磁场改变物质理化性能及其分离效果的研究进展

　　磁化现象是一种普遍存在的物理现象，人们在公元前4世纪就知道把磁石沉于井底，饮用井水以治疗疾病[1]。1945年，比利时人T.Vermeriven 获得了用磁化水减少锅垢形成的专利，并广泛应用[2]。随后各国在磁化处理这一领域进行了大量的研究，制造了许多种类的磁化装置，广泛应用于锅炉防垢、除垢，机械加工乳化液的防腐[4]，建筑业混凝土强度的增强，农业种子发芽率的提高，养殖业产品的增产增殖等各行业中。但是，由于磁化现象的多极性，即在不同的磁场强度下有不同的磁化现象，至今，人们尚未对磁化机理有透彻的认识。由于磁场能够改变物质的理化性能，故用磁场强化物质分离的相关研究和报道也日趋增多，除已得到广泛应用的高梯度磁分离技术外，已有磁场用于强化萃取、离子交换、吸附、絮凝、沉淀等分离过程的相关报道。因而，进一步加强磁场对物质理化性质影响的研究，必将加深人们对磁现象的认识，从而可将磁场引入物质的分离过程之中。

　　1 磁场引起物质性能变化的研究

　　1.1 水及水溶液

　　1.1.1 磁场可改变水的理化性质

　　磁场对许多物质体系的影响是相当显著的，典型的就是水系统[5-7]：水经磁感应强度为O.15 T、磁程为0.3 m的磁场磁化后，电导率、pH值、溶解氧含量、折射率与吸光系数变大，同时，密度、蒸发速率和粘度变小，冰点下降等。任宇航等[6]在磁场强度为0.35 T，温度为25 ℃的条件下，分别以去离子水、自来水为研究对象，测定了其加磁场前后，表面张力系数的变化情况，发现去离子水表面张力系数比磁处理前平均增加12.1%，而自来水表面张力系数比磁处理前平均增加7.7%，差别有显著意义。杨祖荣等[7]在有磁场(0.2 T)和无磁场作用的情况下，用电加热器加热自来水，连续加热100 h后，对加热棒表面生成的垢晶进行观察、测试，对比后发现，与未加磁场相比，加磁场后，垢晶量大为减少，垢晶的结构外型有明显差异。磁化水的垢晶呈排列较松的短条形棒状结构，其中掺杂有无定型的微团。未磁化水的垢晶则为排列紧密的长条形棒状结构，未见有无定型微团，结晶外形呈细针状，排列紧密。

　　1.1.2 磁场对水溶液性能的影响

　　氯化钠溶液静置磁化(0.4 T ) 8 h后的密度、电导率和表面张力都明显小于磁化前。对碳酸氢钠饱和溶液施加磁场( 0.2 T )作用，不仅对晶体粒径的长大有利，而且对增加晶体的生成量也大有益处。有磁场作用时，晶体的平均粒径比没有加磁场时要大10%-30%，晶体的生成量则增加20%-200%[8，9]。难溶性物质碳酸钙、碳酸钡、硫酸锶和硫酸钡的溶解度在磁化水中增大，碳酸锶和硫酸钙的溶解度则减小。

　　1.2 磁场对有机物性能的影响

　　1.2.1 磁场对有机物理化性质的影响

　　磁场不仅能改变水溶液的理化性质，同时也会改变有机物溶液的理化性质，赵亮[10]等将正戊烷、正己烷、正庚烷、正戊醇、正己醇和正庚醇经磁场 (0.05-0.28 T)流动磁化1.5 h后，发现表面张力有不同程度的下降，醇类的表面张力降低值一般比相应的烷烃要大。陈昭威[11]等将原油流动磁化(0.5 T)25 min后，发现其粘度下降50%，凝固点下降2-7 ℃，析蜡点下降1-3 ℃。通过显微观测和照相发现，经过磁化后的原油，其分散相液滴直径变大。

　　1.2.2 磁场对有机物结构的影响

　　磁化可以改变环氧树脂分子的网络形态。把环氧树脂放置在0.012 T的静磁场中，于100 ℃进行热固化，发现固化的环氧树脂的空间网络强化，分子排列更加规整，分子内原子的堆砌得到改善，几乎可生成bcc结晶点阵。同时固化树脂的体积电阻值也增大了1-2个数量级。外磁场对聚异戊二烯接枝微结构会产生影响。通常在异戊二烯的自由基聚合反应中，以结构较为稳定的1，4-聚合反应为主，特别是反式 1，4-聚合产物构成的。但是当外加磁场(1.2 T)时，对异戊二烯接枝链中3，4-聚合的量可高达87%[12，13]。

　　1.2.3 磁场对有机物反应速率的影响

　　磁场能够影响有机物的化学反应速率，如张淑仙[14]等在磁场中进行丙酮碘化反应：CH3COCH3+I2→CH3COCH3I+HI，随着磁场强度从 16 kA/m逐渐增大，反应速率常数降低5%-15%，直到160 kA/m后趋于缓和，但磁场的存在并不影响本反应的历程。他们还发现[15]：磁场对乙酸乙酯皂化反应的速率常数有明显的影响，随着磁场的增强，反应速率增大，到0.2 T后变化趋于平缓。

