馮海強(qiáng)

(湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

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微波技術(shù)在環(huán)境污染治理中的研究進(jìn)展

馮海強(qiáng)

(湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

微波作為一種新型的能源,與傳統(tǒng)加熱相比,具有選擇性加熱、加熱速度快、熱效率高和便于控制等特點(diǎn)。文章著重介紹了微波技術(shù)在去除廢水、廢氣、土壤和固體廢棄物中污染物的應(yīng)用和研究進(jìn)展情況,微波技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用方面有很廣泛的前景。

微波;環(huán)境治理;研究;進(jìn)展

微波技術(shù)是在20世紀(jì)才發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)。它首先應(yīng)用在電視、廣播、通信技術(shù)中,自上60年代人們才開始利用其熱效應(yīng)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。近幾年來(lái)微波以其快速、均勻、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)已逐漸成為一種新型的能源,而且微波加熱與傳統(tǒng)加熱不同,傳統(tǒng)加熱是由外部熱源通過(guò)熱輻射由表及里的傳導(dǎo)加熱,與之相比,微波加熱具有選擇性加熱、加熱速度快、熱效率高和便于控制等特點(diǎn),越來(lái)越多地被應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、制藥工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域,進(jìn)行加熱、干燥、催化、萃取、“三廢”處理和環(huán)境監(jiān)測(cè)等。本文著重介紹微波技術(shù)在去除廢水、廢氣、土壤和固體廢棄物中污染物的應(yīng)用和研究進(jìn)展情況。

1 微波技術(shù)對(duì)水中污染物的去除

Chih-Ju G.Jou和H.S.tai[1]在活性炭、微波共同作用下處理了溶液中的苯、甲苯、二甲苯及苯酚。先將污染物吸附到顆粒活性炭上,然后用微波輻射吸附了污染物的活性炭。結(jié)果表明微波輻射90 s后,苯、甲苯被完全降解成CO2和H2O,240 s后苯酚被完全降解成CO2和H2O。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在微波輻射下,活性炭粒子間產(chǎn)生弧光并且很快變得火紅,此時(shí)的溫度可達(dá)1 200℃以上,在這樣高的溫度下有機(jī)污染物很快分解成CO2和H2O。

在國(guó)內(nèi),鄒宗柏等[2]首先用活性炭吸附廢水中的磺基水楊酸,然后將濾出的活性炭微波輻照使其再生,實(shí)驗(yàn)表明活性炭在微波爐的低火下輻照40 s即可將表面的有機(jī)污染物徹底氧化。王金成等[3,4]分別以活性炭和經(jīng)過(guò)鎳改性的活性炭為催化劑,微波誘導(dǎo)催化氧化處理廢水中的活性艷藍(lán)KN-R染料,結(jié)果表明,鎳改性的催化效果明顯優(yōu)于未改性活性炭的催化效果,活性炭使用前后的比表面積幾乎沒(méi)有變化,兩者的脫色動(dòng)力學(xué)均符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

破乳除油是微波在污水處理的研究與應(yīng)用較成功的方面。微波加熱可加速油水分離過(guò)程,主要是由于加快了水中油滴的上升速度和凝聚速度。Fang等[5]研究了植物油-水-硅藻土乳濁液的微波加熱分離,并與常規(guī)加熱及不加熱重力沉降進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,微波加熱明顯加快了油水分離,且在相同條件下,微波加熱比常規(guī)加熱有更好的油的回收率,不加熱單靠重力沉降時(shí),在60 min內(nèi),油水不進(jìn)行分離,60 min以后油水才開始分離。

