力直接作用于污染物或目標雜質，從而將污染物脫離于原水體系，不對水體造成影響，也不會發生化學和生物的反應，具有不產生二次污染、分離速度快、占地少等顯著優勢.尤其是隨著高梯度磁分離技術和超導磁技術的出現，磁分離已成為水處理領域頗具前景的處理技術，在水處理中具有廣泛的應用潛力.因此，本文通過文獻調研，分析了目前國內外磁分離技術在水處理中的研究及應用進展，并對目前國內磁分離技術在水處理領域工程應用進行了總結，最后提出了磁分離技術在水處理領域的未來發展方向.
2 磁分離技術及其在水處理中的應用簡介
人們利用磁現象進行物質的分離具有悠久的歷史，磁分離設備的開發利用始于18世紀晚期.但由于傳統磁分離技術提供的磁場有限，直到20世紀70年代后隨著高梯度磁分離技術的出現，磁分離技術才逐漸地開始大規模的工業化應用.磁分離屬于一種新型水處理技術，并隨著更高分離效率的高梯度磁分離技術的出現和發展而逐漸展開.高梯度磁分離技術是指在磁分離器中填充一定量的磁敏感性介質，引起磁性介質周圍的磁場發生異化，產生較高的磁梯度，極大化地增加磁場力，進而提高分離的速率與效率.高梯度磁分離帶來了磁分離技術的第一次突破，有效的拓寬了其應用的范圍，特別值得說明的是磁分離在水處理領域研究和應用的開展很大程度上取決于高梯度磁分離技術的出現和發展而展開的.目前高梯度磁分離技術在高嶺土脫色、礦選、燃煤脫硫、工業廢水處理、河流修復、土壤修復以及生物技術等領域已經得到了一定的研究和應用.磁分離技術的發展也取決于磁體技術的不斷進步，經歷了弱磁選即永磁分離、強磁選即電磁分離、及超導磁分離3個階段的發展.永磁和常規電磁提供的場強有限，對于弱磁性或小顆粒物質的去除能力有限，且常規電磁運行過程中線圈部分存在較大的能耗.超導磁技術的出現一定程度上解決了上述的問題，其線圈利用超導材料制備，因此理論上運行過程中不產生能耗，僅需提供一定的液氦冷卻.因此，超導磁分離技術帶來了磁分離領域的又一次革命，不僅極大地提高了磁場強度、降低了運行能耗、提高了磁分離能力與效率、拓寬了磁分離的應用范圍，并且隨著可以提供高場強的超導磁體的應用，開梯度磁分離技術也得以在水處理領域得到較好的應用.開梯度磁分離有別于高梯度磁分離，其磁反應器中不填充介質，因而可以具有適應較高的污水負荷且不存在磁反應器污染、堵塞等問題.常規磁體由于磁場強度有限使得開梯度磁分離技術難以實現有效的分離，而超導磁體的應用可以極大地提高開梯度磁分離器的效率，進而推動其在水處理領域的應用.隨著超導磁技術的進一步發展，其應用潛力將進一步被發掘，例如，針對弱磁性的、小粒徑的甚至納米尺寸的顆粒物都具有良好的去除效果.同時，目前磁分離應用和研究的一個重要方向是超導高梯度磁分離技術，其將超導磁技術與高梯度磁分離技術相結合，進一步提高磁分離的能力，使之成為一種快速高效的分離手段.
隨著高梯度磁分離技術與超導磁設備的發展，磁分離技術在水處理領域的應用范圍不斷拓寬，目前主要應用的行業包括化工行業、冶金行業、石油及石油產品行業、餐飲行業、采礦行業、電力行業、市政工程等.然而，磁分離技術應用于水處理領域的一個重要挑戰就是廢水中大部分污染物質是無磁性的，不能通過(tōng guò)磁場直接去除，所以磁載體是影響磁分離技術在水處理領域推廣應用的一個關鍵因素.實際上，磁分離技術在生物工程、細胞工程、水處理等領域的應用大多基于磁載體，磁載體制備與應用極大地拓寬了磁分離技術的應用范圍.因此，根據有/無磁載體和磁載體種類，磁分離技術在水處理中的應用可分為以下幾類：直接磁分離、磁絮凝、磁吸附和磁催化.為了進一步開發磁分離在水處理領域的應用價值，目前研究與應用主要集中于以下幾個方面：
①高效、廉價、特異性的磁種開發及磁種回收技術;
②磁分離技術與其他技術的耦合聯用;
③磁分離機制研究及磁分離器設計;
④磁分離技術的推廣應用.
