磁分离在生命、能源与环境领域中的应用
今天和大家分享的主题是Magnetic Separation，中文译作磁分离，磁分离有一个专业术语是磁选，利用磁的特性来分离物质。
一、什么是磁分离
今天我带来了一块磁铁、一个铁夹子、一个1元的硬币，口袋里还有一张100元、一张10元的纸币。我的目的就是要用磁选的方式把它们分开，铁夹子和硬币可以用磁铁分开，但是纸币是无法用磁铁吸出来的。磁铁本身可以吸铁，铁夹子本身可以被吸起来，但是没有吸的能力，三种物质的内在差别在哪里，是我们磁分离最先要了解的。
比如说有很多铁矿跟沙混在一起，你希望把铁矿跟沙分开，这就需要用磁选的方法把它分开。磁场中最关键的是能够把物料吸附，磁力必须大于重力，如果磁力不能大于重力，那么颗粒在重力的作用下就会掉下来。磁力与物体的体积有关，体积越大，磁力越大，吸力越大。磁场的强度用H来表示，也是呈正比的关系，磁铁越强就可以吸住越大的物料，与磁场的梯度即磁场在空间的分布也有关系。这就是为什么有些物质可以吸起来，有些物质吸不起来，就是由这个物料的磁化系数决定的。我们分磁选不仅可以分有磁性和无磁性的物料，还可以分磁性不同的物料。这就是磁选最基本的理念。
二、磁铁与磁分离
接下来了解一下磁性是怎么来的。大家都知道磁铁本身就是一种物质，刚才说的吸铁并不是磁铁最大的物理特征，而是物理现象，最大的物理特征是本身能够产生磁场。
大家都知道，所有的物质都是由分子组成的，分子由原子组成，有铁原子和氧原子，原子大家都知道是由原子核跟电子组成，电子围绕着原子核旋转，就相当于有电流，电磁感应就会产生磁场，磁场的强度与电子移动的速度、电子移动的量有关系，所以把磁场的强度用磁矩来描述。
但是在通常的情况下这些磁矩随机排列，磁矩本身是矢量，所以若把它加和，这个磁矩跟另外一个磁矩会抵消掉，统计加起来总的物质的磁矩是0，这样就不具有磁性。
如果在外加的情况下让磁矩定向排列，把这些磁矩加起来就能产生很强的磁场，如果磁矩的排列能把外在的磁场同样这样排列，就变成了永磁铁。
那么纸币的差距在哪里？纸币是在外在的磁场下，而在外在的磁场下，磁矩无法定向排列，没有办法被磁化，因此不能被吸附起来。这就是磁矩定性的描述，当然定量的描述是沿着物质，在外在的磁场下看内在磁化的强度来区别物质。这里有三种不同的物质，其实就是我今天带来的物质：铁磁体、顺磁体、抗磁体。这块磁铁就是铁磁体，硬币、铁夹子就是顺磁体，不具备永磁铁的特征，纸币不具备磁性就是抗磁体的物质。
三、磁分离的应用
（一）在生命科学中的应用
接下来给大家介绍一下磁分离在生命科学里的应用。身体里没有哪一部分是有磁性的，如何把它分离？还用我带来的东西举例说明。我们知道，一般情况下，磁铁无法把100元纸币吸附起来，要把纸币吸起来，可以做一个夹子，用这个夹子夹住100元的纸币，再用磁铁选择性地把100元纸币从其他的10元纸币中分开。这些步骤中，最关键的是选择性地把夹子夹在你所需要的100元上，而不是夹在10元上。如何设计“夹子”，这就是我今天要给大家介绍的科研组做的研究。
