一種處理廢棄物的理想方法——等離子體技術(shù)

1、一種處理廢棄物的理想方法等離子體技術(shù)1 引 言 經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，使人們的生活水平有了很大的提高，同時(shí)帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，環(huán)境污染成為人們健康生活的隱形殺手。在城市垃圾處理中，最普遍的方法是集中焚燒掩埋，通過(guò)焚燒，使垃圾的量最少化，進(jìn)而再進(jìn)行掩埋處理。但這樣，不僅不能浪費(fèi)了垃圾中所含有的寶貴資源，同時(shí)也會(huì)造成嚴(yán)重的的空氣問(wèn)題和土壤問(wèn)題。垃圾掩埋處理只是使垃圾短期內(nèi)離開人們的視野，深埋地下的垃圾由于洪水等原因可能會(huì)重見天日，危害人類，深埋的垃圾不僅污染土壤，也會(huì)造成地下水污染，嚴(yán)重威脅人們的健康。癌癥村的出現(xiàn)或許是最好的例證。加強(qiáng)對(duì)各類固體廢棄物( 城市生活垃圾、工業(yè)三廢、醫(yī)療和

2、電子危廢、污水污泥等) 的無(wú)害化、減量化和資源化處理是十二五國(guó)家環(huán)保事業(yè)和環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要內(nèi)容之一，也是關(guān)系到堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展觀，推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和建設(shè)和諧社會(huì)的重要任務(wù)。 一種新興的廢棄物處理技術(shù)等離子體技術(shù)，成為近年來(lái)世界各國(guó)學(xué)者進(jìn)行污染物處理新技術(shù)研究的方向之一。等離子體技術(shù)不僅可以對(duì)氣相中的化學(xué)、 生物廢物進(jìn)行破壞, 而且可以對(duì)液相、 固相中的化學(xué) - 放射性廢物進(jìn)行破壞分解, 不僅對(duì)高濃度有機(jī)污染物有較好分解效果, 更可對(duì)大流量、 低濃度污染物進(jìn)行分解。很多情況下, 污染物只采用一種方法來(lái)處理難以得到預(yù)定的效果, 通常需要將物理、 化學(xué)、 生物等方法聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行合理配置, 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜

3、性, 而應(yīng)用等離子體技術(shù)則可以簡(jiǎn)化這一處理過(guò)程。作為一種可高效、 便捷對(duì)污染物進(jìn)行破壞分解的替代技術(shù), 等離子體技術(shù)正受到各國(guó)學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注, 成為環(huán)境污染治理領(lǐng)域中最有發(fā)展前途的一項(xiàng)高科技技術(shù)。2 等離子體概述2.1等離子體的發(fā)展及應(yīng)用20世紀(jì)60年代形成的等離子體技術(shù)是一門交叉學(xué)科，涉及高能物理、放電物理、放電化學(xué)、反應(yīng)工程學(xué)、高壓脈沖技術(shù)等領(lǐng)域。在進(jìn)入80年代后，將等離子體技術(shù)應(yīng)用于處理各類污染物成為國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一。與其他污染治理技術(shù)相比，等離子體技術(shù)具有處理流程短、效率高、能耗低、適用范圍廣等特點(diǎn)。等離子體技術(shù)既可用于處理廢氣又可用于處理廢水、固體廢棄物、污垢，甚至放射性物質(zhì)1

4、。2.2等離子體相關(guān)概念含有足夠數(shù)量的自由帶電粒子,有較大的電導(dǎo)率,其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配的物質(zhì)狀態(tài)。等離子體由帶正電的離子和帶負(fù)電的電子，也可能還有一些中性的原子和分子所組成。等離子體在宏觀上一般是電中性的，即它所含有的正電荷和負(fù)電荷幾乎處處相等。由于帶電粒子之間的作用主要是長(zhǎng)程的庫(kù)侖力，每個(gè)粒子都同時(shí)和周圍很多粒子發(fā)生作用，因此等離子體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一般表現(xiàn)出明顯的集體行為。等離子體根據(jù)溫度的不同可分為低溫等離子體和高溫等離子體。高溫等離子體主要應(yīng)用于核聚變領(lǐng)域，其溫度高達(dá)105K以上。低溫等離子體是指電子溫度高而體系溫度低的等離子體，其中電子溫度可達(dá)103K以上，而粒子和原子之類重粒子溫度

