微波技术在环境保护领域中的应用

微波技术在环境保护领域中的应用

王剑虹1,严莲荷1,周申范1,刘德宝2

(11南京理工大学水处理所,江苏南京　210094;21唐山钢铁股份有限公司热轧薄板厂,河北唐山　063020)

[摘要]对当前微波辐射技术在环保领域的应用和研究状况进行了综述,着重介绍了微波加热机理及其特点,在废水、废气、固体废弃物的处理,环保材料的研制,环境监测等方面的应用,讨论了应用中存在的一些问题,并展望了微波技术在环保领域的应用前景。

[关键词]微波;辐射加热机理;废水;固体废弃物;环境监测

[中图分类号]X509　[文献标识码]A [文章编号]1005-829X (2003)04-0018-05

Application of the microwave technology to the environmental protection

Wang Jianhong 1,Yan Lianhe 1,Zhou Shenfan 1,Liu Debao 2

(11W ater T reat ment Instit ution ,N anji ng U niversity of Science &Technology ,N anji ng 210094,Chi na ;

21Tangshan I ron and S teel Co.,L t d.,Tangshan 063020,Chi na )

Abstract :The microwave irradiation technologies applied to environmental protection is surveyed.The mecha 2nism and features of microwave irradiation and the microwave technologies applied to wastewater are emphasized especially.Waste gas and waste solid treatment ,environmental protection materials production and environmen 2tal monitor and the problems of the technologies are discussed the applicable prospect of the microwave technolo 2gy in the environmental protection.

Key words :microwave ;irradiation mechanism ;wastewater ;waste solid ;environmental monitor

自1970年使用微波炉装置成功的处理核废料以来,微波技术迅速扩展到了化学领域。而近十几年来人们已经注意到微波在环境保护领域的应用潜力。对微波加热机理及其特点,在废水、废气、固体废弃物的处理,环保材料的研制,环境监测等方面都进行了广泛的研究,我们对微波辐射技术的发展方向进行了展望,相信微波技术将会有广泛的应用前景,一旦工业化可以带来巨大的经济和社会效益。1　微波加热的机理和特点 微波是一种电磁能。可改变离子迁移和偶极子转动情况,但不引起分子结构改变,是非离子化的辐射能。微波通常是指波长为1mm 到1m 之间(频率300～300000MHz )的电磁波,介于红外与无线电波之间,而最常用的加热频率是2450MHz 。一般来说,介质在微波场中的加热有两种机理,即离子传导和偶极子转动。在微波加热的实际应用中,两种机理的微波能耗散同时存在。1.1　离子传导机理 离子传导是电磁场中可离解离子的导电移动,离子移动形成电流,由于介质对离子的阻碍而产生热效应〔1～3〕。溶液中所有的离子起导电作用,但作用大小与介质中离子的浓度和迁移率有关。因此,离子迁移产生的微波能量损失依赖于离子的大小、电荷量和导电性,并受离子与溶液分子之间的相互作用的影响。1.2　偶极子转动机理 介质是由许多一端带正电,一端带负电的分子(或偶极子)组成。如果将介质放在两块金属板之间,介质内的偶极子作杂乱运动,当直流电压加到金属板上,两极之间存在一直流电场,介质内部的偶极子重排,形成有一定取向的有规则排列的极化分子。若将直流电换成一定频率的交流电,两极之间的电场会以同样频率交替改变,介质中的偶极子也相应快速摆动,在2450MHz 的电场中,偶极子以4.9×109次/s 的速度快速摆动。由于分子的热运动和相邻分子的相互作用,使偶极子随外加电场方向的改变而作规则摆动时受到干扰和阻碍,产生了类似摩擦的作用,使杂乱无章运动的分子获得能量,以热的形式表现出来,介质的温度也随之升高。 偶极子加热的效率与介质的弛豫时间、温度和粘度有关。而温度和介质离子的迁移率、浓度及介质的弛豫时间决定两种能量转换机理对加热的贡

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1—2003年4月第23卷第4期 工业水处理Industrial Water Treatment

Apr.,2003

Vol.23No.4

献。

2　用于废气处理

随着现代工业的发展,二氧化硫、氮氧化物的排放越来越多。大气中的二氧化硫是形成酸雨的主要来源,氮氧化物会破坏臭氧层且能形成光化学烟雾,重金属和炭微粒等都对人类和整个生态环境带来极大危害。利用微波技术可以处理氮氧化物和二氧化硫,同时还能有效收集废气中的炭微粒。