第一个试验是细胞分离，就是如何把被病毒感染的细胞从血液中分离。不健康的细胞带有病毒，这个病毒抗原有特性，我们通过医疗科研想办法把有病毒的细胞从血液中去除，希望把像“铁夹子”的材料（纳米级）附着在细胞上，因为光是磁铁，是放不上去的。于是，我们就想办法找生物分子，找到对某一种抗原具有标识的抗体，生物分子能够识别病毒的抗原，通过搞生物的科研人员研究，不同的病毒要用不同的抗体，一旦找到这样的抗体后就想办法组装嫁接到这个小磁铁的表面。但是一般的生物分子跟四氧化三铁表面没有直接的建和作用，搭载不上去，因此要先对四氧化三铁表面进行修饰，给它装上一种分子，这种分子一端可以装上羧基，就可以与表面的铁建和，另一端装上硫基。一旦通过表面修饰后，抗体就可以嫁接在小磁铁上，一旦小磁铁嫁接好，其实“夹子”就已经成功做成，就可以把它放到血液中识别，而且只会识别被病毒感染的细胞，一旦识别之后就可以用磁铁把它引导到某一个部位，就能很方便地把感染的病毒细胞取出来。
（二）在环境科学中的应用
磁分离在环境中的应用，一个是水处理，一个是烟气的净化。
1．水处理中的应用
我们希望在废水排放之前可以把重金属去除掉，或者把这些重金属分离或是回收起来。为了达到上述目的，关键是要设计具有磁性的吸附剂。这个吸附剂具有什么样的特征呢？我们做科研跟大家做习题其实是一样的，首先要思考一下解决这个问题它具有什么特征和希望达到的目的。Magnetic Sorbent（吸附剂）最重要的特征是可以抓住水里你所需要的金属离子，需要效力高；希望这个材料拥有大的表面积；希望吸附剂可以循环使用，没用的话可以进行安全排放；希望吸附上去的离子能够容易地脱离下来；最后这个吸附剂一定要很稳定，不要加到废水中就溶解了。这就是我们设计磁性材料吸附剂的思路。
刚才介绍的四氧化三铁是可以被磁化、被吸附的，当然这个颗粒比较小，都是微米甚至纳米级别的颗粒。为了使磁性颗粒在酸性水里保持稳定，首先要对颗粒进行保护，加上一层薄薄的二氧化硅，把这个磁性颗粒保护起来。但是这个颗粒本身表面积不是很大，所以脱除废水里的金属粒子需要加很大的量，才可以把表面积增大。方法之一就是在二氧化硅上镀上一层多孔的硅材料，用树胶的有机分子膜做膜板，就跟蜂窝煤一样，把蜂窝煤组装到这个表面，蜂窝煤之间的孔隙就用硅材料把它填满，然后把里面有机分子的膜板给烧掉，这样就可以得到多孔的硅表面膜在四氧化三铁表面上，这样你就做出了多孔的材料。
2．烟气净化中的应用
接下来跟大家介绍磁分离在烟气净化方面的应用。目前主要应用于把灰飞里的汞处理掉，本来灰飞可以做混凝土，含有汞元素后就不能做混凝土，这是有待解决的问题。
我们课题组开发了一种以贵金属为基础的吸附剂，以银为例，银与汞能形成汞齐反应，汞齐反应本身是可逆的，很容易把汞齐反应出的重金属抠出来，这样就可以完成再生的功能。
先选择一种多孔的黏土，这种多孔的材料是孔洞结构，这种材料里含有很多钠离子，钠离子可以跟银离子替换。如果把黏土放在含有银离子的溶液中，里面的钠离子就会被银离子替换出来，银离子就会在黏土中，银离子很容易还原，还原后就可以形成一个小的纳米颗粒，这个纳米颗粒就是我们所需要的反应器，去巩固汞。
我们把含有汞的气体经过吸附剂，看一下有多少汞穿透了吸附剂。这里有一个银造的玻璃球，在玻璃球上镀三层银，发现还没有形成纳米颗粒的银在100℃之下还是能捕捉汞，穿透能力几乎是0。但是在温度超过100℃之后，银的穿透力非常高，如果把银变成纳米颗粒之后会发现，到250℃、280℃还能很有效地把气体里的汞离子固定住，只有温度到三四百摄氏度的时候才没有固定汞的能力了。这对我们来说是好事，因为要再生，再生就需要把汞离子释放出来，而只要把温度增加到三四百摄氏度，固定住的汞蒸汽就会释放出来，这个银就可以再生。