5、可低到300500K，可分為熱等離子體和冷等離子體，典型的熱等離子體如電弧放電等離子體，有直流放電、交流放電、微波放電、感應(yīng)放電等不同的形式，直流等離子體火炬是絕大多數(shù)等離子體所采用的處理裝置2。 2.3等離子體的產(chǎn)生等離子體產(chǎn)生的方法很多，有天然的和人造的。天然的如雷電、日冕及極光等；在實(shí)驗(yàn)室，等離子體的產(chǎn)生方法和途徑很多，有激光壓縮、氣體放電、射線輻照及熱電離等，氣體放電法是最主要和最常見的。根據(jù)不同的放電條件（如氣壓、電流），氣體放電可分為電弧放電、輝光放電和電暈放電。3傳統(tǒng)處理生活廢棄物的方法介紹在當(dāng)今世界，各種資源因消耗與日劇減、日趨緊張，而生活廢棄物卻在與日俱增，成為一種潛在的資源

6、，具有非常大的開發(fā)價(jià)值。如何實(shí)現(xiàn)廢棄物的減量化、無(wú)害化、資源化，成為人們一直關(guān)注的問(wèn)題。下面是一些傳統(tǒng)處理生活廢棄物的方法：填埋處理：填埋處理是最普遍處理生活廢棄物的方法，其能夠大量也是最有效解決城市生活廢棄物的方法。分為直接和間接兩種，所謂直接填埋法是將垃圾填入已預(yù)備好的坑中蓋上壓實(shí)，使其發(fā)生生物、物理、化學(xué)變化，分解有機(jī)物，達(dá)到減量化和無(wú)害化的目的。 但是，我國(guó)許多城市的垃圾仍有大多采取露天堆放，沒(méi)有任何防護(hù)措施。每一個(gè)垃圾堆放場(chǎng)都成了一個(gè)污染源，蚊蠅孽生，老鼠成災(zāi)，臭氣漫天，大量垃圾污水由地表滲入地下，對(duì)城市環(huán)境和地下水源造成嚴(yán)重污染。深圳、上海這些地方，由于人口密度大、工廠林立，每天產(chǎn)

7、生的垃圾非常巨大。這上海市每天有萬(wàn)噸垃圾運(yùn)往郊區(qū)海邊堆放，一座座高達(dá)二三十米的垃圾山拔地而起，造成周圍環(huán)境的嚴(yán)重污染。填埋處理方法是一種最通用的垃圾處理方法，它的最大特點(diǎn)是處理費(fèi)用低，方法簡(jiǎn)單，但容易造成地下水資源的二次污染，給周圍生活的群眾帶來(lái)極大的生存挑戰(zhàn)。隨著城市垃圾量的增加，靠近城市的適用的填埋場(chǎng)地愈來(lái)愈少，開辟遠(yuǎn)距離填埋場(chǎng)地又大大提高了垃圾排放費(fèi)用，這樣高昂的費(fèi)用甚至無(wú)法承受。間接填埋處理就是在填埋處理之前經(jīng)過(guò)分類，使可利用的資源回收利用，再經(jīng)過(guò)焚燒處理，達(dá)到減量的目的再填埋。 焚燒處理：焚燒法是使垃圾中的可燃物在一定的條件下與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變?yōu)闊o(wú)機(jī)殘?jiān)倪^(guò)程。這種處理方法，不僅