　　1.2.4 磁场对有机物燃烧的影响　　

目前磁场处理燃料油及燃烧节能技术已被美、日、西欧和前苏联等国家和地区大量应用，初步研究表明[16]燃料油经磁化后可使燃烧更充分，使发动机的输出功率提高约2.1%，排出废气中氧的含量降低0.4%。戴立益[17]等以环己烷、环己烯、苯、无水乙醇、丙酮为研究对象，在一定磁场下测定其燃烧热，研究结果表明磁场作用下，确实能够提高有机物的燃烧热，且燃烧热Qp值随着磁场强度的增加有增大的趋势。

　　2 磁场作用下物质的分离性能

　　2.1 磁场强化萃取过程

　　关于磁场强化萃取国内外有一些研究，1993年，Palyska[18]报道了磁场协助溶剂萃取(Magnetic field assisted solvent extraction)，即用D2EHPA为萃取剂萃取Cu2+时，磁化萃取剂，铜的分配比可提高160倍;马荣骏等[19]用磁场作用下的三辛胺萃取钒，结果使萃取率明显提高，用磁场强化乙酰胺萃取五价砷，砷的萃取率在90%以上，可望成为分离砷的有效工业方法。孙雷等[20]用P 507作萃取剂，在不同稀土料液经过磁处理后，进行萃取，Pr3+、Nd3+的D值可提高15%左右，La3+、Dy3+的D值不变， La3+、Pr3+、Nd3+、Dy3+的萃取速度提高20%-40%，因此磁化有机相可改变各稀土元素在两相的分配比，这也使得通过磁化来提高稀土元素之间的分离系数成为可能。他们还发现磁场协助萃取可以缩短达到萃取平衡的时间，减少萃取剂萃取稀土达到饱和容量的次数，这也说明了磁化有机相可加快萃取稀土的动力学速度。

　　2.2 磁场强化离子交换

　　前苏联学者[21]将磁技术与离子交换法结合起来用于废水处理时发现，离子交换剂的交换吸收容量和交换吸附速度均大大提高，同时还可以减少离子交换剂的再生次数。李琳等[22]针对现行离子交换操作过程和离子交换树脂的不足，研制出一种新的磁性离子交换树脂，并通过磁性树脂在外加磁场下产生的梯度磁场，将磁分离技术引入离子交换系统，能快速有效地将饱和树脂同溶液分离开来，从而提高了工作效率。吴雪辉等[23]对阴离子交换树脂磁化前后脱色糖液的效率进行了对比，结果表明，磁化过程并不影响树脂的脱色效能，并且在外加磁场作用下，磁性树脂对糖液的脱色效果明显提高。费庆志[1]等研究了磁化对混合阴阳离子交换树脂电导率的影响，发现磁化水经混合树脂交换柱后，出水电导率明显比未磁化处理的出水低，平均低2倍左右，说明磁化能增加混床的离子交换容量，能延长再生周期，并且出水水质更好。

　　2.3 磁场强化吸附

　　陈瑞福[24]研究了磁场对磁性吸附剂(Fe3O4)吸附Zn2+、Hg2+的影响，磁化吸附剂的吸附量比不磁化大，并随磁场强度增大而增加。邱峰等 [25]将磁化技术引入吸附过程中，考察了磁场处理对活性炭吸附苯、硝基苯、苯甲酸、氯苯和苯酚的影响。结果表明，预磁处理能使非极性物质苯和极性较小的氯苯、苯酚在活性炭上的吸附容量减小，而使极性较大的苯甲酸和有-NO2基团的硝基苯的吸附容量增大，并且增大磁场强度能加强苯和苯甲酸的磁处理效果。涂宁宇等[26]以经过磁化的Fe3O4磁粉所提供的弱磁场为实验条件，比较了磁场添加前后，某混合菌种的生长情况及对重金属吸附效果的变化。实验结果表明，有磁场存在的情况下，微生物数目高于不加磁场的对照组，将磁场作用下培养到稳定期后期的菌种用于含铜酸洗废水的处理，去铜率比对照组高13.24%，并且磁场在高温下对菌株生长仍具有促进作用。

　　2.4 磁场强化絮凝

　　有关磁场对水体絮凝过程强化作用也有报道。克拉辛[3]提出磁场效应能够促进废水处理过程中有关化学反应物质的活性，改善了混凝效果。也有可能是水体中的悬浮物在磁场作用下接触机会增多，提高了聚结速度，增加了絮凝率。葛西利光[3]将空气以大于400 ms的流速通过磁场强度大于0.3 T的永磁场处理120-180 min，再将该空气通入已投加絮凝剂的废水中，这样可减少处理过程中絮凝剂的用量。马伟[27]等针对目前普遍使用铝盐混凝剂而带来的饮用水中铝含量偏高的问题，首次提出了利用磁场与高分子絮凝剂协同强化絮凝降低铝含量的措施，发现磁场对絮凝的作用不仅与水质的性质有关，而且与加入药剂的量和性质也有密切的关系。当pH值大于7时磁场对铝盐具有明显的“增溶”作用，而当pH值小于7时应用磁场对铝盐的絮凝有促进作用，会降低铝的残留量。熊德琪等[28]使含酚废水经过微弱磁场的磁化后，再运用絮凝氧化法进行处理，研究结果表明，应用磁化技术能够明显地改善絮凝氧化法处理含酚废水的效果，提高去酚率。