当然这非常理想，而在实际运用的过程中，因为加进去的黏土是跟灰飞在一起的，所以没有办法把加进去的吸附剂跟灰飞分开，但是可以想办法让黏土有磁性，被静电除尘器捕捉后，用磁分离的方法直接把灰飞和吸附剂分开。灰飞不含有汞蒸汽，是很干净的灰飞，可以做其他的用途。吸附剂也可以循环使用，用到一定程度后可以再生再循环使用。关键在于怎样设计复合材料。
比如说黏土的正面是小磁铁，要想办法把小磁铁和黏土变成复合材料，而且做复合材料时要保证黏土的空隙不能被堵住，因此可以把这个黏土分散在有机项里，把四氧化三铁小磁铁分散在带有硅的溶液中，把溶液过滤掉，磁铁跟黏土在有机溶剂里混合，混合之后会黏在一起，经过烧制就会把硅固化，硅固化后也不会堵住黏土的空隙，就得到了有磁性的吸附剂。有磁性的吸附剂本身是钠离子，对汞没有很强的捕捉效果，只有把里面的钠离子用银离子替代后，继续还原，得到的复合产品才会捕捉汞。
（三）在能源科学中的应用
在采油过程中如何用磁分离为我们服务呢？它所需要的磁颗粒的特性又是完全不一样的。
加拿大的油水比较稠，一般打井是抽不上油的，所以就在井里注入蒸汽，把油层加温，油的黏度降低，就和蒸汽一起抽上来了。抽上来的油大部分是水，含油量非常少。所以首先要进行的就是将油和水分离。大部分的水是很容易去除的，但是当油里的水只有5%左右的时候就很难去掉。这时就会有人去研究为什么这个水很难去掉。
在显微镜上可以发现，这个水珠的密径很小，尽管水和油有比重的差别，水会往下面沉。但由于密径很小，沉得很慢，没有明显的分离。所以要想办法让油和水分开，就一定要把水珠的体积增大，离心的方法对设备的要求和成本都很高，一般是通过加化学药剂的方法把尺寸增加。
接下来我们就研究一下为什么小水珠这么稳定。从物理学的观点来看，两个小水珠变成一个大水珠，油和水的界面是减少的，要产生油和水的界面需要能量，两个水珠变成一个大水珠，从热力学的角度来说，能量是降低的。大家都知道能量降低是一个自发过程，但是在油和水的混合体系中，两个小水珠即便有外力的作用，也不能让它们成为“朋友”。这使我们非常困惑，为何会违反热力学定理？
我们就进一步研究，水和油之间形成了类似橡皮的膜，最大的特征是这个膜看不到，是分子级别的膜，由于膜的存在使得两个水珠很难兼并。因此，我们把这个膜拿出来用显微镜看看是什么样子。能发现很多聚集的分子形成了物理上的膜，想要让这两个水珠兼并就要破坏这种分子膜。
如何把这个膜破坏掉？可用化学药剂破乳剂。这个破乳剂一面一定是连着有机项（油项）的，而且这个分子必须喜欢到油和水的界面来。这个分子要既喜欢油又喜欢水，还要有界面活性，且这个分子一定要能够把原来形成分子的膜破坏掉，又不能形成之前有的分子膜，这个药剂还最好是非常环保，是天然物质，最后是要便宜，而且来源广。
根据这几个要求，就找到了天然分子纤维素，它里面有很多羟基，这个羟基分子只喜欢水，不喜欢油，这样的分子只会到水里，不会到油里，不具备油和水的活性。我们希望把一部分喜欢水的分子用喜欢油的结构替代掉，一旦替代掉，这样的分子大家都知道，一部分很喜欢水，一部分很喜欢油，放到油和水的混合体，会分别在油和水的界面中。
