基本介紹
- 中文名：磁化效應
- 外文名：Magnetization Effect
- 別稱：磁化現象
- 套用學科：物理
- 適用領域範圍：世界上的物體
- 解釋：用磁鐵將鐵變得有磁性的效應
磁化物體的方法,套用,結論,總結,
磁化物體的方法
磁化物體具體有兩種方法：
一、採用電流產生的磁場去磁化各種磁性材料；
套用
磁化技術在水處理中的套用
水經過一定強度的磁場，就成為“磁化水”。目前研究表明水磁化後會產生物理化學性質的變化，其中的機理尚不能肯定。一些學者認為磁場會破壞水原來的結構，使原來較大的締合水分子集團變成較小的締合水分子集團，甚至是單個分子。而且分子中的氫鍵也會有部分因為洛侖茲力的作用下正負離子反方向旋轉而斷裂（1）。所以磁化後的水會表現出一些性質的變化，如：pH值、密度、揮發性、溶解性、表面張力、電導率、沸點、冰點都有不同的改變，這種改變和所加的磁場大小有密切的關係（2）。磁化水因為其特殊的性質已經被廣泛的套用到工程。
早在十三世紀，人們已經注意到磁化水的醫療作用。1945年比利時韋梅朗套用磁化水減少鍋垢獲得成功並申請了專利。該技術由於裝置簡單，不需要任何化學試劑而被美國、日本和前蘇聯廣泛套用並得到發展。我國的磁化水研究開始於六十年代初，以前由於化學法水質穩定劑技術的迅速發展，使得磁水器套用推廣較慢。現在這一技術又重新獲得重視。套用對象已經涉及到建材、化工、冶金、農業、醫學等各個領域。在工業鍋爐的除垢防垢、油田的防蠟降粘等方面、醫學上的磁療等領域中的套用取得了一定的成果。近年來，如何將磁化效應與環境污染治理技術結合起來，提高污水的處理效果已逐漸引起人們的興趣。
磁化對水性質的影響機理的幾個假設和推論
磁化只是單純的物理過程，不是軟化過程。一般認為水系統進行磁處理主要是加快了溶液內部的結晶作用，從而使鹽類在受熱面上的直接結晶和堅硬沉積大大減少,起到防垢的作用。研究表明,磁場的阻垢效果同磁場強度、溶液過飽和度、流速及溶液中各種離子等均有密切的關係（4）。另外，還有一種說法認為磁處理改變了水本身的結構，從而改變了一些性狀。從這兩方面同時考慮，主要有以下的幾個假設和推斷（5）。
（1）洛侖茲力作用
水與磁流的相互移動，能夠產生感應電流，在洛侖茲力的作用下，弱極性的水分子和其他雜質的帶電離子作反向運動。該過程中，正負離子或顆粒相互碰撞形成一定數量的“離子締合體”，這種締合體具有足夠的穩定性，在水中形成了大量的結晶核心，以這些晶體為核心的懸浮顆粒可以穩定的存在於水中。
（2）極化作用
磁場的極化作用使使鹽類的結晶成分發生了變化。微粒子極性增強，凝聚力減弱，使水中原有的較長的締合分子鏈被截斷為較短的締合分子鏈和帶電離子的變形，破壞了離子間的靜電吸引力，改變了結晶條件。形成分散的穩定小晶體。
（3）磁滯效應
（4）磁力矩重新取向
在一定基團反應中，磁場影響在基團中成對的磁力矩重新取向，通過這樣的中間機理而影響其他化學反應。反應動力學發生了變化，反應結果中新得到的產品間的比例關係也發生了變化。
磁化水的裝置結構和特點
能製備磁化水的裝置稱為磁水器。按磁場形式的方式可將磁水器分為永磁式和電磁式兩種；按磁場位置又可將磁水器分為內磁式和外磁式兩種。永磁式和電磁式磁水器在間隙磁場強度相同的情況下效果相同，但各有特點。永磁式磁水器的最大優點是不需能源，同時結構簡單，操作維護方便，但其磁場強度受到磁性材料和充磁技術的限制，且存在隨時間的延長或水溫的提高而退磁的現象。電磁式磁水器的優點是磁場強度容易調節，而且可以達到很高的磁場強度，同時磁場強度不受時間和溫度影響，穩定性好，但其需要外界提供激磁電源。與內磁式磁水器相比，外磁式磁水器可能具有更大的優越性，其主要優點是檢修時不必停水及拆卸管道，也不易引起磁短路現象。