　　2.5 磁场强化沉淀

　　邱廷省[29]等将磁处理技术应用于草酸沉淀稀土浸出液过程，可提高草酸稀土的纯度，减少草酸的耗量，从而为降低离子型稀土矿山的生产成本，增加稀土的有效回收提供了一种新工艺;赵志强[30]报道了采用磁处理技术处理蒸氨废液，可以提高废液中固体颗粒的沉降速度，为蒸氨废液排放达到环保要求提供了一条新的技术途径。

　　2.6 磁分离技术的应用

　　磁分离技术是借助磁场力的作用，对磁性不同的物质进行分离的一种技术，按其在外磁场作用下的特性可分为3类：铁磁性物质、顺磁性物质、反磁性物质。其中铁磁性物质是我们通常可利用的磁种，对于水中非磁性或弱磁性的颗粒，则可利用磁性接种技术可使它们具有磁性而将其分离除去。各种物质磁性差异正是磁分离技术的基础。

　　有关磁分离技术，国内有大量相关的报道。朱又春等[31]研究了磁分离方法处理含动植物油废水的原理和工艺，发现当废水含油质量浓度为112-1 855　mg/L、 CODCr为2 800-8 020　mg/L时，磁分离方法可使油和CODCr的去除率分别达85%和75%以上;在处理厨房污水时[32]可使含油量和悬浮物从149-285　 mg/L分别降至5.2　mg/L和68　mg/L;郑必胜等[33]则研究了磁分离技术用于处理食品发酵工业废水，亦证实该方法具有分离效率高、分离速度快等特点，发酵废水的CODCr去除率可达60%。宋金璞等[34]进行的高梯度磁滤法除菌研究表明，让未经处理的松花江水和深井水直接通过高梯度磁滤器，便可去除水中的细菌和大肠杆菌，去除率在90%以上。罗漫等[35]的研究也表明磁处理具有较好的杀菌作用。此外，王龙贵[36]报道了利用从粉煤灰中回收的磁珠作磁种，加混凝剂，利用高梯度磁分离技术处理含磷废水，具有很大的优越性。

　　3 磁场作用的机理

　　①磁场能改变水的电荷分布和晶体结构，水被极化后磁场对水分子的洛仑兹力加强,导致水结构的第二水化层被挤而脱落,呈单分子水弥散于水系中, 这样使废液中的固体颗粒脱离水分子的束缚，逐渐沉下来，因此可用于强化沉淀;另外从结晶角度磁处理可使结晶的临界半径减小,易形成微晶,降低了自然沉降速度, 这样形成的悬浮“胶体”随着水流很容易被带走，因而磁化可防垢、防蜡等。②碳氢化合物在磁场中易从自旋单纯态(S态)跃到自旋三纯态(T态),而T→S跃迁被禁阻,从而使液体中处于T态的分子数增多,导致分子间氢键发生一定程度的断裂,缔合分子团发生不同程度的解体，从而改变溶液的性质(如粘度、表面张力、溶解度等)，而化学变化主要取决于化学粒子的电子自旋状态。磁场正是通过影响电子的自旋状态，从而影响溶液的性质和化学反应的讲行。③磁场将引起液体分子内的共振并诱发电偶极矩作用,使分子内部的键合发生变化或破裂,改变了分子构型,造成液体物理性质的变化;磁场的作用有利于在液体的带电粒子周围形成双电层结构,使溶液的稳定性增加。④磁场引起液体相变,由无序态变到有序态,由对称结构变为不对称结构,由网孔结构变为层状结构。⑤磁场能在液体中引起附加磁矩,从而产生附加磁场和附加能量,这些附加量的综合作用,使抗磁性液体的内聚力减少,分子势垒降低,引起物理性质的变化，如表面张力减小，粘度变化 (一般粘度下降，但浓溶液的粘度可能上升)，扩散系数增加，溶解度增大，渗透压提高等，从而有可能加速萃取和离子交换过程。⑥对于分子结构和磁性均为各向异性的液态抗磁性物质如碳酸钙类垢，磁场能够使其分子由“无序”流动转变为“有序”流动，从而产生各种有益的效应，但对于非各向异性物质如硫酸钙类垢,则无此作用[37]。

　　4 结 语

　　磁化效应能够改变水的微观状态和结构从而影响其物理、化学性质。在适当的条件下可以明显改善物质的分离性能。因此将磁化技术和工业分离技术相结合的新处理手段值得进行研究和推广应用。