微波技術在環境污染治理中的研究進展

馮海強

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

·環 保·

微波技術在環境污染治理中的研究進展

馮海強

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

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

微波;環境治理;研究;進展

微波技術是在20世紀才發展起來的一門新技術。它首先應用在電視、廣播、通信技術中,自上60年代人們才開始利用其熱效應進行工業生產過程。近幾年來微波以其快速、均勻、節能、環保等諸多優點已逐漸成為一種新型的能源,而且微波加熱與傳統加熱不同,傳統加熱是由外部熱源通過熱輻射由表及里的傳導加熱,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,越來越多地被應用于化學工業、制藥工業、環境保護等各個領域,進行加熱、干燥、催化、萃取、“三廢”處理和環境監測等。本文著重介紹微波技術在去除廢水、廢氣、土壤和固體廢棄物中污染物的應用和研究進展情況。

1 微波技術對水中污染物的去除

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。實驗發現在微波輻射下,活性炭粒子間產生弧光并且很快變得火紅,此時的溫度可達1 200℃以上,在這樣高的溫度下有機污染物很快分解成CO2和H2O。

在國內,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,實驗表明活性炭在微波爐的低火下輻照40 s即可將表面的有機污染物徹底氧化。王金成等[3,4]分別以活性炭和經過鎳改性的活性炭為催化劑,微波誘導催化氧化處理廢水中的活性艷藍KN-R染料,結果表明,鎳改性的催化效果明顯優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有變化,兩者的脫色動力學均符合一級反應動力學。

破乳除油是微波在污水處理的研究與應用較成功的方面。微波加熱可加速油水分離過程,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,并與常規加熱及不加熱重力沉降進行了比較。結果表明,微波加熱明顯加快了油水分離,且在相同條件下,微波加熱比常規加熱有更好的油的回收率,不加熱單靠重力沉降時,在60 min內,油水不進行分離,60 min以后油水才開始分離。

2 微波技術對氣態污染物的去除

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

對于污染氣體的微波處理,可以借助于炭或活性炭的強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]進行了微波消除NOx實驗研究。先讓NOx氣體通過炭床吸附,飽和后進行微波輻照,此時吸附的NOx與C反應生成N2和CO2。NOx的去除率可達98%。微波輻射除去NOx的同時也使碳床獲得再生,而且再生后對NOx的吸附能力和吸附速率有明顯的提高。張達欣等人[7,8]通過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。實驗中發現,NO和SO2的反應效率和反應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]認為,微波這種高頻電磁波具有高能性,能激發和電離N2、H2O、CO2和O2,形成各種活性基團和自由電子,從而與SO2和NOx反應。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結合,生成SO3和NO2,在水中形成 H2SO4和 HNO3,達到處理目的。馬文等[11]利用微波輻射進行了 FeS催化 H2S分解為H2和S的實驗研究。實驗表明,硫化氫的分解轉化率與硫化氫的濃度、催化劑FeS的用量及微波輻照時間有關,在最佳條件下硫化氫分解轉化率可達87.95%。Jou等人[12]用顆粒活性炭吸附苯、甲苯和二甲苯,吸附后的活性炭用微波輻照,檢測表明所有的有機物均被氧化為CO2和H2O,活性炭表面的溫度高達1 200～1 800℃,活性炭床層有電弧出現。

3 微波對土壤中污染物的去除

常壓下用微波輻射含有有機污染物的土壤,可使有機污染物降解。RudolphA等人[13,14]研究了土壤中多氯聯苯等有機物的微波降解,發現在一些催化劑(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),從而使有機污染物被氧化分解成二氧化碳、水及無機鹽類。

在減壓、低溫條件下微波輻射可以除去土壤中易揮發的有機污染物。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,他們發現,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、二甲苯揮發掉(進入吸收塔),并且不會分解。并用此法清理了土壤中的五氯苯酚(沸點310℃)。土壤中加入炭屑(平均直徑為10 mm)可加快其升溫速度(這是因為炭屑有很強的微波吸收能力,所以微波照射時其溫度迅速上升,從而導致土壤的溫度升高),提高對污染物的去除率。實驗表明,對含五氯苯酚300μg/g的土壤,微波輻照45 min后,五氯苯酚的去除率為20%,當加入40%的碳屑后,去除率可提高到60%。

4 微波技術在固體廢棄物處理方面的應用

微波在處理廢棄物時有如下優點[16]:污染物明顯減容;適于污染物原位處理;處理過程迅速,適應性好,并可采用遠程控制;設備便于攜帶,機動性好;安全性高,減少了人暴露于處理廢物的時間;使用清潔能源等。微波技術的這些特點決定了它在固體廢棄物處理中有著極為廣泛的應用前景。

傅大放等[17,18]研究了微波加熱對污水廠污泥的處理效果,結果表明,污泥經微波輻照處理后,氮、磷、有機質的含量有所降低,但仍是很好的有機肥原料,污泥的衛生學指標(以大腸桿菌菌群數為評價指標)能達到控制標準的要求。