目前國內已有四項關於磁水器的專利，這些專利通過選用不同的磁性材料和水流的通路形式來達到使水磁化的目的（3）。如圖1所示的磁化水裝置外型為管狀，採用不鏽鋼管制作，兩端帶法蘭盤可與管道直接相連。磁化水裝置內部採用兩組N,S極相對的特殊合金永磁材料製成的磁棒，按照N-S，N-S排列，磁場能量很高，可高達6000高斯，使用期限為25年，磁場強度衰減率為3%，由於磁化裝置使用的是永久磁性材料，無須外加電源，不耗電能。結構簡單，不需要做任何調整，也不需要特殊的保養與維護，而且裝置安裝十分方便，並且不占地。
（5）氫鍵變形
（6）活化能改變
磁場的的影響與系統的轉化有聯繫。雖然水在磁化時獲得的能量很少，但在系統中開始和終結之間存在一個“能障”為克服這種能障必須向系統輸送相應的能量以觸發活化能。磁場短時間的作用起著“催化”水系活化能改變的作用，最終導致整個系統性質的變化。
磁化處理對水體生物效應的影響
3.1 磁化處理對藻類初級生產能力的影響及機理。
實驗表明（6），經過磁化的水體中藻類的生產能力明顯高於沒有處理的水體中的藻類。
藻類屬於光合自養型微生物，磁化處理引起其光合作用的生物效應，可以從以下幾個方面進行解釋。第一，光合自養微生物在無機環境中吸收無機鹽，利用光能同化CO2和H2O合成自身物質。而水體磁化可以使BOD,COD降低，使部分有機物礦化，礦化程度高，有利於藻類的生長。第二，磁化處理導致水體的光學性質發生變化，經過磁化處理的水比未處理的水對光的吸收率高30%，水體透光性的改善，保證了光合自養生物的能源。這是磁化處理引起藻類迅速生長的原因之一。第三，磁化水的硬度、pH值、電導率都明顯的高於非磁化水，無機鹽在磁化水中可以較好的溶解，這有利於藻類對營養鹽類的吸收。第四，磁化處理後的污水,能引起生物膜滲透性的增加,從而改善了藻類對營養物質的吸收,促進藻類的生長和生產能力的增加。
3.2 磁化處理對水中異養細菌總數的影響
異養型細菌是以有機物作為能源和碳源的一大類微生物，它的總數隨水中有機物濃度的升高而升高，所以水中異養菌總數可間接反映水中有機物的污染的程度及水的淨化程度。污水經過不同強度磁場的處理後，水中的細菌總數均明顯下降。其原因機理還沒有完全清楚，初步認為：第一，在磁場的直接作用下，引起水體BOD,COD的降低，使異養生物的能源和C素營養物質減少，導致水體異養菌的死亡速度大於增殖速度，於是出現負增長現象。第二，磁場力直接作用於細菌細胞內的水和酶，使酶鈍化或失活。
所以污水磁化處理以後，不僅直接改善其耗養特性的作用，而且磁化後的水體具有新的生物特性。
磁化用於有機廢水的處理
有機廢水處理是當前污染治理的一個普遍問題，傳統方法有活性污泥法、生物膜法、厭氧反應器法、氧化塘法等。前兩種方法是目前二級處理廠套用最廣泛的方法，其優點是技術比較成熟,運行穩定，出水可達允許排放標準，但缺點也很突出，基建投資大、運行費用高昂，尤其運行費之高，使許多單位望而生畏，無力負擔如此之高的運行費用，因此，常常對污水不加處理而直接排入江河湖海。淮河流域1994年發生的流域性污染災害，就是傳統污水處理模式費用太高所帶來的直接後果。為實現可持續性發展戰略，我國的國情要求我們必須開發一種投資少、效率高、運行費用低的污水處理技術。針對這一實際,我們在90年代初，根據磁化水能改變水的一些物理特性，改善生物機能、促進生物生長、提高農業、水產產量和治療保健等經驗，開展磁化—人工生態系統方法處理和利用有機廢水的研究（7），近10年的大量實驗研究和初步套用證明，這一方法是行之有效的，實際套用是成功的，有必要廣泛推廣，並在實用中進一步完善，以保持社會經濟可持續發展的良性循環。
（1） 去除COD的效應與分析