我们要看这个分子是否可以到油和水的界面中，产生油和水的能量，这个能量越大就证明产生界面越难，一旦把EC加进去后，分子的界面就急剧降低，证明加入的EC比表面活性的分子更活跃。从这里面可以看出来，它只是渗透进去了，但是并没有完全进入油和水的界面。
加了之后到底有什么效果？这两个水珠在外在的压力下是不会兼并的，但是当浓度增加到135个PPM—EC的时候，两个水珠就变成了一个大的水珠，水珠越来越大，直径增加很快就会沉淀下来。
从测含水量来讲，刚开始什么也不加，含水量是4.3%左右，加到了135EC—150EC的时候，含水量降低了很多，可以达到合格的要求。这个与磁性和磁分离无关，接下来要讲的是最精彩的：创新。
如何通过小磁铁把我们的工作做得更优秀，我们的思路是，若是能够把刚才找到的分子嫁接到小磁铁上，这个小磁铁本身就具有界面活性，再把小磁铁加到水油的混合体系中，它会到水珠表面附着，粘在上面以后，加进去的磁铁就会把它吸到你所需要的地方。上面就得到了干净的油，下面则得到可以循环使用的磁场。
找到思路后，我们还要想的是对磁性到底有什么样的要求。首先它必须能够分散在油里，才有效果到油和水的界面去，且要有界面活性，并能够渗透油和水的界面，最重要的是要有磁性，是我们对颗粒的要求。
根据我们的知识，经过一系列设计和实验室的研究找到这样的途径，把这个锈嫁接到纤维素上面，把表面加一个氨，让锈和氨反应就得到这样的颗粒，我们叫它M—EC。
M—EC到底有没有我们想要的功能？首先它要喜欢油和水。我们就做了很简单的试验演示，两个瓶子里上面放的是油，下面是水。把小磁铁放进去，很快就渗透了油和水的界面，沉到水里了，完全是没有油和水的界面活性。但是把M—EC放到同样的体系中，它不在油里也不在水里，由于它的特性，到油和水的界面里附着了。
一定要有磁性，一是没有包覆的，一个是包覆以后的，磁化的特性基本上是一致的，当然磁化的强度有一点降低，原因就是外面包上了EC，使磁的反应性能降低了一点。最关键是希望在里面加上小磁铁，我用磁铁把它吸掉就能得到很干净的油，这就是我们希望达到的目标。
加了EC后确实可以把水珠变大，沉下来，加了M—EC之后也可以把水降到合格的水平。这时候同学就会问，为什么要画蛇添足，把EC加到磁性颗粒上，没有磁性颗粒重力也可以分。
最后我就给大家讲一下更具体的结果，加了1.5的M—EC就发现，到6.0CM这个地方取的样含水量还是很低，说明你就多采了20%的油，这是一个很客观的数据，同时降低油渣的体积20%，这是非常有效的改进。因此把EC加在磁性颗粒上并不是画蛇添足。
同样是加了EC，一个是放了磁铁，一个是不放磁铁。不放磁铁里面含有1%的水，但是加了磁铁就可以很快将含水量降低到1%以下，证明它分离的效果非常好，这从工业上来讲，不需要做一个很大的分离罐，直接吸出来就可以了，可以使成本大大降低，而且可以循环使用，所以磁性颗粒确实有很大的用处。
现在，让我们总结一下，做科研一定要有创造力，一定要有批判性的思维，不要别人做出来的你都以为是对的，即便文章已经发表了。然后，一定要开放视野，不要局限于自己小小的领域，要多学科交叉，而且一定要保持好奇心。最后，一定要努力，我也一直都很努力，这才是科研成功的秘籍。