3 磁分離技術在水處理中的應用類型
3.1 磁場直接應用技術
磁分離技術直接進行水處理主要有兩個原理：
①利用磁場對廢水中磁性污染物或雜質的直接作用，實現污染物與水的分離;
②利用磁場對水中各組分的影響，如磁化水效應，通過除垢阻垢、滅菌消毒、加速膠體或絮體沉降、促進微生物活性等作用，進而實現相應物質的分離與去除.磁分離技術應用于水中磁性顆粒物的分離已有很久的歷史，自1970年代就開始應用于鋼鐵廢水處理.顆粒物磁分離的最重要限制因素是顆粒粒徑，隨著磁體技術與磁分離器結構設計的發展，場強的不斷提高，微米甚至納米級的顆粒都可以達到較理想的去除效果.Ditsch等采用電磁高梯度磁分離去除磁性納米團簇物，考察了粒徑、磁反應器長度、流速對其去除效果的影響，結果表明，增大粒徑、增加磁反應器長度和降低流速均有利于顆粒物的分離，但即使在較高流速下，該技術對大于50 nm的顆粒物都有高達99.9%的去除率，且適當增加磁反應器長度可進一步提高小尺寸顆粒物的去除率.Ha等采用超導高梯度磁分離處理熱電廠廢水，結果表明，提高磁場強度、最大化減少磁介質尺寸均可以提高磁分離效率，不但對鐵磁性顆粒有較好的去除效果，而且其它弱磁性和無磁性的顆粒也得到了很大程度的脫除.由于熱電廠和鋼鐵廠的廢水中磁性顆粒污染物含量高，通過磁分離處理可以實現有效的處理與回用，近年來我國磁分離技術不斷應用于熱電廠和鋼鐵廠的廢水處理與回用，目前國內鋼鐵行業開展研究和應用的單位主要有寶鋼、上鋼二廠、重鋼六廠、南京鋼廠、武漢鋼院、長沙礦冶研究院等.隨著水處理領域磁分離技術研究與應用的不斷發展，磁分離過程中顆粒的運動過程及其分離機理也日益得到了關注，研究者通過計算機模擬和實驗相結合的手段，對磁分離的機制了解不斷深入，逐漸完善了磁分離理論，但是隨著磁分離技術應用于極細顆粒及磁載體-污染物復合結構的分離，上述相關模型仍需要進一步優化和驗證.
磁化除垢技術是另外一項得到較多研究和應用的磁場直接應用技術，無需投加任何藥劑、無毒無污染、能有效防止管道和設備結垢，且投資少、操作簡單，是一種高效節能、環保型工業水處理技術.雖然磁化除垢技術的機理和效應尚存爭論，但基本的共識是磁場可以改變CaCO3、CaSO4·2H2
O、SiO2、BaSO4、SrSO4、Ca32、鐵鋁的氫氧化物等常見污垢組成物質的分子晶型，引起靜電排斥力，使其不易吸附在管壁或爐壁形成污垢.Baker等采用磁化阻垢技術預處理RO進水以減輕膜污染，并認為磁化水可以改變CaCO3沉淀的構型，進而防止其在RO膜及PVC管道上的沉積.Li等利用超聲時域反射法在線分析了電磁場（electromagnetic field)對納濾膜表面CaCO3污染的影響，發現經過磁處理后膜污染層變薄且疏松，膜通量降低速度變慢，膜污染問題得到改善，這表明磁場對CaCO3的晶體結構和沉積形態有顯著影響.國內在磁阻垢機理、磁阻垢器的設計與研究上也開展了一定的工作并取得了一定的進展.羅漫等考察了水中堿度、硬度以及水流速對磁場阻垢過程的影響，認為雖然目前磁場除垢機理仍不明確，但存在磁場的除垢效果.劉有昌等通過靜態實驗，研究了Ca2+和Mg2+的總濃度、堿度、pH值、SO42- 對磁化水抑垢效果的影響，優化了除垢阻垢的條件，認為磁化水的作用之一是通過增大成垢離子的水合作用而達到抑垢效果，另一個原因是磁化引起的CO2溶解度變化改變了鈣鎂碳(C)酸鹽的平衡而達到了阻垢作用.羅燕等將磁除垢技術用于反滲透的預處理，發現可以改變成垢物質在膜面的結晶形式，減緩膜污染速率，從而提高膜通量、延長膜使用壽命.