在水中有氧的情況下，通過改變磁感應強度、水溫、磁化流速等對各種污水進行了一系列實驗，結果表明：水溫對污水瞬間通過磁化器直接去除COD沒有影響。磁化流速2.5m/s時最好,這時對形成核磁共振比較有利，磁化去除COD的能力較強。常溫下磁化流速2.5m/s左右,磁感應強度0.262～0.315T下，上述各類污水的COD直接去除率平均醫院污水為25.4%，印染廢水為21.2%，城鎮污水為16.4% (磁化流速為2.5m/s時為20.0% )、橡膠業廢水為11.3%，造紙廢水為8.1%，葡萄糖水為17.8%，澱粉水為11.1%，氨水為 8.1%。另外，為查明瞬間磁化直接使COD減少的原因，還對去離子水、自來水和城鎮污水磁化前後的溶解氧進行測試。常溫下磁化流速2.0m/s，最佳磁感應強度0.315T，4組去離子水磁化前後的溶解氧濃度不變，磁處理對溶解氧無影響;5組自來水磁化後溶解氧略有降低，平均減少4.1%；12組城鎮污水，磁化後溶解氧平均減少24.7%。這種瞬間磁化使污水有機物降解和溶解氧減少的現象，稱磁處理污水的直接效應。這一作用並非水中微生物酶引起的有機物分解，也非磁化使水中有機物分子的化學鍵斷裂,而是磁處理引起核磁共振激活了水中的溶解氧，促使部分有機物氧化分解。這可從三個方面來分析：一是上述實驗中，葡萄糖、水、澱粉水、氨水均為蒸餾水配製，其中沒有微生物，顯然瞬間磁化使污水COD降低並非微生物酶的作用；二是水和有機物分子的化學鍵斷裂，需要消耗相當大的能量，如水分子的氫鍵斷裂需4～6千卡 /克分子的能量，如此之低的磁感應強度所提供的能量很小，無法使化學鍵斷裂；最後,B?帕特羅夫的實驗一定程度上證實了上述論斷，他使有溶解氧的水連續從感應磁場中通過，水中則產生5×10-5%的h2O2 ，這是一種很強的氧化劑，可使水中的有機物直接氧化分解。另外，我們還做了對污水多次連續反覆磁化的實驗，可見隨著磁化次數的增加，每次去除COD的比率急劇變小，並趨於水平。因此，將磁處理技術套用於實際時，應使磁處理器間水流有一段時間的恢復過程。經驗表明，水力滯留時間約2～3d以上為佳。
厭氧條件下磁化對提高水中有機物分解也有很好的效果，且更為顯著。我們取4組城鎮生活污水做實驗，溫度保持在0℃，最佳磁感應強度仍為0.315～0.368T，厭氧培養10d測試COD，表明磁化使COD的去除率提高21%～28%，平均為24.5%。其效果即使肉眼也能清楚看出，但機理尚需進一步研究。
（2）水磁處理生態效應及間接淨化影響
外加磁場對生物影響稱生物磁效應，可分為生物分子效應、細胞效應、組織器官效應及整體效應，例如病毒為單純的大分子微生物、細菌、真菌基本上為單細胞微生物、原生動物、高等生物為不同功能器官所構成，其組織器官又為細胞組成。污水中生物種類繁多，構造與功能各異，它們通過某一強度的磁場時，受到的影響也很不相同。從整體上說，有些被抑制，甚至死亡；有些被激活，加快新陳代謝和生長，間接上提高了淨化污水的作用。對此，做了以下幾個方面的系列實驗和分析（8）：
(a).污水磁化具有很強的滅菌作用。磁感應強度0.315～0.420T下，磁化流速2.0～2.5m/s，3組水樣的情況基本一致,滅菌率為74%～81%。但連續反覆磁化，滅菌率則提高不大，說明有些種類的菌群能夠抵禦磁場的作用，甚至激活其代謝能力，會更快地生長和降解有機物。磁化處理滅菌原因，可歸納為（7）：一是在磁場的直接作用下，引起BOD、COD降低,使異養微生物的能源和C素營養物質減少，導致水體異養菌死亡速度大於增殖速度，於是出現負增長現象，二是磁場力直接作用於細菌細胞內的水和酶，使酶鈍化或失活。而BOD數值的降低是細菌總數減少的反映，一方面在外加磁場直接作用下，BOD隨COD指標的降低而降低，另一方面，在外加磁場作用下，水體中功能微生物(以細菌為主 )受到影響，一部分細菌適應能力強，生命代謝活動不受到干擾,或者雖受到干擾但經過一定時間後可以恢復到正常狀態，這部分細菌以更強的適應能力生存下去，大部分細菌受到外界磁場作用下，由於體內外水的理化性質的變化(如電導率、表面張力等 )以及酶的鈍化、失活,不能適應而發生死亡現象，功能細菌數目的急劇減少，造成了BOD指標的降低，因此認為磁處理後BOD降低是水中細菌總數減少的反映。綜上所述，可以得出這樣一種認識，外界磁場作用於微生物，對微生物的影響存在有害的一面，也存在有利的一面。磁處理具有殺菌效果，當磁場強度加大到2100GS(4A)以上，可以使70%以上的細菌死亡。施加磁場可以看作微生物生存環境的突發改變，能夠經得起周圍環境及體內離子、電子傳遞速度變化的細菌繼續生存下來並且維持正常的生命代謝活動，這部分細菌具有更強的適應能力，或者說具有更強的生物活性。
