基于微波技術(shù)的環(huán)境污染治理

1、基于微波技術(shù)的環(huán)境污染治理彭芬 胡勝（凱天環(huán)?？萍加邢薰?，410100）摘要：微波技術(shù)具有高效節(jié)能、操作簡便、無二次污染等諸多優(yōu)點，隨著其不斷的發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護領(lǐng)域。本文簡要介紹了微波技術(shù)，并綜述了微波技術(shù)在環(huán)境保護領(lǐng)域的應(yīng)用原理和現(xiàn)狀，如土壤修復(fù)、固體廢棄物處理、污水治理和廢氣治理等方面。最后，本文對微波技術(shù)在環(huán)境污染治理領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展方向作了展望。關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；環(huán)境污染；治理1 微波技術(shù)概論微波是指頻率為300MHz300GHz的波段，目前常用的是915MHz和2450MHz波段。微波的基本性質(zhì)有三個：穿透、反射和吸收1。大多數(shù)有機化合物、極性無機鹽及含水物質(zhì)能很好吸

2、收微波后高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生熱效應(yīng)，同時改變體系的熱力學函數(shù)，降低反應(yīng)的活化能和分子的化學鍵強度，加速反應(yīng)的進行，這為以微波介入化學反應(yīng)提供了可能性，同時使得其在環(huán)境污染領(lǐng)域的治理中得到廣泛應(yīng)用2。微波技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用技術(shù)研究始于1983年。1999年，世界上第一臺“多功能工業(yè)微波爐”誕生，并在水處理領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果。目前，微波技術(shù)在環(huán)境保護領(lǐng)域已成功地用于土壤凈化、固體廢棄物、廢氣、廢水的處理及環(huán)境監(jiān)測等多個方面。如土壤中多氯聯(lián)苯、有機農(nóng)藥、鄰苯二甲酸酯等有機物的消除3, 4；處理廢電路板回收貴金屬、富油淤泥中廢油的消解或回收5；處理煙氣中的SO2和NOx6, 7；污水廠污泥的微波處

3、理8等。1.1 微波的熱效應(yīng)微波能穿透到介質(zhì)內(nèi)部，與介質(zhì)發(fā)生一定的相互作用，使介質(zhì)分子產(chǎn)生強烈震動和摩擦，從而不斷被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫。不同的物質(zhì)對微波的吸收能力、穿透深度和升溫速率不同，詳見以下三個方程式91）物質(zhì)吸收微波能的大小可由下式計算： （1-1）上式中，為圓周率；f 為微波頻率；E為電場強度；為無外電場時物質(zhì)的介電常數(shù)；為相對介電常數(shù)；為物質(zhì)的介質(zhì)損耗角正切，表示物質(zhì)在特定頻率和溫度下將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的能力。由此可見，物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能

4、力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點2。2）微波在不同材料中的半功率滲透深度可由下式計算： （1-2）3）物質(zhì)在微波加熱下升溫速率： （1-3）式中K為常數(shù)；為物質(zhì)的密度；為物質(zhì)的質(zhì)量定容熱容。由上式可見，物質(zhì)經(jīng)過微波輻射溫度能上升的幅度絕大程度取決于該種物質(zhì)吸收微波的能力。 1.2 影響微波加熱的因素由公式1-1、1-2、1-3可知，影響微波加熱的主要因素有10：1）頻率：微波加熱時，頻率越高，加熱速度越快，但頻率越高，波長越短，其穿透能力越小；2）物料的介電性質(zhì)：不同的物料有著不同的相對介電系數(shù)和損耗角正切。相對介電系數(shù)和損耗角正切越大，吸收的微波能越多，