經過磁場作用，水的物理化學性質會發生改變，這進而對水及其各組分的溶解、結晶、聚合、潤濕、凝固、蒸發性質及微生物系統產生一定的影響，因此，經過磁場處理的水被稱為磁化水.利用磁化水的性質是磁技術在水處理中直接應用的一個重要方向，也被認為是磁場具有阻垢性能的一個重要原因.磁場可以改變水中膠體的穩定性，導致膠體的沉淀，從而可以應用于這一類污染物質的去除.但這一點目前尚存爭論，也有研究者發現磁場會降低某些膠體絮凝的速率.另外，磁場被證明可以影響微生物的行為，其生物效應在水處理領域也得到了一定的研究.水中的部分細菌在磁場中可感受電流作用，當感應電流足夠大時會破壞細胞，使得蛋白質變性或破壞酶活性，進而達到滅菌效果研究了恒定磁場對大腸桿菌的殺菌效果，發現磁場對大腸桿菌具有滅活作用，且其強度和菌株特征、溫度、處理時間等條件相關.磁場具有殺菌作用的另一個原因是磁種材料對微生物的吸附以及少量特異微生物自身的趨磁性.同時，在水處理領域還發現磁場對生物處理工藝中微生物種群分布及生物活性有顯著影響，進而增強影響處理效果.
總體而言，磁場直接應用于水處理的原理在于其對水中各組分的影響，主要分為磁性顆粒的去除及磁化水效應的利用.但目前而言，由于大多數的水污染物無磁性，因此直接分離存在比較大的限制，現有的磁場直接應用主要是針對一些電廠廢水、鋼渣廢水、尾礦廢水等.而磁化水的生化效應及除垢的機理仍沒有得到明確的解釋且存在一定的爭議，雖然其已經得到了一定的應用且帶來了一定的生產(Produce)價值，但這方面的研究工作還需要深入開展.
3.2 磁絮凝-磁分離技術
針對廢水中無磁性或弱磁性的污染物，僅通過磁場無法取得理想的分離效果，需要投加磁載體，將其與污染物質結合，而后通過磁場作用達到去除污染物的目的.磁絮凝-磁分離技術是將絮凝與磁分離相結合的一種分離手段，主要包括絮凝和磁分離兩個過程，可通過兩種方法實現：
①通過同時添加磁種和絮凝劑，依靠絮凝劑進行絮凝，包含磁種的絮體在磁場條件下得到分離去除;
②通過添加具有絮凝功能的特異性磁種，通過磁種表面的特異性基團實現絮凝，并最終通過磁場進行分離，常見的磁絮凝-磁分離工藝如圖 1所示，主要包含磁種添加、絮凝劑添加、磁混凝、絮體磁分離及磁種回收等過程.
