申请日2017.11.16
公开(公告)日2018.01.30
IPC分类号C02F9/12; C02F101/22
摘要
本发明涉及一种能够规模化连续回收废水中磁性纳米颗粒的方法与设备。本发明采用连续气助磁分离设备，其主要由气浮柱和磁辊构成。气浮柱中首先泵入无磁颗粒的清液至液面与磁辊刚好接触，开通气阀，控制气体连续通过气浮柱，然后将充分悬浮的吸附污染物的磁颗粒废水溶液连续泵入气浮柱中，上升气泡连续对磁颗粒进行捕获并富集，在磁力作用与气泡对其施加的表面力作用下，磁性纳米颗粒被磁辊连续导出，在刮板的作用下进入接收槽，底部清液从出口经U型调节管流入料液接收槽，从而实现磁性纳米颗粒的规模化连续回收。本发明能连续化操作且易于放大，使用低场永磁铁且操作成本和设备成本低廉，能有效解决磁颗粒回收过程中难以连续与放大的问题。
摘要附图
权利要求书
1.一种能够规模化连续回收废水中磁性纳米颗粒的方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用连续气助磁分离设备，所述设备包括带有曝气功能的气浮柱和设置于其顶部的能够调速并能连续转动的磁辊，首先向气浮柱中泵入无磁颗粒的清液至液面与磁辊刚好接触，开通气阀，控制气体以一定流速连续通过气浮柱，然后将在搅拌下已充分悬浮的吸附污染物的磁性纳米颗粒废水溶液连续泵入气浮柱中，在气泡施加的表面力作用下，磁性纳米颗粒随气泡一起上升并富集到液面形成磁性纳米颗粒溶液富集区，最后在磁力作用下，磁性纳米颗粒被磁辊捕集并连续导出，在刮板的作用下进入磁性纳米颗粒接收槽，底部清液从清液出口经U型液位调节管流入清液接收槽，从而实现磁性纳米颗粒的规模化连续回收。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，污染物选自一种或两种以上的无机离子或有机物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，磁性纳米颗粒选自通过包埋法或表面修饰法所得的以超顺磁性纳米颗粒为基核的纳米颗粒，或通过磁场能够分离，粒径为5~500nm的纳米颗粒。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，气体选自空气或者惰性气体，通入的气体的流量控制为0~1000 L/min。
5.一种用于权利要求1至4任一项所述的方法的连续气助磁分离设备，其特征在于，包括气浮柱和磁辊，气浮柱的顶部设置磁辊，气浮柱的底部设有气体分布器，气浮柱的上部设置料液入口，气浮柱的下部设置清液出口;所述磁辊由变速电机驱动，由套筒和磁辊内筒构成，磁辊内筒磁路具有一定均匀表面磁场强度，套筒外设置刮板与套筒接触。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括辅助设备气体输送系统、原料液输送系统和清液颗粒输出系统，所述气体输送系统由气瓶通过管路与缓冲罐的进气口相连通，缓冲罐的气体出口通过转子流量计与气浮柱底部的气体入口相连通;所述原料液输送系统由带搅拌装置的原料液槽经管道与蠕动泵连通，蠕动泵出口与气浮柱的料液入口相连通;所述清液颗粒输出系统由上部靠近磁辊刮板的磁性纳米颗粒接收槽和下部经U型液位调节管连通气浮柱清液出口的清液接收槽构成。
7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述的气体分布器选自不同型号的砂芯漏斗或适合气浮柱形状的微孔布气管道。
8.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述的变速电机选自交流或直流输入的电机，调节速率为0~500转/分;所述的套筒由无磁不锈钢制造，可独立于磁辊内筒自由转动;所述磁场强度选自0.1~20T;所述刮板材质选自金属、塑料、合金和木头。
说明书
一种能够规模化连续回收废水中磁性纳米颗粒的方法与设备
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种能够规模化连续回收废水中磁性纳米颗粒的方法与设备。
背景技术
如何去除水体中的各种污染物对保护水环境和解决当前水环境严重污染问题具有重要的意义。在众多去除方法中，超顺磁分离技术具有简单、快速的优点，近年来已成为一个重要的研究热点，所谓超顺磁分离技术是指通过定制的超顺磁性吸附剂对目标污染物产生吸附去除，然后通过外加磁场来简单、快速地从溶液中回收这些吸附剂的技术。超顺磁性吸附剂是指以低于30nm的超顺磁性纳米颗粒为功能化基核(通过将其包覆或直接在其表面修饰)的吸附剂，纳米粒径的超顺磁性吸附剂既具有纳米吸附剂的高吸附性能又具有可通过外加磁场从溶液中低成本、快速回收的优良性能，且吸附剂回收后无剩磁，易于重新分散(超顺磁性的基本特征)，因而便于重复利用。
然而在磁性纳米颗粒吸附去除废水中的目标污染物后，如何从大体积废水溶液中高效回收这些弱磁性纳米颗粒仍是一个突出的难题。目前所普遍采用的高梯度磁分离装置存在分离规模受到磁场强度和聚磁介质容量的限制、只能间歇操作、分离成本随规模变大而显著增加和被捕获的磁颗粒难以从聚磁介质上完全清除下来等缺陷。因此开发一种既容易放大且能连续的从废水中高效回收磁性纳米颗粒的方法和装置对于磁分离技术的进一步发展和工业化应用有着非常重要的意义。