5、加熱速度越快，但是穿透能力越小；3）電場強度：功率大，電場強度大，加熱速度快；4）物料的密度：物料的密度大，其升溫速度慢；5）物料的比容熱：不同物料具有不同的比熱容，從而會有不同的升溫速度。比熱容小的物質(zhì)溫度升高的速度快。因此，選取最優(yōu)吸波物質(zhì)時，應(yīng)綜合上面因素予以考慮。常見的用于環(huán)境污染治理中吸波物質(zhì)主要有活性炭等。1.3微波供能的優(yōu)勢微波用于污染物降解有以下優(yōu)勢11, 12：1）供能具有選擇性，有效避免能源浪費；2）降低吸波物質(zhì)的活化能，有效提高物化反應(yīng)速度，減少反應(yīng)時間；3）可使吸波物質(zhì)溫升極為迅速，無滯后效應(yīng)，不存在“余熱”現(xiàn)象，有利于自動控制和實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)；4）對物質(zhì)具有一定的穿透

6、作用，被加熱物質(zhì)表現(xiàn)為均勻受熱；5）設(shè)備體積小且熱源與被加熱材料不直接接觸，不存在因熱源與受熱材料接觸而帶入的二次污染；6）可穿透微生物孢體，具有殺菌消毒功效。2 微波技術(shù)在環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用由于微波具有高效節(jié)能、無二次污染等特點，最近十幾年間，微波技術(shù)被廣泛應(yīng)用于在環(huán)境污染治理領(lǐng)域。到目前為止，微波技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于土壤修復(fù)、固體廢棄物處理、污水處理和廢氣治理等各個方面。2.1 微波技術(shù)在土壤凈化中的應(yīng)用通過微波加熱可去除土壤中的可揮發(fā)有機物1。當土壤中含水時，因水吸收微波能力很強，利用微波輻射時，水會吸收微波能升溫蒸發(fā)，從而將易揮發(fā)的有機污染物蒸餾帶出土壤。George等13在減壓、低溫條

7、件下，采用微波加熱凈化含甲苯和對二甲苯的土壤，結(jié)果表明微波輻射可以除去土壤中易揮發(fā)的有機污染物，且污染物的揮發(fā)速率與土壤的含水量和土壤的性質(zhì)均有關(guān)系。為了增強土壤對微波的吸收能力，提高升溫速率，可在土壤中加入炭屑。利用炭對微波的強吸收能力，在微波照射下炭粒升溫迅速，同時將熱能傳導給周圍的土壤，使土壤溫度也迅速上升，進而將污染物蒸餾帶出土壤。2.2 微波技術(shù)在固體廢棄物處理中的應(yīng)用2.2.1廢舊輪胎的回收廢舊輪胎的處理通常采用熱分解法，與傳統(tǒng)的焚燒法相比，在缺氧條件下的微波熱分解不會生成NOx和SOx的排放，處理時間短，效果好，并避免煤煙的產(chǎn)生。然而，常規(guī)的熱分解常常因為加熱溫度不夠而無法完全分

8、解，而采用微波加熱，溫度會穩(wěn)定快速上升，同時實現(xiàn)橡膠材料的再利用回收14。2.2.2電子垃圾的處理在利用微波技術(shù)處理廢舊印刷電路板等電子垃圾時，先將其破碎，然后用微波加熱，使有機物受熱分解。當加熱到1400左右玻璃纖維和金屬熔化形成玻璃化物質(zhì)，經(jīng)冷卻后，金、銀和其它金屬就以小珠的形式分離出來，回收利用，剩余的玻璃物質(zhì)可回收用作建筑材料15。利用微波技術(shù)處理電子垃圾，無需使用龐大的焚燒爐和耐火材料，可將廢棄物體積減少50%，處理過程中無需使用任何添加劑，不會造成二次污染，最終的玻璃化產(chǎn)物，可將有害成分牢牢地包固在其中，不會造成滲漏，可回收利用其中的貴金屬，因而處理成本低16。2.2.3建筑垃圾的

9、回收微波技術(shù)是回收再利用建筑垃圾的有效方法，不僅解決了常規(guī)處理方法如堆肥、焚燒、填埋等易造成的二次污染、投資大、占地面積大等問題，而且可使廢物資源化。2.2.4污泥處理微波可加速污泥有機物的水解17。Menndez J A等人18通過向污泥中添加微波能吸收物質(zhì)，使污泥在微波場中快速升溫至900，促進了污泥微波高溫熱解，為微波法熱解污泥提供了更為高效快捷的方式。Yin等人19利用微波輔助O3/H2O2氧化熱解污泥溶解COD取得較好效果。萬立國等人20采用活性炭作為微波能吸收物質(zhì)輔助污泥熱解，對影響污泥熱解效能的3個主要因素：污泥樣品量、活性炭摻雜量和微波輻射功率作了分析，并對最優(yōu)試驗方案下的固體

