微波技术在环境污染治理中的研究进展

冯海强

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

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微波技术在环境污染治理中的研究进展

冯海强

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

微波作为一种新型的能源,与传统加热相比,具有选择性加热、加热速度快、热效率高和便于控制等特点。文章着重介绍了微波技术在去除废水、废气、土壤和固体废弃物中污染物的应用和研究进展情况,微波技术在实际应用方面有很广泛的前景。

微波;环境治理;研究;进展

微波技术是在20世纪才发展起来的一门新技术。它首先应用在电视、广播、通信技术中,自上60年代人们才开始利用其热效应进行工业生产过程。近几年来微波以其快速、均匀、节能、环保等诸多优点已逐渐成为一种新型的能源,而且微波加热与传统加热不同,传统加热是由外部热源通过热辐射由表及里的传导加热,与之相比,微波加热具有选择性加热、加热速度快、热效率高和便于控制等特点,越来越多地被应用于化学工业、制药工业、环境保护等各个领域,进行加热、干燥、催化、萃取、“三废”处理和环境监测等。本文着重介绍微波技术在去除废水、废气、土壤和固体废弃物中污染物的应用和研究进展情况。

1 微波技术对水中污染物的去除

Chih-Ju G.Jou和H.S.tai[1]在活性炭、微波共同作用下处理了溶液中的苯、甲苯、二甲苯及苯酚。先将污染物吸附到颗粒活性炭上,然后用微波辐射吸附了污染物的活性炭。结果表明微波辐射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。实验发现在微波辐射下,活性炭粒子间产生弧光并且很快变得火红,此时的温度可达1 200℃以上,在这样高的温度下有机污染物很快分解成CO2和H2O。

在国内,邹宗柏等[2]首先用活性炭吸附废水中的磺基水杨酸,然后将滤出的活性炭微波辐照使其再生,实验表明活性炭在微波炉的低火下辐照40 s即可将表面的有机污染物彻底氧化。王金成等[3,4]分别以活性炭和经过镍改性的活性炭为催化剂,微波诱导催化氧化处理废水中的活性艳蓝KN-R染料,结果表明,镍改性的催化效果明显优于未改性活性炭的催化效果,活性炭使用前后的比表面积几乎没有变化,两者的脱色动力学均符合一级反应动力学。

破乳除油是微波在污水处理的研究与应用较成功的方面。微波加热可加速油水分离过程,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-硅藻土乳浊液的微波加热分离,并与常规加热及不加热重力沉降进行了比较。结果表明,微波加热明显加快了油水分离,且在相同条件下,微波加热比常规加热有更好的油的回收率,不加热单靠重力沉降时,在60 min内,油水不进行分离,60 min以后油水才开始分离。

2 微波技术对气态污染物的去除

由于微波在空气中具有较好的穿透深度,并且在穿透过程中能量损耗较少,具有较好的工业化应用前景,所以微波在废气治理领域中得到了广泛的应用。

对于污染气体的微波处理,可以借助于炭或活性炭的强烈吸收微波能力形成高温,从而将吸附于活性炭表面的污染气体分解。Chang Yul Cha等[6]进行了微波消除NOx实验研究。先让NOx气体通过炭床吸附,饱和后进行微波辐照,此时吸附的NOx与C反应生成N2和CO2。NOx的去除率可达98%。微波辐射除去NOx的同时也使碳床获得再生,而且再生后对NOx的吸附能力和吸附速率有明显的提高。张达欣等人[7,8]通过两种操作方式研究了NO和SO2的微波-炭还原,在微波作用下, NO或SO2均被炭还原。实验中发现,NO和SO2的反应效率和反应温度随微波功率增加而增加。此外,催化剂CuCl的添加有利于反应效率的提高。

一般废气中除了SO2和NOx外,还有大量的N2、H2O、CO2和O2。Wojtowicz等人[9]认为,微波这种高频电磁波具有高能性,能激发和电离N2、H2O、CO2和O2,形成各种活性基团和自由电子,从而与SO2和NOx反应。D.Martin[10]利用2.45 GHz微波直接处理燃煤废气中的SO2和NOx,在微波加热作用下形成的活性基与SO2和NOx结合,生成SO3和NO2,在水中形成 H2SO4和 HNO3,达到处理目的。马文等[11]利用微波辐射进行了 FeS催化 H2S分解为H2和S的实验研究。实验表明,硫化氢的分解转化率与硫化氢的浓度、催化剂FeS的用量及微波辐照时间有关,在最佳条件下硫化氢分解转化率可达87.95%。Jou等人[12]用颗粒活性炭吸附苯、甲苯和二甲苯,吸附后的活性炭用微波辐照,检测表明所有的有机物均被氧化为CO2和H2O,活性炭表面的温度高达1 200～1 800℃,活性炭床层有电弧出现。

