高功率脈沖技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

高功率脈沖技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用張永民張碩一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性二、催化劑失活與再生高功率脈沖技術(shù)是當(dāng)代高新技術(shù)的支撐學(xué)科之一；它以慢的方式儲(chǔ)存能量，然后，借助各種開(kāi)關(guān)的快速切換實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮、功率放大、用很短的時(shí)間、很高的強(qiáng)度以單個(gè)脈沖或受控的重復(fù)脈沖形式，將高功率電磁能量瞬間釋放給負(fù)載。各種高功率負(fù)載以不同的物理原理將高功率電磁能量轉(zhuǎn)換為所需要的能量形式，在可控的區(qū)域形成極端的物理環(huán)境（高能量密度、高功率），實(shí)現(xiàn)一般功率下所不能實(shí)現(xiàn)的功能。高功率脈沖技術(shù)介紹等離子體輻射X射線激光離子束電子束EMP、超寬帶微波輻射微波負(fù)載脈沖傳輸與阻抗匹配脈沖儲(chǔ)能(脈沖成形、壓縮、傳輸)初級(jí)儲(chǔ)能初級(jí)能源脈沖功率系統(tǒng)sns負(fù)載電熱炮

高能激光武器電磁炮

激光聚變電源ms-ms水中沖擊波

隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)和人類生活中引入許多有機(jī)毒物，對(duì)人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。例如：在印染、醫(yī)藥、化工、造紙、釀造等行業(yè)產(chǎn)生的大量高濃度有機(jī)廢水經(jīng)達(dá)標(biāo)排放后，仍含有多種難以降解的有機(jī)毒物，并在水環(huán)境中殘留，具有一定的生物積累性和“致癌、致畸、致突變”的毒性，已給水環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重威脅。毒物是指在一定條件下，經(jīng)生物體吸收后，引起生物機(jī)體功能性或器質(zhì)性損害的化學(xué)物質(zhì)。目前，已有超聲波處理、光催化氧化、電催化氧化、膜生物反應(yīng)器和化學(xué)催化氧化等治理新技術(shù)的研發(fā)，指導(dǎo)重點(diǎn)污染行業(yè)實(shí)施清潔生產(chǎn)。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性

以強(qiáng)電磁脈沖或電離輻射降解有毒難降解有機(jī)污染物是一個(gè)新的技術(shù)方向，尚未得到有效的發(fā)展。因大功率納秒脈沖產(chǎn)生裝置或設(shè)備的工業(yè)化水平較低，脈沖電磁、電離輻射降解有機(jī)污染物的應(yīng)用不夠廣泛。

有毒難降解有機(jī)污染物（如化石燃料中的有機(jī)硫和有機(jī)氮、二惡英、農(nóng)藥、染料等）引起的環(huán)境污染已成為21世紀(jì)影響人類生存與健康的重大題目。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性

二惡英(dioxin)是指含有二個(gè)或一個(gè)氧鍵連結(jié)兩個(gè)苯環(huán)的一類含氯有機(jī)化合物的總稱，也即是氯代二苯并二惡英(polychlorinateddibenzo-p-dioxins)，簡(jiǎn)稱PCDDs和氯代二苯并呋喃(polychlo-rinated

dibenzofurans），簡(jiǎn)稱PCDFs的統(tǒng)稱，其嚴(yán)格的學(xué)術(shù)名稱應(yīng)該是聚氯化二苯二惡英。氯原子取代數(shù)目不同而使PCDD和PCDF各有八個(gè)同系物(它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，性質(zhì)也具有一定的相似性)，每個(gè)同系物隨氯原子取代的位置不同又存在眾多異構(gòu)體，總共210種，其中75種氯代二苯并二惡英和135種氯代二苯并呋喃。實(shí)際上，環(huán)境中的二惡英以混合物形式存在。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性PCDFs由2個(gè)氧原子聯(lián)結(jié)2個(gè)被氯原子取代的苯環(huán)。每個(gè)苯環(huán)上的氫原子都可以被1～4個(gè)氯原子取代，由于取代的位置和數(shù)量的不同可形成210種異構(gòu)體(PCDDs有75種、PCDFs有135種)