10、產(chǎn)物吸收微波的性能及用其作為摻雜物輔助微波熱解污水污泥的可行性進行了研究。結(jié)果表明：固體殘渣吸收微波性能良好，可以代替活性炭作為更經(jīng)濟、高效的污泥微波熱解輔助材料。2.3微波技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用相比于傳統(tǒng)污水處理法，微波污水處理法具有單位污水處理綜合能耗低、占地面積小、工藝流程短、污染物降解迅速、無二次污染等優(yōu)點，并同時實現(xiàn)殺菌消毒，可將被污染水質(zhì)轉(zhuǎn)化為安全的綠色用水21。微波技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用主要是三個方面22：1) 先將廢水中的污染物吸附到吸波材料上，然后將吸波材料取出并置于微波場中輻射，使吸附的污染物降解；2) 直接用微波輻射污染溶液來進行降解處理；3) 與其他技術(shù)進行綜合使用。L

11、i等人23研究了一種連續(xù)性小規(guī)模微波系統(tǒng)處理典型的高濃度氨氮廢水可口可樂公司的焦化廢水。研究評估了不同環(huán)境溫度、污水流量、曝氣條件和初始濃度等操作條件下氨氮去除率。結(jié)果表明，針對氨氮濃度240011000mg/L的廢水氨氮去除率達80%。微波技術(shù)可用于處理含高濃度氨氮的有毒廢水。王金成等人24利用微波誘導催化氧化反應(yīng)，研究在活性炭存在下微波輻射處理染料廢水的可行性。鄒縱柏提出了利用微波輻射去除水中磺基水楊酸污染物的方法。先用活性炭吸附污染物，再將飽和的活性炭用微波進行再生。結(jié)果表明該方法對廢水中磺基水楊酸的去除率可達97.4%。2.4微波技術(shù)在廢氣治理中的應(yīng)用微波是高頻電磁波，具有高能性，能激

12、發(fā)和電離 N2、H2O、CO2和O2，形成各種活性基團和自由電子，從而處理SO2和NOx 等污染物。與傳統(tǒng)方法相比，微波技術(shù)在廢氣治理中的應(yīng)用可避免氧化產(chǎn)物對設(shè)備的腐蝕，催化熱解效率高、能耗低、吸附劑的損耗小、啟動迅速、解吸時間短、對環(huán)境溫度影響小。當然針對不同的有機廢氣需要選擇不同的吸附劑，而且微波功率、加熱時間、載氣流量等對微波催化氧化效率都有一定的影響。2.4.1微波-炭還原處理廢氣該法是以活性炭為吸附劑和還原劑，利用微波技術(shù)進行廢氣治理?；钚蕴磕軌蚝芎玫匚瘴⒉ㄝ椛淠?，其表面的某些點位能與微波發(fā)生強烈的相互作用，使微波能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使表面點位選擇性快速加熱至很高溫度。在這些點位附近

13、發(fā)生微波誘導催化反應(yīng)。采用易吸收微波的活性炭為吸附劑和還原劑，不需要任何催化劑，即可將二氧化硫分解為無公害的CO2氣體和單質(zhì)硫，因而不存在二次污染等問題，回收的單質(zhì)硫可作為化工原料重新利用，同時，由于整個過程不使用催化劑，因此不存在催化劑失活或中毒等問題25。Cha26對燃煤煙氣中的SO2、NOx的微波消解進行了研究。利用易吸收微波能的活性炭為還原劑制成炭床，常溫下將SO2、NOx通過炭床吸附到飽和后，再進行微波加熱，檢測發(fā)現(xiàn)被吸附的SO2、H2S和NOx分別被炭還原為單質(zhì)硫和氮氣，而炭轉(zhuǎn)化為CO2，NOx去除率達到98%，其化學變化的原理為：產(chǎn)生的N2、CO2排入大氣，S經(jīng)冷卻后出售，以達到