(b).活性污泥磁化會明顯提高其活性，從而增強污水的處理效率。我們取7組活性污泥，在37℃恆溫下觀測不同磁強處理後的甲基蘭脫色時間，表明0.367T下脫色時間由無磁化的29h減少至24h，污泥活性增強17%，原因就在於磁化後生存下來的微生物有更大的增殖和代謝能力。為證明這一論斷，又取3組造紙中段廢水稀釋水樣，分別在不磁化和磁化處理後標準溫度下培養，測得它們的BOD5，後者均比前者高,平均高13%，可見磁處理既有滅菌作用，也有激活某些功能微生物的作用，並加速有機物的降解。
(c).磁化使藻類光合作用大大增強,顯著地提高了水中的溶解氧。常溫下取2組同樣的污水實驗，3天后磁化水中綠藻生長旺盛，非磁化水幾乎看不到藻類。另外，又取3組生活污水用明暗瓶對比實驗磁處理對藻類產氧能力的影響，都表明磁感應強度0.367T時污水的藻類產氧能力最高，比非磁化的平均高出1.1倍，按藻類固炭生產力與產氧能力的關係推算，藻類的生產力也將提高1.1倍，這與農業上磁化水使作物顯著增產和大大提高種子的發芽率的結論一致。其原因主要是：①磁化污水使有機物分解加快，為藻類生長提供了充足的C,N,p等營養物；②磁化使生物膜滲透性增加，給藻類吸收營養元素創造了有利條件；③磁化使水的透光性增強，為藻類光合作用提供了更好的光能。水中溶解氧的增加，又促進了水中微生物的生長和有機物分解，二者相互促進,導致有機廢水加速分解。
(d).污水磁化可促進高等水生生物生長，有利於污染物的去除。我們以泥鰍做實驗，在 3個水桶(10L)中，1個未磁化，2個被磁化，磁強分別為0.03T和0.25T，分別放養1.5kg的泥鰍，其他條件相同，3個月後所有磁化的水中泥鰍產量均高於未磁化的，平均產量提高15%～20%。另外，還對泥鰍的耐污能力和同化COD進行實驗，表明未磁化水桶中放養的50條泥鰍到第5天時全部死去，磁化的水桶中的50條在第7天時還有23條存活下來。由於高等水生動物通過食物鏈使有機物分解轉化，間接上提高了污水的淨化能力3組水樣測定7天后的COD，表明被磁化且養有泥鰍的2、3號水桶的COD去除率比無磁化、無泥鰍的提高20%)，並使之以更高的速度轉化為對人類有用的產物，變廢為寶，防止了二次污染。
磁化-人工生態系統方法淨化污水套用實例
如圖2，1980年在原污水站基礎上，建成了一個磁化—人工生態處理系統工程，主要由二級磁化和3個生態池組成。該處理系統有效占地面積770m2，平均日處理醫院生活污水和病房污水700t。污水直接排入預沉調節生態池，水力滯留時間約4.0h，經水泵提升和一級磁化，進入放養大量魚類的生態轉化池，水力滯留2.0～2.5d，再次磁化並自流到設有許多垂直生態濾管的金魚池，滯留時間2.5～3.0d，通過生態濾管集中後排出，出水達三級地面水標準，供醫院綠化和清洗之用。該站運用多年來，僅1994年在預沉池排過一次池污，且數量不多，足見污染物降解轉化率之高。該系統中：①預沉調節生態池面積180m2，平均水深 1.1～ 2.5m，為兼氧池，池面風眼蓮覆蓋,吸收污水分解的N,p等營養鹽 ；②生態轉化池，直徑25m，由中心園池、環形復氧溝、環形外池組成,接納來自預沉池並進行一級磁化的污水，池中放養數萬尾羅非魚，吞食大量生長的菌、藻及原生動物,使水體快速淨化，並流入中心園池；③生態濾池100m2，平均水深2.3m，其中放養約6萬條金魚和布設許多生態濾管，接納中心園池流來並經二級磁化的水流，繼續生態轉化後經生態濾管過濾後排放，完成整個淨化過程。該系統對BOD(Biological Oxygendemand)，COD，N，p去除率全年平均分別為 89.9%，87.6%，69.6%和73.6%。