废气中除SO2和NO x外,还有大量的N2, H2O,CO2和O2,这些物质能被5～20eV之间的电子能电离和激发,形成活性基〔4〕。微波这种高频电磁波具有高能性,可激发和电离N2,H2O,CO2,O2,形成HO・,HO2・,N・,H・活性基和自由电子。HO・, HO2・,O・又与SO2和NO x反应生成SO3和NO2。因此,可以利用微波的高能性直接处理SO2和NO x。如:D.Martin利用2.45GHz微波直接处理燃煤废气中的SO2和NO x,在微波辐射作用下形成的活性基与SO2和NO x结合,生成SO3和NO2,在水中形成H2SO4和HNO3,达到处理目的〔5〕。

此外,在微波辐射下可采用一种易吸收微波辐射能的物质为还原剂,处理废气中的SO2和NO x。张达欣等人在实验室模拟条件下进行实验,研究了一种不用催化剂采用微波-碳还原技术处理二氧化硫的新方法,研究结果表明:微波功率和反应器的类型及升温速率对二氧化硫的去除率影响较大〔6〕。在连续施加微波时,二氧化硫的去除率可达95%以上,此外还对二氧化硫与活性炭的产物进行了表征。而美国Cha公司和怀俄明州大学联合采用易吸收微波射频能的活性炭还原剂在RF的能量场的作用下,脱除燃煤锅炉烟气不仅成功的使SO2还原成单质S,NO x还原成保护气N2,碳转化为CO2,而且脱硫率达到95%以上〔7〕。Chang Yuicha等人用微波收集并销毁较大范围内的含氯及含氮挥发性有机物〔8〕。非含氯的有机挥发物质矿化为H2O和CO2,含氯有机物则有HCl产生。在装置中加入了吸收HCl的设备。同时该装置还可去除燃烧后气体中的SO2和NO x。从而纯化了空气,提高了大气的质量。此方法和等离子体法用于烟气脱硫脱硝相比具有装置简单,一次性投资小,操作简单,使用寿命长等优点,由于不使用催化剂,不存在催化剂失活和中毒等问题。因此,微波技术处理必将在天然气、石油化工等领域赢得广阔的市场。

烟气中的炭微粒由于粒径极小,约为0.01～0.2μm,能长期悬浮于空气中,易于通过呼吸系统而沉积于人体肺泡内,极具致癌作用。国外正在研究一种采用微波加热收集炭微粒的收集器,当炭微粒积聚到一定程度时,可自动燃烧掉,收集器对炭微粒的滤除效果达到60%～90%,由于炭微粒能自动燃烧可免去人工收集的麻烦〔9〕。

3　用于固体废弃物的处理

每年全球多种工业产生富油淤泥多达几十亿t,如果采用传统的分离方法和填埋方法,将耗费巨资并占据相当多的填埋场地。因此富油淤泥的处理和废油回收新技术的研究成为一个紧迫的全球性问题。针对这一问题,美国匹兹堡Carnegie Mellon研究所环保研究中心的D. A.Purta等人开发了含油淤泥的脱油技术〔10〕。研究结果表明:微波脱油处理系统比常规法快30倍,系统体积比常规的乳液分离系统小90%。Imperial Petroleum Recovery公司的R.Edward Peterson等人在Purta的技术基础上进一步开发了原油淤泥的脱油技术〔10〕。其过程为:首先用微波辐射原始乳液,然后再以连续流动方式离心分离。该装置处理能力为283.5L/min。分离得到高质量的油料,含低固体量的水和糊状固体。油料回收率为98%,残余固体可以填埋处理。

微波技术还可以使建筑垃圾回收再利用。据报道,美国的CYCL EAN公司采用微波技术可以100%地回收利用建筑垃圾,再生旧沥青路面料,其质量与新拌沥青路面料相同,而成本可减低1/3,同时节约了垃圾清运和处理等费用,大大减轻了城市的环境污染〔11〕。

微波辐射能对某些固体废弃物进行干燥和杀菌处理。丁迎伟等利用微波辐射干燥动物粪便,可提高动物粪便作为农业肥料的利用效率,并可杀病原体,既增加了养殖业的收入,又减小了农业污染〔12〕。Alschuler等人把下水道排出的粪便放入微波炉内,经过微波辐射干燥燃烧45min后,一堆糊状的污染物就变成了一堆干净的、粉状的灰〔13〕。Ikawa等人把一块受污染的棉布放入微波炉内,只需1min微波杀菌就能达到99%〔14〕。因此,微波技术用于固体废弃物的干燥和杀菌处理,不仅方便省时,而且污染小,效率高。

由于医疗垃圾具有毒性,难以用常规方法进行处理。有研究表明:微波技术既可用于现场医疗垃圾的处理,又可用于废物转移处理〔15,16〕。Werner Curt等人发现,许多医院在对有毒废物处理之前,采用微波对其进行消毒〔17〕。在一定的条件下,将医

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工业水处理2003-04,23(4) 王剑虹,等:微波技术在环境保护领域中的应用