8、達(dá)到了減量化的目的，而且使垃圾的性質(zhì)也發(fā)生了改變。焚燒處理，由于其過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵和氣體，內(nèi)含顆粒狀灰塵，酸性氣體，重金屬等污染物，最容易產(chǎn)生空氣和環(huán)境污染，也給周圍居民的健康帶來(lái)威脅。堆肥處理：堆肥法就是利用自然界中廣泛存在的微生物，將廢棄物中可被分解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的生物化學(xué)過(guò)程。堆肥處理實(shí)現(xiàn)了部分資源的循環(huán)利用，但其處理周期時(shí)間長(zhǎng)，廢棄物中所害的不可降解的成分會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。無(wú)論是填埋處理、焚燒處理還是堆肥處理，在應(yīng)用這些方法之前，對(duì)廢棄物首先要做的是分類處理，盡可能大的將廢棄物中的資源最大化的利用。傳統(tǒng)的處理方法雖然成熟，但在不同程度上對(duì)環(huán)境都存在著污染，對(duì)資源存在浪費(fèi)現(xiàn)象，

9、遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的要求，研發(fā)新的處理方式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)處理方法的不足，是人們所期待的。4 等離子體技術(shù)在廢棄物處理中的應(yīng)用等離子體技術(shù)作為一種環(huán)保處理新技術(shù)，由于其效率高、能耗低、適用范圍廣、處理量大、操作簡(jiǎn)單，近年來(lái)已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多，如利用等離子體技術(shù)處理固體廢棄物、廢水、廢氣，對(duì)材料進(jìn)行表面處理等。等離子體技術(shù)的應(yīng)用因其特點(diǎn)而異，高溫等離子體技術(shù)利用等離子體的物理特性。低溫等離子體處理廢棄物的過(guò)程主要利用以下兩種效應(yīng)：一是粒子間碰撞及粒子與物相表面碰撞所產(chǎn)生的熱使廢棄物分子的化學(xué)鍵斷裂；二是離解過(guò)程中自由基與廢棄物分子碰撞使廢棄物分子的化學(xué)鍵斷裂3。4.1等離子體技術(shù)在

10、固體廢棄物處理中的應(yīng)用4.1.1熱等離子體熱解在對(duì)固體廢棄物處理中，熱解等離子體技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外主要采用的等離子體技術(shù)。其在固體廢棄物處理中，主要有以下三個(gè)方面的處理方法：（1） 等離子體氧化、燃燒或等離子體玻璃化；（2） 等離子體熱解，使可燃固體廢棄物在還原氣氛下氣化，重組為其他氣體；（3） 脈沖電弧產(chǎn)生沖擊波，用于將固體廢棄物分解并分離為金屬、塑料、有機(jī)物等。對(duì)于垃圾焚燒廠廢渣、城市污泥、建筑垃圾、醫(yī)療垃圾，主要利用等離子高溫高焓進(jìn)行等離子氧化、燃燒或等離子體玻璃化以達(dá)到降解并減容的目的。等離子熱解技術(shù)作用于以上廢棄物時(shí)，以產(chǎn)生合成氣體為主4。對(duì)于一般的固體廢棄物最徹底的處理方法之一是利用

11、等離子體熱解技術(shù)，利用這種方法，有回收可燃?xì)怏w及其他可用化學(xué)品的潛能。采用不同的熱解原料、條件、實(shí)驗(yàn)裝置，等離子體熱解過(guò)程獲得的氣體成分也會(huì)不同。對(duì)于有機(jī)固體廢棄物，采用等離子體熱解技術(shù)，污染物的排放基本為零，可有效減輕對(duì)大氣環(huán)境的二次污染；固體廢棄物中的有害成分如硫、重金屬等大部分被固定在炭黑中，故重金屬，二噁英等污染物在氣體中的含量較少。氣體產(chǎn)物中如二氧化硫、氮氧化物等污染性氣體含量比較低，可作為低硫燃料氣體利用5。4.1.2等離子體技術(shù)處理固體廢棄物系統(tǒng)的組成進(jìn)料系統(tǒng)、等離子體處理室、融化產(chǎn)物處理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及冷卻密封系統(tǒng)是等離子體處理系統(tǒng)的主要組成部分。在等離子體處理室，主要完成的是