圖 1磁絮凝-磁分離處理(chǔ lǐ)高濁廢水流程圖
磁絮凝-磁分離技術可以有效去除水中的色度、濁度、有機物、懸浮顆粒、重金屬、氮磷和放射線污染物，是一種非常有效的新型水處理技術.如表 1所示，磁絮凝-磁分離技術可以有效去除水中的顆粒物和有機物，特別是將磁絮凝與高梯度磁分離技術相結合，目前已在廢水處理領域得到了一般應用.Chin等利用磁絮凝-磁分離技術去除化學機械拋光廢水中的二氧化硅納米顆粒物，結果表明，在800 G外加磁場下，不僅處理后的廢水濁度降到1 NTU，濁度去除率高達99%以上，而且磁種可以回收并多次使用.同時他們發現納米磁粉的分散性對顆粒物間的充分碰撞至關重要，同時pH也是影響磁分離效率的一個重要因素.趙紅花等將磁絮凝-磁分離技術應用于城市污水處理研究，結果表明在15 min之內SS去除率達到80%以上，可以顯著減少沉淀池體積.王利平等利用磁絮凝-磁分離技術處理含油廢水，并考察了混凝劑、助凝劑、磁種添加對其處理效果的影響，結果表明，
①對于含油量100～200 mg·L-1的含油廢水，除油率可達83%以上，出水濁度低于7 NTU;
②載磁絮體結構更緊密，縮短了沉降所需時間，提高了絮凝效率，不僅易于實現固液的磁分離，并降低了磁性污泥的含水率.孫鴻燕等將磁絮凝-磁分離技術應用于餐飲廢水的處理，發現磁種的添加有助于縮短廢水分離時間，并使污泥體積減少一半，同時提高了COD的去除率，例如，高COD廢水的COD去除率高達98%，低COD濃度廢水也能夠達到83%的COD去除率.管大祥等將磁絮凝應用于煤制油廢水的處理，發現磁絮凝處理煤制油廢水的效果優于傳統的混凝，磁粉的加入可使絮體形成快且大而密實，進而縮短了絮體沉降時間，COD和濁度的去除率分別達到了56.9%和99.7%.磁絮凝也被應用于其他含高濃度有毒有害有機物工業廢水及豬場養殖廢水的處理，取得了不錯的處理效果.磁絮凝-磁分離技術對重金屬和磷等污染物具有較好的去除效果，是重金屬廢水處理與資源回收的一種有效手段.Li等采用開梯度磁分離作為預處理技術，利用磁種絮凝-超導高梯度磁分離技術處理含A
S、PO3-4廢水，都取得了98%以上的去除效果.康小紅等開展了磁絮凝去除工業廢水中銅離子的試驗研究，取得了良好的處理(chǔ lǐ)效果，當絮凝劑聚合硫酸鐵的投加量為100 mg·L-1，pH 8.0，沉淀時間20 min，磁粉投加量400 mg·L-1 時，銅離子去除率超過了97%，出水銅離子濃度低于0.5 mg·L-1.
表 1 磁絮凝-磁分離技術在水處理中的研究與應用案例
磁絮凝-磁分離技術不但應用于工業廢水處理，而且在河湖生態修復中也有一定的研究與應用，尤其對磷和浮游生物均具有一定的去除效果.北京市政院開展(kāi zhǎn)了“高梯度磁分離水處理技術的研究”，通過在污染渠水中投加磁鐵粉和混凝劑，大幅提高了沉降速度，出水中總磷、色度、濁度、細菌等有明顯改善，相較傳統處理方式有很大優勢.
總之，磁絮凝-磁分離技術綜合了混凝與磁分離的特性，對一些顆粒型污染物、高分子有機物、重金屬類物質、磷酸鹽類離子具有較好的去除效果，目前已經得到了廣泛應用，但由于無法去除大多數離子及小分子類有機物污染物，其推廣應用存在一定的限制.
3.3 磁種吸附-磁分離技術
投加磁載體，然后通過物理或化學的方法將污水或廢水中的污染物質與之結合或者降解，最后利用外加磁場將磁載體-污染物復合體進行有效分離，這是磁分離在水處理中的一個重要手段.往水中添加磁種和絮凝劑是一種非常有效的方法，但對于很多離子或溶解性的有機污染物特別是小分子有機物，很難通過絮凝將其與常規的磁種結合起來，因此無法通過后續的磁分離達到去除的目的.常規磁種如磁鐵礦、赤鐵礦以及納米Fe3O4等雖存在一定的吸附能力和微污染物去除效果，但是常規磁種的吸附位點有限且無選擇性，直接處理生活污水和工業廢水很難達到理想的效果，而將傳統的吸附技術與磁分離結合是一種有效的解決方法.