3 微波对土壤中污染物的去除

常压下用微波辐射含有有机污染物的土壤,可使有机污染物降解。RudolphA等人[13,14]研究了土壤中多氯联苯等有机物的微波降解,发现在一些催化剂(如Cu2O、Al、Zn、NaOH、盐酸等)存在下,微波辐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剂存在的条件下,土壤被加热到很高的温度(1 000℃以上),从而使有机污染物被氧化分解成二氧化碳、水及无机盐类。

在减压、低温条件下微波辐射可以除去土壤中易挥发的有机污染物。George等[15]研究了低温减压条件下用微波净化含有甲苯、二甲苯的土壤,他们发现,在低温(100℃以下)减压条件下,微波辐射很容易使土壤中的甲苯、二甲苯挥发掉(进入吸收塔),并且不会分解。并用此法清理了土壤中的五氯苯酚(沸点310℃)。土壤中加入炭屑(平均直径为10 mm)可加快其升温速度(这是因为炭屑有很强的微波吸收能力,所以微波照射时其温度迅速上升,从而导致土壤的温度升高),提高对污染物的去除率。实验表明,对含五氯苯酚300μg/g的土壤,微波辐照45 min后,五氯苯酚的去除率为20%,当加入40%的碳屑后,去除率可提高到60%。

4 微波技术在固体废弃物处理方面的应用

微波在处理废弃物时有如下优点[16]:污染物明显减容;适于污染物原位处理;处理过程迅速,适应性好,并可采用远程控制;设备便于携带,机动性好;安全性高,减少了人暴露于处理废物的时间;使用清洁能源等。微波技术的这些特点决定了它在固体废弃物处理中有着极为广泛的应用前景。

傅大放等[17,18]研究了微波加热对污水厂污泥的处理效果,结果表明,污泥经微波辐照处理后,氮、磷、有机质的含量有所降低,但仍是很好的有机肥原料,污泥的卫生学指标(以大肠杆菌菌群数为评价指标)能达到控制标准的要求。

微波辐照技术可应用于医疗垃圾的灭菌消毒处理。Werner Curt等[19]研究发现,在一定的条件下,用微波对浸湿粉碎的医疗垃圾进行灭菌消毒处理,细菌和毒素能被彻底消灭,而且废物体积减少了60%～90%,更适合于掩埋处理。与传统的焚烧法相比,微波法不会产生有害的烟气和飞灰,降低了火灾和爆炸的危险,而且时间短见效快。

微波焚烧在处理废印刷电路板(PCB)、回收贵金属的研究及专利亦有报道。其方法通常先将废印刷电路板粉碎,用微波将其加热至低沸点有机物挥发或燃烧,使低熔点金属锡、铅熔化而分离出来,再继续加热至一定高温,使污染物熔化成玻璃化物质,高熔点的金属银、金等就分离出来并可回收利用,玻璃化物质可用作建筑材料。该方法既对有用成分进行分离回收利用,又避免了传统处理方法造成的二次污染。

微波技术在废旧轮胎的回收利用方面的应用也有许多研究。采用微波加热,在有极性化合物存在的条件下(如硫化橡胶含有这种官能团),适当的能量即可打开C—C键[20,21]。目前已有利用微波处理废旧轮胎的工厂,利用该法能够回收36%的炭,33%的产品为高质量活性炭和其它炭化产品(石油烃等),残余的H2、CH4混合气可用于系统的热源。该处理过程采用封闭处理(惰性N2),避免生成二恶英、油烟和灰[22]。此外微波技术还可以用于建筑垃圾、包装废物、放射性有毒废物等的处理。

5 结 论

微波技术具有快速、均匀、节能、环保等优点,同时与传统加热相比,还具有选择性加热、加热速度快、热效率高和便于控制等特点,致使微波技术快速地应用于环保领域。微波技术逐渐走出实验室阶段,投入实际的应用当中,在废水、废气、土壤和固体废弃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] 邹宗柏,傅大放,张璐.用微波辐照消除磺基水杨酸污染物[J].环境污染与防治,1999,21(1):22-24.

[3] 王金成,薛大明,全燮,等.微波辐射处理活性艳蓝 KN-R染料溶液的研究[J].环境科学学报,2001,21(5):628-630.

[4] 王金成,薛大明,全燮,等.活性艳蓝 KN-R染料溶液微波催化脱色研究[J].大连理工大学学报,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] 张达欣,于爱民,金钦汉.微波-炭还原法处理一氧化氮的研究[J].高等学校化学学报,1997,18(8):1 271.

[8] 张达欣.NO和SO2的微波-炭还原基期在线测定方法的研究[D].长春:吉林大学,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]马文,王新强,倪新华.微波催化法分解硫化氢的研究[J].石油与天然气化工,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,陈建孟.微波在环境污染治理工程中的应用[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(12):64-69.

[17]傅大放,蔡元明,华建良,等.污水厂微波处理的实验研究[J].中国给水排水,1999,15(6):56-57.

[18]傅大放,邹路易,蔡元明.微波加热对污泥肥效和卫生指标的影响[J].中国给水排水,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

冯海强(1981-),男,助理工程师,主要从事环境影响评价工作。

2010-05-26