12、有機(jī)物的分解氣化，無(wú)機(jī)物的熔化、玻璃化及金屬產(chǎn)物，氣化產(chǎn)物主要的組成是一氧化碳、氫氣、甲烷，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器除去煙塵和酸氣后被作為燃料利用，熔化產(chǎn)物經(jīng)處理器冷卻，金屬可被回收利用，玻璃體可用來(lái)做建筑材料、生產(chǎn)玻璃制品。4.1.3研究現(xiàn)狀唐蘭等利用不同的實(shí)驗(yàn)條件（在熱解過(guò)程中加水蒸氣、在反應(yīng)過(guò)程中加入水冷設(shè)施）對(duì)利用熱等離子體熱解固體廢棄物的氣體產(chǎn)物做了研究。加入水蒸氣的熱解過(guò)程與原過(guò)程相比，合成氣的應(yīng)用范圍的到了擴(kuò)大。加入水冷設(shè)施的反應(yīng)過(guò)程與原過(guò)程相比得到了乙炔，一種重要的工業(yè)原料。目前，電石法是主要的乙炔制取方法，但此方法不僅對(duì)環(huán)境有污染，而且浪費(fèi)資源。林小英等對(duì)利用低溫等離子體技術(shù)低溫處理固體廢

13、棄物做了初步實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明低溫等離子體的利用，對(duì)在焚燒過(guò)程中二噁英、氯化氫等污染物的出現(xiàn)有明顯的分解效果。中國(guó)科學(xué)院等離子體研究所在等離子高溫?zé)o氧狀態(tài)下通過(guò)150KW的高效電弧 ，固體廢棄物在等離子體熔爐內(nèi)被分解為氣體，玻璃體和金屬三種物質(zhì)，然后通過(guò)不同的排放通道分離，實(shí)現(xiàn)了正真意義上的污染物“零排放” 6 7。4.2等離子體技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用工業(yè)的迅速發(fā)展，給人們的生活帶來(lái)方便的同時(shí)，也帶來(lái)了各種生活困擾，如水污染。工業(yè)廢水中還有不同種類的有機(jī)物如酚類物質(zhì)、有機(jī)染料、硝基苯、苯乙酮和氯酚等，還有這些有機(jī)物的廢水若直接排放，將會(huì)給其他水資源帶來(lái)嚴(yán)重污染，破壞生態(tài)系統(tǒng)，故必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的處理才

14、能排放，可利用微波等離子技術(shù)或液相高壓脈沖等離子體技術(shù)對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行降解處理。微波放電功率可在局部集中，獲得高密度等離子體，其作用機(jī)理是利用放電過(guò)程中產(chǎn)生的大量活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)如O3、OH，具有強(qiáng)氧化性，對(duì)于有機(jī)物，有極好的降解效果。廢水中的苯酚物質(zhì)，可利用液相高壓脈沖等離子體技術(shù)經(jīng)行降解；廢水中的硝基苯，可采用電流體直流放電進(jìn)行降解。4.3等離子體技術(shù)在廢氣處理中的應(yīng)用在我國(guó)的大部分地區(qū)，冬季一般需要采取供暖措施，煤炭是供暖的主要能源物質(zhì)，煤炭的燃燒，對(duì)空氣的污染比較嚴(yán)重，這些污染物主要有：粉塵、氮氧化物、CO2、硫的氧化物等，這些污染物混在一起，給處理這些污染物帶來(lái)一定的難度，將等離