。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性

二惡英有兩種形態(tài)：揮發(fā)性的氣體二惡英和顆粒狀的固態(tài)二惡英。它們?cè)诃h(huán)境中都能長(zhǎng)時(shí)間存在，且隨著氯化程度的增強(qiáng)，PCDD／Fs的溶解度和揮發(fā)性減小。二惡英僅在有機(jī)溶劑中溶解，水幾乎不能溶解。容易生成的溫度是180—400℃，分解溫度在700℃以上。在人與動(dòng)物體內(nèi)及受3lOnm左右紫外線照射時(shí)緩慢分解，在脂肪中高度分解。對(duì)酸、堿穩(wěn)定，土壤吸著性高，揮發(fā)性低。自然環(huán)境中的微生物降解、水解及光分解作用對(duì)二惡英分子結(jié)構(gòu)的影響均很小。例如，TCDD(四氯二苯異二惡英，共有22個(gè)異構(gòu)體)具有很低的蒸發(fā)壓，25℃時(shí)僅為2.3×10-4Pa，熔點(diǎn)3O5℃，在水中的溶解度僅為0.2g／L，且熱穩(wěn)定性好，即使溫度高達(dá)700℃也不會(huì)分解。

一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性

大量研究表明，很低濃度的PCDD／Fs對(duì)動(dòng)物可表現(xiàn)出致死效應(yīng)。人體暴露在很低濃度的PCDD／Fs環(huán)境中?？梢鹌つw痤瘡、頭痛、失聰、憂郁、失眠、內(nèi)分泌紊亂、生殖及免疫機(jī)能失調(diào)等。并可導(dǎo)致染色體損傷、心力衰竭等。其最大危險(xiǎn)是具有不可逆的致畸、致癌、致突變“三致”毒性。PCDD／Fs是迄今為止發(fā)現(xiàn)過(guò)的最具致癌潛力的物質(zhì)(致癌毒性是曲霉素的10倍、3，4一苯并芘的數(shù)倍)。國(guó)際癌癥研究中心已將其列人人類一級(jí)致癌物?？茖W(xué)家們甚至擔(dān)心人類的進(jìn)化是否會(huì)被這類物質(zhì)而終止。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性

在PCDD／Fs眾多異構(gòu)體中。其毒性可相差1,000倍。有17種2，3，7，8位置被氯取代的化合物毒性最明顯；其中又以2，3，7，8一四氯二苯對(duì)二氧芑(簡(jiǎn)稱TCDD)毒性為最大。大致相當(dāng)于沙林的10倍、氰化鉀的1000倍、砒霜的900倍；其皮膚接觸毒性是DDT農(nóng)藥的20,000倍。攝入毒性是DDT農(nóng)藥的4000倍。PCDD／Fs是目前世界上毒性最強(qiáng)的劇毒化合物。1盎司(28.35g)就足以置100萬(wàn)人于死地。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性化學(xué)鍵(Chemicalbond)鍵長(zhǎng)(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)化學(xué)鍵(Chemicalbond)鍵長(zhǎng)(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)B—F-644N—H101389B—O-515N—N145159Br—Br229193N═N125456C—B156393N≡N110946C—Br194276N—O146230C—C154332N═O114607C═C134611Na—Br250367C≡C120837Na—Cl236412C—Cl177328Na—F193519C—F138485Na—H189186C—H109414Na—I271304C—I214240O—H98464幾種化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)鍵能一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性化學(xué)鍵(Chemicalbond)鍵長(zhǎng)(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)化學(xué)鍵(Chemicalbond)鍵長(zhǎng)(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)C—N148305O—O148146C═N135615O═O120498C≡N116891P—Br220272C—O143326P—Cl203331C═O120728P—H142322C═O(CO2)-803P—O163410C—P187305P═O138585C—S182272P—P-213C═S156536Pb—O192382C═S(CS2)-577Pb—S239346C—Si186347Rb—Br294381Cl—Cl199243Rb—Cl279428幾種化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)鍵能一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性化學(xué)鍵(Chemicalbond)鍵長(zhǎng)(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)化學(xué)鍵(Chemicalbond)鍵長(zhǎng)(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)Cs—I337337Rb—F227494F—F140153Rb—I318319H—H75436S—H135339H—Br142366S—O-364H—Cl127431S═O143-H—F92565S—S207268H—I161298S═S189-I—I266151Se—H147314K—Br282380Se—Se232-K—Cl267433Se═Se215-K—F217498Si—Cl-360K—I305325Si—F-552Li—Cl202469Si—H-377Li—H239238Si—O-460Li—I238345Si—Si-176幾種化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)鍵能一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性C-Cl鍵的鍵長(zhǎng)(Bondlength)177/(10-12m)；C-Cl鍵的鍵能(Bondenergy)328/(kJ/mol)；C-O鍵的鍵長(zhǎng)143/(10-12m)，鍵能為326/(kJ/mol)