2 微波技術(shù)對(duì)氣態(tài)污染物的去除

由于微波在空氣中具有較好的穿透深度,并且在穿透過(guò)程中能量損耗較少,具有較好的工業(yè)化應(yīng)用前景,所以微波在廢氣治理領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于污染氣體的微波處理,可以借助于炭或活性炭的強(qiáng)烈吸收微波能力形成高溫,從而將吸附于活性炭表面的污染氣體分解。Chang Yul Cha等[6]進(jìn)行了微波消除NOx實(shí)驗(yàn)研究。先讓NOx氣體通過(guò)炭床吸附,飽和后進(jìn)行微波輻照,此時(shí)吸附的NOx與C反應(yīng)生成N2和CO2。NOx的去除率可達(dá)98%。微波輻射除去NOx的同時(shí)也使碳床獲得再生,而且再生后對(duì)NOx的吸附能力和吸附速率有明顯的提高。張達(dá)欣等人[7,8]通過(guò)兩種操作方式研究了NO和SO2的微波-炭還原,在微波作用下, NO或SO2均被炭還原。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),NO和SO2的反應(yīng)效率和反應(yīng)溫度隨微波功率增加而增加。此外,催化劑CuCl的添加有利于反應(yīng)效率的提高。

一般廢氣中除了SO2和NOx外,還有大量的N2、H2O、CO2和O2。Wojtowicz等人[9]認(rèn)為,微波這種高頻電磁波具有高能性,能激發(fā)和電離N2、H2O、CO2和O2,形成各種活性基團(tuán)和自由電子,從而與SO2和NOx反應(yīng)。D.Martin[10]利用2.45 GHz微波直接處理燃煤廢氣中的SO2和NOx,在微波加熱作用下形成的活性基與SO2和NOx結(jié)合,生成SO3和NO2,在水中形成 H2SO4和 HNO3,達(dá)到處理目的。馬文等[11]利用微波輻射進(jìn)行了 FeS催化 H2S分解為H2和S的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明,硫化氫的分解轉(zhuǎn)化率與硫化氫的濃度、催化劑FeS的用量及微波輻照時(shí)間有關(guān),在最佳條件下硫化氫分解轉(zhuǎn)化率可達(dá)87.95%。Jou等人[12]用顆?；钚蕴课奖?、甲苯和二甲苯,吸附后的活性炭用微波輻照,檢測(cè)表明所有的有機(jī)物均被氧化為CO2和H2O,活性炭表面的溫度高達(dá)1 200～1 800℃,活性炭床層有電弧出現(xiàn)。

3 微波對(duì)土壤中污染物的去除

常壓下用微波輻射含有有機(jī)污染物的土壤,可使有機(jī)污染物降解。RudolphA等人[13,14]研究了土壤中多氯聯(lián)苯等有機(jī)物的微波降解,發(fā)現(xiàn)在一些催化劑(如Cu2O、Al、Zn、NaOH、鹽酸等)存在下,微波輻射含有污染物的土壤,大部分污染物可被降解掉。降解的原因是在催化劑存在的條件下,土壤被加熱到很高的溫度(1 000℃以上),從而使有機(jī)污染物被氧化分解成二氧化碳、水及無(wú)機(jī)鹽類。

在減壓、低溫條件下微波輻射可以除去土壤中易揮發(fā)的有機(jī)污染物。George等[15]研究了低溫減壓條件下用微波凈化含有甲苯、二甲苯的土壤,他們發(fā)現(xiàn),在低溫(100℃以下)減壓條件下,微波輻射很容易使土壤中的甲苯、二甲苯揮發(fā)掉(進(jìn)入吸收塔),并且不會(huì)分解。并用此法清理了土壤中的五氯苯酚(沸點(diǎn)310℃)。土壤中加入炭屑(平均直徑為10 mm)可加快其升溫速度(這是因?yàn)樘啃加泻軓?qiáng)的微波吸收能力,所以微波照射時(shí)其溫度迅速上升,從而導(dǎo)致土壤的溫度升高),提高對(duì)污染物的去除率。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)含五氯苯酚300μg/g的土壤,微波輻照45 min后,五氯苯酚的去除率為20%,當(dāng)加入40%的碳屑后,去除率可提高到60%。