15、子體技術(shù)與電除塵技術(shù)結(jié)合在一起，能夠很好地脫除這些污染物。目前，利用等離子體脫硫脫硝技術(shù)，已達(dá)到工業(yè)性測(cè)試階段的方法是電子束法和脈沖電暈法。電子束法去除氮氧化物、硫的氧化物效率很高，但其能耗大、費(fèi)用高，所以使用受到限制。在廢氣處理中，主要應(yīng)用的有脈沖放電等離子體氧化加氨法、脈沖電暈等離子體催化協(xié)同氧化法、超高壓窄脈沖電暈放電分解法。對(duì)于廢氣中的粉塵，電除塵器的去除率可達(dá)99.9%，但對(duì)于PM10PM2 5亞微米或特細(xì)顆粒物去除率還不到50%。脈沖等離子體電除塵器對(duì)微細(xì)粉塵具有比較理想的去除效果，且在去除微細(xì)粉塵的過(guò)程中，能量的利用效率比電暈放電的效率高。對(duì)于廢氣中的氮氧化物、硫的氧化物，通過(guò)研

16、究人員的探索發(fā)現(xiàn)，只利用低溫等離子體技術(shù)，效果不是很理想，而在等離子體技術(shù)中，再使用催化劑，效果可以得到改變。使用最多的是脈沖放電等離子體加氨法，利用超高壓脈沖電暈，產(chǎn)生高能電子，電子與周圍的氣體的碰撞產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的自由原子和自由基等活性物質(zhì)，利用這些物質(zhì)將氮的氧化物和硫的氧化物氧化成對(duì)應(yīng)的高價(jià)氧化物，再注入氨水，產(chǎn)生銨鹽，再利用電除塵器回收集作為肥料。超高壓窄脈沖電暈放電分解法要求提供能產(chǎn)生上升沿很陡、峰值高的脈沖電源，利用脈沖電壓提供的能量加速電子，產(chǎn)生高濃度的OH自由基，將氮的氧化物、硫的氧化物轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的酸。對(duì)于廢氣中的CO2，可直接排放到空氣中，但大量的CO2排放會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)，可

17、通過(guò)冷等離子體技術(shù)，將CO2和CH4氣體（CO2和H2S氣體）轉(zhuǎn)化成CO和H2（烷烴化合物）。5等離子體技術(shù)發(fā)展前景展望等離子體技術(shù)在廢棄物處理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但同時(shí)也面臨著很多的困難，如等離子體技術(shù)在廢水處理方面的研究比較少，還處于探索階段，目前的很多研究只針對(duì)單一的污染物，但廢水中的污染物或有機(jī)物的種類各種各樣，需要降解的物質(zhì)互相干擾，給等離子體技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用帶來(lái)壓力與困難。在城市廢棄物處理中，廢棄物的種類更復(fù)雜，量更加巨大，等離子體的氣化裂解、玻璃化過(guò)程，沒(méi)有二次污染，給要求環(huán)保處理帶來(lái)新的方法。等離子體技術(shù)在廢棄物處理過(guò)程中，所要求的真空環(huán)境，帶來(lái)了一定的技術(shù)難題，如果國(guó)家

18、有相應(yīng)的政策支持和資金投入，等離子體技術(shù)在廢棄物處理中的應(yīng)用將得到廣泛的應(yīng)用8。6結(jié)語(yǔ)在固體廢棄物處理中，利用等離子體技術(shù)，廢棄物中的有害物質(zhì)被固定在玻璃體中；有機(jī)物被分解為H、等，收集后作為燃料利用；金屬直接回收利用。在廢水處理中，將廢水中的各種有機(jī)物進(jìn)行了降解而沒(méi)造成二次污染。在廢氣的處理中，將廢氣中的污染物分別轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的鹽或酸，將資源重新利用。與傳統(tǒng)方法相比，不失為一種處理廢棄物的理想方法。參考文獻(xiàn).1 滿衛(wèi)東,吳宇瓊,謝鵬.等離子體技術(shù)一種處理廢棄物的理想方法J.化學(xué)與生物工程.2009,26(5).2 杜平,于開路,朱春來(lái).等離子體消除固體廢棄物技術(shù)J.換進(jìn)保護(hù)科學(xué).2011, 37(4):33-363 齊立強(qiáng),史亞微.新型等離子體同時(shí)脫除多種煙氣污染物凈化系統(tǒng)J.電力科技與環(huán)保.2011,6,27(3):19-