C═O鍵的鍵長(zhǎng)12010-12m，鍵能為728/(kJ/mol)

C-C鍵的鍵長(zhǎng)154/(10-12m)，鍵能為332/(kJ/mol)

C═C鍵的鍵長(zhǎng)134/10-12m，鍵能為611/(kJ/mol)

C≡C鍵的鍵長(zhǎng)120/10-12m，鍵能為837/(kJ/mol)N-N鍵的鍵長(zhǎng)145，125，110

/(10-12m)；N-N鍵的鍵能159，456，946/(kJ/mol)

；與二噁英分子相關(guān)的幾種化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)鍵能一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性降解二惡英的毒性主要措施是斷裂C-Cl鍵，也可斷裂C-O鍵，或斷裂C-C鍵致苯環(huán)開(kāi)裂；1eV=1.60217653×10-19J，1J=6.25×1018eV；1mol質(zhì)量中有6.02×1023個(gè)分子；單個(gè)二惡英分子的一個(gè)C-Cl鍵的鍵能為：54.67×10-20J，3.41eV；單個(gè)二惡英分子的一個(gè)C-O鍵的鍵能為：54.67×10-20J，3.38eV；單個(gè)二惡英分子的一個(gè)C-C鍵的鍵能為：54.67×10-20J，3.45eV；N—N的鍵能為26.5×10-20J，1.65eVN≡N的鍵能為156.7×10-20J，9.85eV一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，均勻電場(chǎng)中空氣擊穿電壓為30kV/cm。即，在此電場(chǎng)強(qiáng)度下，可致N2分子電離，即使考慮N2分子的鍵為N≡N三鍵，其鍵能為9.85eV。要斷裂將能為3.41eV的C-CL鍵，可用12kV/cm以上的電場(chǎng)強(qiáng)度即可。

與加載到空氣中的電場(chǎng)相比，降解二噁英的關(guān)鍵是如何為固體毒物加載脈沖高電壓。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性電磁脈沖：脈沖高電壓和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，可采用脈沖高電壓為待降解的污染物施加強(qiáng)電場(chǎng)，以場(chǎng)致電離的方式致分子鍵斷裂，達(dá)到降解的目的。電離輻射：電離輻射是一切能引起物質(zhì)電離的輻射總稱，其種類很多，高速帶電粒子有α粒子、β粒子、質(zhì)子，不帶電粒子有中子以及X射線、γ射線。實(shí)際應(yīng)用中，以電子、X射線最有可能。200nm的紫外光子能量約為6eV，從有機(jī)物的分子鍵能數(shù)據(jù)可知，紫外光子即可致污染物的分子鍵斷裂。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性高功率脈沖技術(shù)有兩種方式可應(yīng)用于降解有機(jī)毒物以直流高壓加載到需要降解的固體毒物上，在降解的同時(shí)也會(huì)形成高壓擊穿，只能以脈沖形式加載?？刂泼}沖的寬度，在要形成擊穿的瞬間，停止加載，是高場(chǎng)強(qiáng)僅應(yīng)用于化學(xué)鍵的斷裂，而不產(chǎn)生高壓擊穿。另外，輻射波電磁脈沖的效率較低，在一個(gè)有界波強(qiáng)勢(shì)中，根據(jù)待降解材料的介電常數(shù)，設(shè)計(jì)與脈沖功率源匹配的負(fù)載，將源的電磁能量有效的應(yīng)用到降解。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性一般產(chǎn)生等離子體輻射均采用高壓放電獲得，采用直流放電時(shí)，能量將通過(guò)放電等離子體通道以焦耳加熱的模式耗散了。為此，自然科學(xué)基金前期研究了介質(zhì)阻擋放電，期望放電等離子體通道不貫通以降低能量的耗散。

另一種方式是采用納秒脈沖高壓來(lái)獲得放電等離子體，當(dāng)高電壓加載到負(fù)載后，形成放電等離子體，而在沒(méi)有形成貫通的放電時(shí)，高壓已經(jīng)截止，在通過(guò)重復(fù)的放電有效利用放電能量。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性同軸線結(jié)構(gòu)電場(chǎng)公式：

同軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)外導(dǎo)體之間是極不均勻電場(chǎng)，可以在內(nèi)導(dǎo)體周圍局部產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。以N2的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為列，在外導(dǎo)體直徑20cm和外加50kV脈沖電壓下，內(nèi)導(dǎo)體直徑必須大于0.6cm，才能使其周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度下降到N2的擊穿場(chǎng)強(qiáng)30kV/cm以下。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性

當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體半徑很小時(shí)，導(dǎo)體周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度將導(dǎo)致內(nèi)導(dǎo)體表面發(fā)生強(qiáng)烈的場(chǎng)致電子發(fā)射，所發(fā)射的電子致周圍氣體發(fā)生電離，形成等離子體電暈。電暈層擴(kuò)大了內(nèi)導(dǎo)體半徑，直到電暈層外圍的電場(chǎng)強(qiáng)度降低到氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)以下。

可以采用金屬絲產(chǎn)生的強(qiáng)場(chǎng)電離待處理的污染氣體，電離層外仍然不斷發(fā)射電子電離外圍的污染氣體，達(dá)到降解的目的。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性

對(duì)于不適應(yīng)電離的有毒物質(zhì)，可采用石英管隔離。在石英管內(nèi)裝特定的氣體，該氣體在電暈層電離后發(fā)出特定譜的紫外光，紫外光透出石英管降解待處理的有毒有害物質(zhì)。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性目前已有大功率的重復(fù)頻率納秒脈沖發(fā)生器，可以應(yīng)用于有機(jī)有毒物質(zhì)的降解處理。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性

在已有的脈沖功率驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)源上以各種物理原理設(shè)計(jì)各種脈沖功率負(fù)載，將脈沖電磁能量轉(zhuǎn)換為需要的能量形式可以處理的有毒有害物質(zhì)。一、脈沖強(qiáng)電磁、電離輻射降解有機(jī)物毒性二、催化劑失活與再生催化劑種類：硅酸鈉;加氫精制催化劑481-2B;加氫精制催化劑481-3;加氫精制催化劑;加氫轉(zhuǎn)化催化劑;加氫轉(zhuǎn)化催化劑T201;加氫轉(zhuǎn)化催化劑T202;脫硫脫砷催化劑;脫砷催化劑;氧化鋅脫硫劑T302;氧化鋅脫硫劑T304;氧化鋅脫硫劑;苯胺加氫催化劑;尾氣凈化催化劑;氧化鋁載體TAC-01;渣油加氫保護(hù)劑;脫氧劑BH型;T305型氧化鋅脫硫劑

Z112Y系列天然氣一段轉(zhuǎn)化催化劑

Z204型天然氣二段轉(zhuǎn)化催化劑CZ-4型天然氣二段轉(zhuǎn)化催化劑

CB-3型CO高溫變換催化劑

CB-5型CO低溫變換催化劑二、催化劑失活與再生

/docc/product/prodail.asp?auto_id=101&kind2=20型CO低溫變換催化劑

J106-2Q型甲烷化催化劑

A110-1、A110-2型氨合成催化劑

二、催化劑失活與再生催化劑失活的定義在催化劑使用過(guò)程中反應(yīng)活性（轉(zhuǎn)化率）隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間而下降的現(xiàn)象稱為催化劑失活（deactivation)或衰變（decay)。催化劑失活的原因三個(gè)方面：化學(xué)的原因受熱（高溫）機(jī)械的原因二、催化劑失活與再生類型原因結(jié)果化學(xué)的結(jié)焦金屬污染毒物吸附表面積減少，堵塞表面積減少和催化活性降低活性位減少高溫受熱燒結(jié)非活性化合物的生成相轉(zhuǎn)變和相分離活性組分的包埋活性組分的揮發(fā)表面積減少活性組分喪失和表面積減少催化劑組成改變，表面積減少活性位減少活性組分減少機(jī)械的顆粒破碎結(jié)污催化劑床層溝流，堵塞表面積減少二、催化劑失活與再生結(jié)焦

或稱積碳，是指催化劑表面上生成含碳沉積物的過(guò)程；焦的形成是由結(jié)焦物在活性中心上的不可逆吸附引起的。表現(xiàn)為：（1）覆蓋表面，減少表面積；（2）覆蓋和包埋活性組分，降低活性；（3）堵塞孔道。結(jié)焦機(jī)理：酸結(jié)焦，脫氫結(jié)焦，離解結(jié)焦二、催化劑失活與再生酸結(jié)焦：烴類原料在固體酸催化劑上或固體催化劑的酸性部位上通過(guò)酸催化聚合反應(yīng)生成碳質(zhì)物質(zhì)。