4 微波技術(shù)在固體廢棄物處理方面的應(yīng)用

微波在處理廢棄物時(shí)有如下優(yōu)點(diǎn)[16]:污染物明顯減容;適于污染物原位處理;處理過(guò)程迅速,適應(yīng)性好,并可采用遠(yuǎn)程控制;設(shè)備便于攜帶,機(jī)動(dòng)性好;安全性高,減少了人暴露于處理廢物的時(shí)間;使用清潔能源等。微波技術(shù)的這些特點(diǎn)決定了它在固體廢棄物處理中有著極為廣泛的應(yīng)用前景。

傅大放等[17,18]研究了微波加熱對(duì)污水廠污泥的處理效果,結(jié)果表明,污泥經(jīng)微波輻照處理后,氮、磷、有機(jī)質(zhì)的含量有所降低,但仍是很好的有機(jī)肥原料,污泥的衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)(以大腸桿菌菌群數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo))能達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

微波輻照技術(shù)可應(yīng)用于醫(yī)療垃圾的滅菌消毒處理。Werner Curt等[19]研究發(fā)現(xiàn),在一定的條件下,用微波對(duì)浸濕粉碎的醫(yī)療垃圾進(jìn)行滅菌消毒處理,細(xì)菌和毒素能被徹底消滅,而且廢物體積減少了60%～90%,更適合于掩埋處理。與傳統(tǒng)的焚燒法相比,微波法不會(huì)產(chǎn)生有害的煙氣和飛灰,降低了火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn),而且時(shí)間短見(jiàn)效快。

微波焚燒在處理廢印刷電路板(PCB)、回收貴金屬的研究及專利亦有報(bào)道。其方法通常先將廢印刷電路板粉碎,用微波將其加熱至低沸點(diǎn)有機(jī)物揮發(fā)或燃燒,使低熔點(diǎn)金屬錫、鉛熔化而分離出來(lái),再繼續(xù)加熱至一定高溫,使污染物熔化成玻璃化物質(zhì),高熔點(diǎn)的金屬銀、金等就分離出來(lái)并可回收利用,玻璃化物質(zhì)可用作建筑材料。該方法既對(duì)有用成分進(jìn)行分離回收利用,又避免了傳統(tǒng)處理方法造成的二次污染。

微波技術(shù)在廢舊輪胎的回收利用方面的應(yīng)用也有許多研究。采用微波加熱,在有極性化合物存在的條件下(如硫化橡膠含有這種官能團(tuán)),適當(dāng)?shù)哪芰考纯纱蜷_C—C鍵[20,21]。目前已有利用微波處理廢舊輪胎的工廠,利用該法能夠回收36%的炭,33%的產(chǎn)品為高質(zhì)量活性炭和其它炭化產(chǎn)品(石油烴等),殘余的H2、CH4混合氣可用于系統(tǒng)的熱源。該處理過(guò)程采用封閉處理(惰性N2),避免生成二惡英、油煙和灰[22]。此外微波技術(shù)還可以用于建筑垃圾、包裝廢物、放射性有毒廢物等的處理。

5 結(jié) 論

微波技術(shù)具有快速、均勻、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)與傳統(tǒng)加熱相比,還具有選擇性加熱、加熱速度快、熱效率高和便于控制等特點(diǎn),致使微波技術(shù)快速地應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域。微波技術(shù)逐漸走出實(shí)驗(yàn)室階段,投入實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中,在廢水、廢氣、土壤和固體廢棄物中污染物去除中有很大的前景。

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Research of Wave Application on Environment Treatment

FENG Hai-qiang
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

Compared with the traditional heating mode,wave as new energy resources,has the characteristics of selective heating,high heating rate,high heating efficiency and convenience control.In this paper,researches and application of it on the treatment in wastewater,exhaustgas and solid wastes are introduced,and wave technology has extensive application foreground.

wave;environment treatment;researches;application

X5

A

1003-5540(2010)04-0043-03

馮海強(qiáng)(1981-),男,助理工程師,主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。

2010-05-26