如表 2所示，磁吸附劑制備及其在水處理中的應用相當廣泛.磁種吸附-磁分離技術的核心在于制備具有優良吸附性能的特異性磁種，可通過化學沉積、共沉淀、水熱法、包被等方法在磁種表面加入一些特定的功能性物質或化學基團以增加磁種的吸附能力，常見的吸附磁種主要有磁核型、磁殼型及均勻分布型，主要和制備工藝相關.這種特異性的結合可有效拓寬磁種吸附-磁分離技術的應用范圍，目前該技術已應用于水中重金屬離子、有機物、無機物、放射性物質的去除，并達到了較理想的效果.Kim等利用氨基功能化介孔硅材料與磁鐵礦制備功能化的磁種，將介孔硅材料作為吸附功能層進行Cu2+吸附試驗研究，發現它的Cu2+吸附容量達到0.5 mmol·g-1，且可以通過磁場快速回收磁種材料.Wei等利用共沉淀法制備磁性鐵鎳氧化物并將其應用于含Cr6+、Ni2+混合廢水中Cr6+的回收與再利用，發現在pH=5時它的Cr6+吸附量為30 mg·g-1，主要吸附機理為離子交換.Monier等采用水/油乳液交聯技術制備交聯型殼聚糖-丁酮肟磁樹脂，發現其對Cu2+、Co2+、Ni2+的吸附量分別可達95±4、60±1.5和47±1.5 mg·g-1，并且通過乙二胺四乙酸處理可以實現84%以上的再生.Wang等通過共沉淀法制備Fe3-xLaxO4納米復合吸附材料并將其應用于剛果紅廢水的處理，通過摻加鑭元素，極大地提高了磁種材料對剛果紅的吸附能力，且摻加La后磁種依然表現出良好的鐵磁性能.張曉蕾等采用共沉淀法制備殼-核結構的磁性吸附劑Fe3O4/MnO2并用于除鉛，最大吸附量可達142 mg·g-1.王雪等制備了Fe3O4@SiO2-NH2磁性復合材料用于水中單寧酸吸附，吸附能力可達85.18 mg·g-1，主要吸附機理為氨基與單寧酸上酚羥基的反應.總體來說，磁性復合吸附材料的研究是近年來非常熱門的研究方向，依托磁核材料易分離特性與吸附材料的吸附性能，可高效去除水中有機污染物、重金屬離子、放射性污染物等.同時，特異性的趨磁微生物也作為一種有效的磁種并得到了一定的關注.Watson等利用兩種硫酸鹽還原菌作為吸附材料進行了水中重金屬離子的吸附研究，該細菌代謝過程中會產生磁性硫化鐵，因此可以達到多種金屬離子的吸附，并通過高梯度磁分離去除重金屬離子.
表 2 磁吸附劑制備及其在水處理中的應用研究
圖 2 3種特異型磁種示意圖及核殼結構磁種TEM圖是解決催化劑回收的一個有效途徑，近年來日益得到重視.常見的磁種催化劑結構如圖 2所示，由于兼具催化劑的催化降解性能及磁性材料的易分離性，不僅可以有效地實現相應污染物的去除及催化材料的回收與再利用，而且可以降低納米催化劑的環境健康風險.
表 3 磁性催化劑制備及其水處理應用研究
TiO2是一種常見的光催化劑，催化效果良好，目前有關磁性TiO2催化劑的研究較多.Fu等制備了核-殼結構的TiO2/CoFe2O4、TiO2/BaFe12O19復合磁性催化材料，并應用于紫外光催化降解染料普施安紅MX-5B的研究，發現具有一定的降解效果，例如，隨著TiO2/CoFe2O4比例的增加催化效果增加，當TiO2質量比達95%時可以達到接近純TiO2的降解效果.Su等通過共沉淀-煅燒的方法制備了TiO2/SiO2/Fe3O4復合催化劑并應用于苯甲酸的降解研究，發現在pH=3、煅燒溫度750℃的制備條件下可以達到近97%的去除效果，同時在磁場下催化劑的回收率可達90%以上.Xu等制備了Ag-TiO2/SiO2/Fe3O4復合磁性催化劑，并對其表面進行了鍍銀處理以增強催化劑的降解能力，研究了銀含量對光催化降解Orang II染料效果的影響，發現Ag含量為0.5%時制備的復合磁性催化劑表現出最佳的降解效果，且其在多次的再生循環之后依然可以保持比較高的降解效果.除了TiO2，其它的催化材料也被應用于磁性催化劑的研究.Zhang等利用共沉淀法制備了Fe3O4/BiOCl納米復合材料并作為磁性光催化劑應用于若丹明B和亞甲基藍染料的降解，能夠達到近100%