微波輻照技術可應用于醫療垃圾的滅菌消毒處理。Werner Curt等[19]研究發現,在一定的條件下,用微波對浸濕粉碎的醫療垃圾進行滅菌消毒處理,細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。與傳統的焚燒法相比,微波法不會產生有害的煙氣和飛灰,降低了火災和爆炸的危險,而且時間短見效快。

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有機物揮發或燃燒,使低熔點金屬錫、鉛熔化而分離出來,再繼續加熱至一定高溫,使污染物熔化成玻璃化物質,高熔點的金屬銀、金等就分離出來并可回收利用,玻璃化物質可用作建筑材料。該方法既對有用成分進行分離回收利用,又避免了傳統處理方法造成的二次污染。

微波技術在廢舊輪胎的回收利用方面的應用也有許多研究。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),適當的能量即可打開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%的產品為高質量活性炭和其它炭化產品(石油烴等),殘余的H2、CH4混合氣可用于系統的熱源。該處理過程采用封閉處理(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 論

微波技術具有快速、均勻、節能、環保等優點,同時與傳統加熱相比,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,致使微波技術快速地應用于環保領域。微波技術逐漸走出實驗室階段,投入實際的應用當中,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。

[1] Hua-Shan Tai,Chih-Ju G.Jou.Application of granular activated carbon packed-bed reactor in microwave radiation field to treat phenol[J].Chemosphere,1999,38(11):2 667-2 680.

[2] 鄒宗柏,傅大放,張璐.用微波輻照消除磺基水楊酸污染物[J].環境污染與防治,1999,21(1):22-24.

[3] 王金成,薛大明,全燮,等.微波輻射處理活性艷藍 KN-R染料溶液的研究[J].環境科學學報,2001,21(5):628-630.

[4] 王金成,薛大明,全燮,等.活性艷藍 KN-R染料溶液微波催化脫色研究[J].大連理工大學學報,2001,41(5):545-548.

[5] C.S.Fang,P.M.C.Lai,B.K.L.Chang,etal.Environ[J].Prog, 1989,8(4):235.

[6] Chang Y.Cha,Yougen K.Enhansement of NOx adsorption capacity and rate of char by microwave[J].Carbon.1995,33(8):1 141 -1 146.

[7] 張達欣,于愛民,金欽漢.微波-炭還原法處理一氧化氮的研究[J].高等學校化學學報,1997,18(8):1 271.

[8] 張達欣.NO和SO2的微波-炭還原基期在線測定方法的研究[D].長春:吉林大學,1997.

[9] Marek A.Wojtowicz,Francis P.Miknis,R.W.Grimes,et al.Control of nitric oxide,nitrous oxide,and ammonia emissions using microwave plasmas[J].Journal of Hazardous Materials,2000,(74):81-89.

[10]D Martin.New method for removal SO2and NOx of form combustion flue gases[J].Journal of Microwave Power and Electro-Magnetic Energy,1997,32(4):215-318.

[11]馬文,王新強,倪新華.微波催化法分解硫化氫的研究[J].石油與天然氣化工,1997,26(1):37-38.

[12]G Chih-Ju Jou,H S Tai.Application of granulated activated carbon packed-bed reactor in microwave radiation filed to treat BTX [J].Chemosphere,1998,37(4):685-698.

[13]Rudolph A.Abramovith,Huang Ban Zhou,Mark D,et al.Decomomposition of PCB’S and other polychlorinated aromatics in soil using microwave energy[J].Chemospere,1998,37(8):1 427-1 436.

[14]Rudolph A.Abramovith,Huang Ban Zhou.Decomposition of 4-bromabipheny1 in soil meditated microwave energy[J].Chemosphere,1994,29(12):2 517-2 521.

[15]C.E.George,G.R.Lihgtsey,I.Jun,etal.Soil decontamination via microwave and radio frequency Co-volatilization environ[J]. Prog,1992,11(3):216.

[16]金耀民,陳建孟.微波在環境污染治理工程中的應用[J].環境污染治理技術與設備,2002,3(12):64-69.

[17]傅大放,蔡元明,華建良,等.污水廠微波處理的實驗研究[J].中國給水排水,1999,15(6):56-57.

[18]傅大放,鄒路易,蔡元明.微波加熱對污泥肥效和衛生指標的影響[J].中國給水排水,2001,17(5):20-23.

[19]Werner Curt.Hospital using new medical waste disposal methods to save money[J].Hospital Materials Management,1993,18(7):10 -13.

[20]Wicks G G,Schulz R L,Clark D E.Medical waste treatment and decontamination system[P].US Patent:626405,1999-08-25.

[21]Langenegger B T.Treating materials,especially medical wastes [P].UK Patent:2320247,1998-06-17.

[22]Robison S.Wave goodbye to scrap tyres[J].European Rubbe Journal,1998,171(8):32-33.

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(1981-),男,助理工程師,主要從事環境影響評價工作。

2010-05-26