該系統工程基建總投資27萬元，折合日處理污水1t/d的基建投資單價為386元；年運行費用7500元，折合處理污水1t/d的年運行單價10.7元，遠低於表 1所列的常規二級處理的投資單價和運行單價。不僅如此，由於污水處理過程中的牛蛙、金魚、羅非魚、中藥材、葡萄等收入，每年還可收益1.8萬元，比年運行費還多出1.0萬元，形成污水處理過程的負投入。該法由於生態處理中的磁化效應，大大加速和提高了污染物轉化速度和效率，且變廢為寶，使之成為投資少、占地小、效率高、運行費用低、無二次污染，並有一定產出收益的污水處理新途徑。
結論
磁處理廣泛套用於農業、醫學、養殖、工業等諸多領域，尤其生命科學。基於這些經驗，我們提出將磁處理技術與人工生態系統相結合套用於有機廢水的淨化處理，並著重對磁處理問題開展了一系列的實驗分析和實際套用，從中獲得一些有益的認識。
(a)有機廢水磁處理，在水體有氧條件下，污水瞬間通過合適的磁場 (0.315～0.368T)後，視水質成分的差異，可直接去除COD8%～25%，且不受水溫影響，但連續反覆磁化，每次的去除率會隨磁化次數急劇下降。實際套用初步表明，磁處理器相隔的水力滯留時間以2～3d為宜。磁處理直接去除COD的原因，是污水被磁化中產生的h2O2等強氧化劑所致，並非生物酶作用或有機物分子結合鍵直接斷裂的結果。
(b)厭氧條件下，污水磁化對COD降解也很顯著，實驗表明，水溫40℃在上述適宜磁場下，可使COD的去除率比不磁化的提高21 %～28% ，但其機理尚需進一步研究。
(c)污水磁化,直接滅菌率可達 70%～80%(可能是形體很小的病毒、細菌等)，但不能使所有的微生物死亡，尤其功能微生物，生存下來的還會被激活，以更大的活力提高污水淨化能力 (初步實驗約17%)。
磁化效應在含酚廢水處理中的套用
由於各工廠含酚廢水的具體生成過程千差萬別，其組成和性質各不相同，並非任一處理方法都適用，需相應地根據實際情況尋求和採取有效的治理方法和技術。由於磁化效應能夠改善混凝效果和促進化學反應（8），所以採取先將含酚廢水經過微弱磁場的磁化後，再運用絮凝氧化法進行處理會提高其處理的效果。含酚廢水在經過微弱磁場的磁化作用後，再運用絮凝氧化法處理，處理效果與未經磁化的廢水相比略有差別，而且隨著磁化條件的改變存在不同的變化規律。
主要結論就是廢水經磁化後，與未經磁化相比絮凝效果和氧化處理大都有不同程度的提高。相對而言，較小的磁化流量對提高絮凝沉澱處理效果有利，而較大的磁化流速有利於獲得較高的氧化去酚率。增加廢水的磁化次數能夠使絮凝去酚率略有提高，對氧化去酚率的增加不很明顯。一般地可使廢水經過3～ 4個磁化器即可。無論磁化與否，氧化去酚率均隨著氧化劑ClO2使用量的增加而提高。但廢水比較高的流速經磁化後，在相同的氧化量條件下，其氧化去酚率均比未磁化的要高。這有利於減少氧化劑消耗量和處理費用，而不影響總處理效果。磁化效應能夠改變水的微觀狀態和結構從而影響其物理、化學性質。在適當的條件下可以明顯改善污水的處理效果。因此將磁化技術和工業廢水處理過程相結合的新處理手段值得進行研究和推廣套用。
磁化在的Fe3O4吸附溶液中的鉻的套用
關於Fe3O4吸附陰離子的機理已有研究，Fe3O4在水中由於水解呈正電性，對陰離子的的吸附平衡可以用形式與Langmuir等溫式相類似的的函式關係式描述，但吸附很難得到最大值。將Fe3O4粉末和磁性介質置於磁場中，磁化Fe3O4粉末聚集在具有磁力線密度不等的磁束的磁性介質附近，導致磁化的Fe3O4對Cr6+產生了磁力，通過提高磁場強度，增大Fe3O4的磁力，從而增加對Cr6+吸附量。但另一方面，在磁化Fe3O4的表面吸附量的增加，因為被吸附的粒子電性相同，斥力增大，抵消了一部分磁力，造成了在較小的磁場強度下，吸附質增大到一定程度後，吸附量反而下降。由此可見，在磁場作用下，磁化的Fe3O4表面的吸附量是磁力和電性斥力作用的結果，並形成多分子吸附。
