和高污染高能耗过几招

田媛

张锦泰是东南大学热力工程及工程热物理专业的硕士研究生。在本科阶段，他就参加了全国大学生节能减排科技竞赛，带队研制出的“新型薄膜太阳能汽车辅助空调系统”在上千作品中崭露头角。读研后，他更一心扑在了“节能减排”这个领域中，重点研究起如何处理化工厂排放的有机废液。张锦泰开玩笑说：“我做科研就像升级打怪一样，要时不时地和高污染高能耗过个招！”

向车内高温说“NO”

张锦泰本科就读于武汉理工大学，五年前他就开始考虑如何用太阳能为车内空调发电了：“大二的夏天，我在图书馆自习，偶然抬头看到一个爸爸要让他的孩子坐进停在太阳底下的小汽车里，结果小朋友嫌车里太热，怎么都不肯进去我当时就想，是否可以尝试在小汽车的上方装上太阳能电池板，贮存起在高温暴晒下收集到的太阳能，当汽车处于停放状态时，就可以利用它使空调运行，降低车内的温度，这样在夏天打开车门时，就不会有那股扑面而来的热浪了。”

想到就做，张锦泰立马投入了相关的调研。查阅资料后，他发现薄膜太阳能电池板具有的属性最中他的意：“虽然当时市面上晶体硅太阳能电池板的应用更广泛，发展也更成熟，但它却不能弯曲，而薄膜太阳能电池则更轻薄，甚至可以做到微米级别，最重要的一点是，它可以弯曲，铺在车顶完全没问题。”讲到这里，张锦泰又补充道：“当时唯一存在的问题是，我不知道薄膜太阳电池的光电转化效率怎么样，不过这个问题在两年后被解答了，2015年有实验室证明了碲化镉薄膜太阳电池的光电转化效率可以达到 21.5%，这样看来，我当初的选择没错。”

贮存能量的问题解决了，可如何利用这部分能量使车内的空调运行又愁怀了张锦泰：“车内的空调原本是靠烧油运转的，加上车内的空间本来就很小，传统的空调中压缩机、制冷剂、冷凝器等结构已经占去了很多空间，如果再加入一个靠太阳能使空调运转的系统，就会使车内的系统运行变复杂，工程量也会巨大”这些问题互相制约互相矛盾，令张锦泰一筹莫展。

在用太阳能为车内空调发电的想法被搁置后的第三个月，全国大学生节能减排科技竞赛开始了。这时，张锦泰又重新考虑起这个灵感：“我心中有一种执念，觉得用太阳能为车内空调发电这个想法很有价值，所以我也愿意继续钻牛角尖。”在别的同学都在忙着一系列的竞赛前期准备时，张锦泰已对这个问题越钻越深，他不停地查资料，翻文献，请教老师，终于在一位老师的提点下找到了前进的方向：“老师建议我尝试利用半导体制冷片制作简易空调。其实这种半导体制冷系统我之前考虑过，它不会对大气和臭氧层有破坏作用，而且还可以组成自动控制系统，这些优点很让我动心，但有资料表明它的制冷效果不尽如人意，所以当时就被我排除了。”但老师的建议也让他换了个思路，不再追求车内凉爽的感觉，而改为了保证车内“不热”，“换句话说，我原来是想让空调为汽车降温，现在将目标变成了减慢车内温度的上升速度。”

有了明确的思路后，张锦泰确定了名为“新型薄膜太阳能汽车辅助空调系统”这一选题，带领着六位小伙伴开始研制他心中的节能减排空调。最终的成果也让张锦泰挺满意：“这种节能减排空调是太阳能发电技术和半导体制冷效应的结合体，它不需要制冷剂，也没有噪声，还不需要人为的控制，空调的运行依赖于半导体制冷系统中精确的温度感应。在后期的实验箱模拟实验中，我们设定当箱内温度大于 30℃时，半导体制冷装置开始工作，当实验箱处于30℃～37℃时，箱内温度不会超过32℃，这说明这种节能减排空调还是有一定的使用和推广价值的。”

在那次竞赛中，张锦泰带领的团队获得了校级一等奖，全国三等奖的成绩。如今再说起当时的研究，张锦泰的考虑更为成熟了：“如果太阳能蓄电池能与车用蓄电池相连，就还能为汽车提供电能，减少油耗，这样还可以进一步达到节能减排的目的。”不过相较于对作品的改良，那场竞赛带给张锦泰更大的收获是，他从此踏上了节能减排这条路。