CnHm(CHx)y

脫氫結(jié)焦：烴類原料在金屬和金屬氧化物的脫氫部位上分解生成碳或含碳原子團(tuán)。

CnHmyC離解結(jié)焦：一氧化碳或二氧化碳在催化劑的解離部位上解離生成碳。

二、催化劑失活與再生表現(xiàn)：1）分解并沉積在催化劑表面，封閉表面部位和孔；

2）自身的催化脫氫活性，促進(jìn)結(jié)焦；

3）再生時(shí)的催化氧化作用，促進(jìn)燒結(jié)；

4）熔融作用。金屬污染的來(lái)源：進(jìn)料中所含毒物雜質(zhì)吸附于催化劑表面，損害催化劑活性和選擇性。金屬卟啉（porphyrins)絡(luò)合物或非卟啉化合物，主要是V、Ni、Fe、Cu、Ca、Mg、Na、K等，含量ppm數(shù)量級(jí)。二、催化劑失活與再生中毒的程度：毒物與催化劑活性組分相互作用的性質(zhì)和強(qiáng)弱。

可逆中毒：可以再生的、暫時(shí)性的中毒；

不可逆中毒：不可以再生的、永久性的中毒。中毒：催化劑所接觸的流體中的少量雜質(zhì)吸附在催化劑的活性位上，使催化劑的活性顯著下降甚至消失，稱之為中毒。使催化劑中毒的物質(zhì)稱為毒物。二、催化劑失活與再生（1）第V族和VI族元素具有未共享電子對(duì)的非金屬化合物,即N、P、As、Sb和O、S、Se、Te的化合物（2）金屬離子具有已占用的d軌道，并且d軌道上有與金屬催化劑的空軌鍵合的電子。（3）不飽和化合物

分子中的不飽和鍵能提供電子與金屬催化劑的d軌成鍵。二、催化劑失活與再生燒結(jié)：

粉狀或粒狀物料加熱至一定溫度范圍時(shí)固結(jié)，導(dǎo)致微晶長(zhǎng)大，孔減少，孔徑分布發(fā)生變化，表面積減少，活性位數(shù)減少，催化劑活性下降。相轉(zhuǎn)變和相分離：熱和水熱引起的活性相相變甚至結(jié)構(gòu)破壞則常造成嚴(yán)重失活，或永久失活；二、催化劑失活與再生顆粒破碎：

催化劑在使用過(guò)程中應(yīng)力的作用和組成、結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)的變化引起機(jī)械強(qiáng)度下降，顆粒破碎。結(jié)污（Fouling)

固體雜質(zhì)碎屑在催化劑顆粒上的沉積，遮蓋表面，堵塞孔道，甚至導(dǎo)致顆粒粘結(jié)。二、催化劑失活與再生現(xiàn)有的催化劑再生方法：燒焦再生（空氣、氮?dú)猓┏R界溶劑再生溶劑再生水蒸氣再生二、催化劑失活與再生再生步驟：

燒焦－氧化去除催化劑表面的焦炭

氯化－通入有機(jī)氯化物，補(bǔ)充氯的損失，同時(shí)使金屬鉑轉(zhuǎn)化為氯化鉑，便于鉑的再分散

氧化（更新）－使鉑轉(zhuǎn)化為氧化物，便于鉑的固載化與分散

還原－通氫氣還原，使鉑還原為金屬態(tài)，恢復(fù)活性二、催化劑失活與再生再生前后重整催化劑性能比較

性能新鮮催化劑燒焦后催化劑再生后催化劑比表面積/m2/g190124124鉑平均晶粒度，nm5.014.55.0相對(duì)活性14036136二、催化劑失活與再生二、催化劑失活與再生定向沖擊波擊碎了串接在金屬筒上面的有機(jī)玻璃筒。

當(dāng)沖擊波峰值壓力超過(guò)儲(chǔ)層的疲勞強(qiáng)度時(shí)，且持續(xù)一定的時(shí)間，就會(huì)撕裂儲(chǔ)層，在物體上造成裂隙，并隨著作用次數(shù)的增加不斷延伸，直至毀傷。二、催化