14、處理廢氣的目的。利用微波加熱煙氣，在低于420的溫度下，NOx就可被逐漸還原到N2，而常規(guī)加熱時，需要溫度升高到1000K左右，NOx才被逐漸還原到N2。2.4.2微波改性活性炭/沸石處理廢氣利用微波技術(shù)可以在很短的時間內(nèi)改善活性炭/沸石表面的物理結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)，以提高其對氣體的吸附能力。Kim等人27研究了微波加熱對沸石在吸附VOCs和脫附中孔隙結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明利用微波加熱可得到高效的脫附。2.4.3微波輔助氧化微波催化氧化廢氣治理技術(shù)是由填料吸附-解吸技術(shù)演變而來，是將保守解吸方式改變?yōu)槲⒉ń馕ang等28利用微波輻射法直接處理NO，以Fe/NaZSM-5作為催化劑，分別研究了反應(yīng)

15、溫度、O2濃度、NO濃度、氣體流速和濕度等因素對處理效果的影響。結(jié)果表明，在微波場中，該催化劑對O2濃度具有較好的承載能力，70%以上的NO都能被還原為N2。馬文等29通過微波輻射加熱硫化鐵催化分解H2S為單質(zhì)H2和S，H2S分解轉(zhuǎn)化率與其濃度、催化劑用量及微波輻射時間有關(guān)系，在最佳條件下分解轉(zhuǎn)化率可達91.2%。微波輻射在處理廢氣的同時，還能有效地收集廢氣中的有用物質(zhì)，實現(xiàn)廢物資源化。Lee等人30利用微波加熱磁鐵礦床輔助氧化分解工業(yè)煙氣的VOCs。實驗過程中，磁鐵礦床很快被加熱。微波誘導加熱Fe3O4固定床不僅是空氣污染治理的節(jié)能技術(shù)，而且是工業(yè)煙氣中各種VOCs完全分解頗有前景的技術(shù)。3

16、 展望微波技術(shù)在環(huán)境保護領(lǐng)域中的應(yīng)用具有高效節(jié)能、易于控制、無二次污染等優(yōu)點，前景非常可觀。但由于微波技術(shù)在環(huán)境保護的一些領(lǐng)域尚處于試驗階段，而且廢氣成分往往非常復(fù)雜，影響因素較多，有關(guān)的理論研究和實際應(yīng)用還有待進一步研究探索，大致歸納有以下幾個方面。（1） 開發(fā)完善適合各種不同工況下可連續(xù)運行的微波反應(yīng)配套設(shè)備，加強諧振腔的開發(fā)設(shè)計，加強微波泄漏的安全防護，實現(xiàn)微波場的均勻分布，避免局部累積過熱損壞設(shè)備，同時實現(xiàn)可清理腔內(nèi)固態(tài)副產(chǎn)物；（2） 研究能準確計算微波場中溫度場分布的理想方法，掌握微波爐腔內(nèi)的溫度分布以便控制微波泄漏和降低能耗；（3） 完備各種材料介電參數(shù)和微波加熱機理的深入研究，探

17、尋最優(yōu)吸波材料，充分利用微波能；（4） 開發(fā)無需其他額外添加物且不需處理尾氣的微波催化廢氣處理技術(shù)，使之更加方便且降低成本；（5） 目前微波在環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于單一或較為簡單的情況，較為復(fù)雜的污染情況還有待進一步研究，并將逐步實現(xiàn)工業(yè)化31?？傊瑢⑽⒉夹g(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染治理具有高效快速、無二次污染等優(yōu)勢，隨著研究的不斷深入，逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，必將帶來巨大收益。參考文獻1王鵬環(huán)境微波化學技術(shù)M北京：化學工業(yè)出版社，20032徐銳敏，唐璞微波技術(shù)基礎(chǔ)M北京：科學出版社，20093王曄微波技術(shù)降解多氯聯(lián)苯的研究D鄭州：鄭州大學，20084汪雨，張玲金常壓微波技術(shù)萃取土壤中有機氯農(nóng)藥J巖礦測

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