挑战传统废水处理方式

保研到东南大学攻读硕士研究生后，张锦泰更是一头扎进了节能减排这个领域，初入实验室，他就将导师的项目——“关于化工厂排放的高浓度有机废液的处理”接手了过来。废水污染这个话题对张锦泰来说并不陌生：“我家门口有条小河，小时候光脚站在河里，能看到小鱼从脚边游过去，但自从我读高中后建了好几个化工厂，就再也没看到过鱼了。”正因为这样一段记忆，他对废水处理这个研究课题斗志满满。张锦泰说：“化工厂如造纸厂、纺织厂等都会排放有机废液，人们通常将COD（化学需氧量）浓度大于 2000mg/L的有机废液称为高浓度有机废液，其中的COD是一个有机污染物参数。高浓度有机废液中含有芳香族化合物、杂环化合物等有机物，而且还有一些重金属和无机盐成分，如果不加以处理直接排放，废液会污染土壤和环境，进而危及到人类的身体健康。”

化工厂的废水处理技术如今已相对成熟，可是这些技术都有各自的缺点：“拿高浓度有机废液的常规处理技术来说，主要有三种方式：对于可降解的废液，可以利用生物法处理，也就是利用微生物的降解能力来降解废液中的大分子有机物，转化为无害的稳定物质，但这种处理方式的时间周期太长，对于难降解的有毒物质的处理能力也较差；对于成分较单一的废液，可以利用物理化学法处理，但是这种方式成本又比较高，而且适用面也比较狭窄；还有一种方法是化学法，其中又包括了氧化法和焚烧法，焚烧法的COD去除率可以达到 99.99%，但这种方式能耗又很大。”

面对着这些各有所长又各有所短的废液处理方法，张锦泰苦苦钻研了好几个星期，可考虑了很久也没头绪，不过他还是拿出了当年钻牛角尖般的科研精神，没过多久就被一个意外捕捉到的灵感“砸”中了。

“在我家乡有个液化天然气厂，一次我经过时，看见有运输液态天然气的槽车停放，忽然特别好奇液态和气态的天然气是如何实现转化的，我就打开手机搜索了起来。”液态天然气吸热汽化，转变为气态的天然气，可天然气又是化石能源，该如何加热呢？“原来，液化天然气厂是利用浸没燃烧技术来实现液态天然气向气态转化的。所谓的浸没燃烧技术，就是将燃烧室浸没在水中，燃烧室内的空气与一些燃料预先充分混合后，一起进行完全燃烧。燃烧室内产生的高温烟气可加热与燃烧室一起浸没在水中的天然气管道。因为水的温度很高，当天然气管道内的天然气从水中进入再出去时，就完成了液态天然气向气态的转换。”

在回家的路上，张锦泰回想着刚才搜索到的浸没燃烧技术，忽然他一个激灵反应过来，“对浸没燃烧法稍作改动就可以用来处理化工厂废液啊！”原来，张锦泰这次考虑的不再是如何将废液中的有机物和无机物除去，而是换了个路子，先利用浸没燃烧法将废液中的液态水除去，然后再集中处理含有有机物和重金属盐等无机物的高浓度浓缩液。

在接下来几个月制定实验方案，模拟操作实验过后，张锦泰的这一套废液处理方法逐渐成形。“在我的实验设计中，我将浸没燃烧装置中被高温烟气加热的水换为化工厂废液，燃烧室内的燃料也换为废液。因为废液中含有有机可燃物，在燃烧室内燃烧后，产生的高温烟气可以直接用于加热废液，蒸出废液中的液态水，从而得到高浓度的废液浓缩液。除此以外，我又额外加入了两个装置，一个是将池内的废液压入燃烧室内进行燃烧的压泵，因为靠燃烧处理的废液处理效率要远远高于靠高温烟气处理的废液；第二个装置是尾气处理装置，对燃烧过后的部分挥发性的有机物和其他燃烧产物进行收集处理，避免污染环境。”

实验做到现在，张锦泰还要根据检测结果进行最后的分析和优化，以求达到更佳的实验效果。回想起从液化天然气厂获得的灵感，张锦泰开玩笑说是自己运气好，但事实上，更多的是来自于他对事物的好奇心、思考联系的能力、以及对节能减排的念念不忘。

责任编辑：曹晓晨