近几十年发展起来的用于水溶液中颗粒富集分离的气泡吸附分离技术，简称气浮分离技术，它是依据气泡和颗粒间表面相互作用力的原理，以气泡作为载体使溶液中的胶体颗粒等附着或吸附在“气-液”界面而与母液快速分离从而实现颗粒富集和远距离捕获的方法。它具有装置简单、易于放大、可连续操作、能耗低等优点，已在矿物、煤和塑料等颗粒的浮选分离方面有着广泛的应用。
基于此，本发明提出将气浮技术耦合到超顺磁分离技术中，即：将气泡对超顺磁性颗粒的表面作用力辅助磁场的磁力共同用于磁性纳米颗粒的捕获，以大大强化磁分离过程，使得磁分离过程易于放大，并在此原理基础上进一步开发可连续操作的高效气助磁分离设备。最终为解决废水溶液中磁性纳米颗粒的规模化回收难题提供一个可行的方法和高效的设备。本发明方法的提出将大大促进超顺磁分离技术在废水中各种污染物处理的广泛应用，特别是规模化连续应用，为该技术的进一步快速发展提供支撑。
发明内容
针对目前高梯度磁分离装置从水体中回收磁性颗粒的缺陷，本发明提供一种能够规模化连续回收废水中磁性纳米颗粒的方法与设备，通过将气泡对磁颗粒的表面力引入磁分离过程，大大强化该过程且使得其易于放大和连续，由此解决废水溶液中磁性纳米颗粒的回收过程难以放大、不可连续操作与分离成本高等难题。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种能够规模化连续回收废水中磁性纳米颗粒的方法，包括如下步骤：
采用连续气助磁分离设备，所述设备包括带有曝气功能的气浮柱和设置于其顶部的能够调速并能连续转动的磁辊，首先向气浮柱中泵入无磁颗粒的清液至液面与磁辊刚好接触，开通气阀，控制气体以一定流速连续通过气浮柱，然后将充分悬浮的吸附污染物的磁性纳米颗粒废水溶液连续泵入气浮柱中，上升气泡连续对磁性纳米颗粒进行捕获并富集到液面形成磁性纳米颗粒溶液富集区，在磁力作用与气泡对其施加的表面力共同作用下，磁性纳米颗粒被磁辊连续导出，在刮板的作用下进入磁性纳米颗粒接收槽，底部清液从清液出口经U型液位调节管流入清液接收槽，从而实现磁性纳米颗粒的规模化连续回收。
进一步地，污染物选自一种或两种以上的无机离子或有机物。
进一步地，磁性纳米颗粒选自通过包埋法或表面修饰法所得的以超顺磁性纳米颗粒为基核的纳米颗粒，或通过磁场能够分离，粒径为5~500nm的纳米颗粒。
进一步地，气体选自空气或者惰性气体，通入的气体的流量控制为0~1000 L/min。
上述方法的原理主要体现在连续气助磁分离设备中，该方法能连续化操作且易于放大，使用低场永磁铁且操作成本和设备成本低廉，能有效解决磁颗粒回收过程中难以连续与放大的问题。
一种用于上述方法的连续气助磁分离设备，包括气浮柱和磁辊，气浮柱的顶部设置磁辊，气浮柱的底部设有气体分布器，气浮柱的上部设置料液入口，气浮柱的下部设置清液出口;所述的磁辊由变速电机驱动，由套筒和磁辊内筒构成，磁辊内筒磁路具有一定均匀表面磁场强度，能快速捕获磁性纳米颗粒，套筒外设置刮板与套筒接触，便于磁性纳米颗粒刮下。通过变速电机、套筒和磁辊内筒组合的改变，可实现不同的转动速度与转动方式。
进一步地，所述的气体分布器选自不同型号的砂芯漏斗或适合气浮柱形状的微孔布气管道。如本领域常用的型号为G1 、G2、 G3、 G4和 G5系列的砂芯漏斗;或各种尺寸微孔径管道制成的布气器，优选能产生微小气泡的小孔径管道。
进一步地，所述的变速电机选自交流或直流输入的电机，调节速率为0~500转/分;所述的套筒由无磁不锈钢制造，可独立于磁辊内筒自由转动;所述磁场强度选自0.1~20T;所述刮板材质选自金属、塑料、合金和木头。
进一步地，还包括辅助设备气体输送系统、原料液输送系统和清液颗粒输出系统，所述气体输送系统由气瓶通过管路与缓冲罐的进气口相连通，缓冲罐的气体出口通过转子流量计与气浮柱底部的气体入口相连通;所述原料液输送系统由带搅拌装置的原料液槽经管道与蠕动泵连通，蠕动泵出口与气浮柱的料液入口相连通;所述清液颗粒输出系统由上部靠近磁辊刮板的磁性纳米颗粒接收槽和下部经U型液位调节管连通气浮柱清液出口的清液接收槽构成。
对于不同的待去除污染物体系和不同种类的磁性纳米颗粒，可通过调节外部工艺参数如：气体流速、气泡大小、料液的pH值、离子强度等提供更多数量和更小的气泡或使气泡能对磁性纳米颗粒施加更大的表面作用力，从而达到更快的回收速率、更高的连续处理量和更彻底的磁颗粒回收率。
本发明的有益效果在于：
本发明克服了现有磁分离装置存在的诸多不足，将气浮技术耦合到超顺磁分离技术中，利用气泡对磁颗粒的表面作用力与磁力共同作用对磁性纳米颗粒进行连续回收，与经典的高梯度磁分离装置相比较，该方法具有可连续化操作、易于放大、能够使用低场永磁铁且操作成本和设备成本低廉、磁颗粒易于从磁分离装置清除等优势，在磁性颗粒回收尤其是水溶液中弱磁性纳米颗粒的规模化连续回收方面具有良好的应用前景与工业上大规模废水处理工程的应用价值。