微波技術在環(huán)境保護領域的應用
微波技術起源于20世紀30年代，最初應用于通訊領域。微波技術在通訊以外的使用可追溯到20世紀50年代，而它在環(huán)境保護領域的應用則鮮有探討。直到最近十幾年間，人們才開始注意到微波技術應用在環(huán)境保護領域的潛力，現已成功地用于廢氣、廢水、固體廢棄物的處理及環(huán)境監(jiān)測等方面，該技術在環(huán)境保護領域具有廣泛的應用前景。
1 微波技術在環(huán)境保護領域的應用
1.1 用于廢氣處理
廢氣中的污染物主要指NOx、SO2、重金屬、碳微粒等，這些物質對人類和整個生態(tài)環(huán)境危害極大。利用微波技術能處理廢氣中的SO2和NOx，同時還能有效地收集廢氣中的碳微粒。
廢氣中除SO2和NOx外，還有大量的N2、H2O、CO2和O2，這些物質能被5~20eV之間的電子能電離和激發(fā)，形成活性基[1]。微波這種高頻電磁波具有高能性，可激發(fā)和電離N2、H2O、CO2、O2，形成·OH、·O2H、N·、O·、H·活性基和自由電子。·OH、·O2H、O·又與SO2和NO2和NOx反應生成SO3和NO2。因此，可以利用微波的高性能直接處理SO2和NOx。如：D.Martin[2]利用2.45GHz微波直接處理燃煤廢氣中的SO2和NOx，在微波輻射作用下形成的活性基與SO2和NOx結合，生成SO3和NO2,在水中形成H2SO4和HNO3，達到處理目的。
此外，在微波輻射下可采用一種易吸收微波射頻（RF）能的物質為還原劑，處理廢氣中的SO2和NOx。RF能是一種能量存在的形式，它可提高化學反應的速度和效率，由于這種物質易吸收RF能，在RF能量場中溫度會迅速升高，在氣相和固相之間形成很高的溫度梯度，而且隨著RF能加快反應速度，這種物質奪取氣相氧化物中的氧速度也加快，使氧化物還原成單質[3]。如美國Cha公司和懷俄明州大學聯合用微波脫除燃煤鍋爐煙氣中的SO2和NOx。采用易吸收微波射頻能的活性炭為還原劑，在RF能量場的作用下，不僅成功地使SO2還原成單質硫，NOx還原成保護氣N2，碳轉化為CO2，而且脫硫率達到95%以上[4]。
采用微波技術進行脫硫脫硝，沒有傳統濕式石灰/石調用法存在的二次污染、設備腐蝕、工藝復雜、效率低等問題，與電子束法相比投資小、裝置簡單、能耗低。因此，微波技術處理SO2和NOx必將在天然氣、石油化工等領域贏得廣闊的市場。
煙氣中的碳微粒由于粒徑極小，約為0.01~0.2μm，能長期懸浮于空氣中，易于通過呼吸系統而沉積于人體肺泡內，極具致癌作用。國外正在研究一種采用微波加熱收集碳微粒的收集器，當碳微粒積聚到一定程度時，可自動燃燒掉，收集器對碳微粒的濾除效果達到60%~90%，由于碳微粒能自動燃燒可免去人工收集的麻煩[5]。碳微粒收集器的廢氣凈化效果非常明顯，對當前柴油車的廢氣污染治理具有重要意義，結合我國當前的技術水平，很有必要進行研制開發(fā)和推廣應用。
1.2 用于污水處理
污水中含有大量的有機污染物、無機污染物、污泥等，這些物質可對環(huán)境產生嚴重的污染。利用微波的加熱特性，可將微波技術有效地用于污染。利用微波的加熱特性，可將微波技術有效地用于污泥、有機污染物的處理及有機絮凝劑的制備。
微波加熱具不需傳熱、內外同熱、沒有熱傳遞過程的熱損失特點，與傳統加熱法相比，微波加熱的熱效率高。因此，在生產污水處理過程中，可采用微波加熱來代替?zhèn)鹘y加熱使污泥脫水和干燥。有研究表明，微波加熱可用于機械脫水后的污水污泥處理，而且效果尤為顯著。傅大放等[6]報道，把污水廠未經消化的污泥放入微波爐中加熱45min，直接的效應是污泥含水率的降低。經過機械脫水后的污泥用微波進行干燥，含水率由75%降低到50%以下，處理成本低，而且時間短，設備簡單。因此，將微波加熱用于對污泥的干燥處理，在技術上是可行的，經濟上與傳統方法也有可比性，利用微波加熱處理機械脫水后的污水污泥，不但可以實現污泥農肥化、袋裝化，而且也為污水廠污泥的資源化利用探索出便捷、高效的新途徑。
處理污水中有機污染物常用的一種方法是活性炭吸附法，但吸附后的活性炭表面有機物卻難以處理。微波輻射能有效地解吸活性炭表面的有機物，使活性炭再生并有利于有機物的消解和回收再利用。有研究表明，利用微波加熱解吸可消解污水中的有機物[7]。如G.CHIH等[8]采用低能度的微波輻射，可以對污水中及附在粒狀活性炭表面的有機毒物三氯乙烯、二甲苯、萘以及碳氫化合物等進行解吸和消解，其最終分解率達100%，處理后的水質長期保持穩(wěn)定。此外，微波加熱解吸還可回收有機物。如A.Hamer和P.A.Puschner[9]研制了一種固定床式的微波加熱解吸裝置，用該裝置研究了從活性炭高分子和沸石中解吸回收乙醇和有機脂。因此，采用微波解吸處理污水中的有機物，不僅可消解有機物，還可獲得高質量的回收產物。
微波加熱是利用介質的介電損耗而發(fā)熱，在極短的時間內使介質分子達到極化狀態(tài)，加劇分子的運行與碰撞。由于電磁能量是以波的形式輻射到介質內部，內外同時加熱，加熱無滯后效應，所以體系受熱均勻。因此，利用微波加熱可合成某些分子量均勻的物質，由于加熱無滯后效應，可大大加快反應速度，縮短反應周期。據報道，李萬捷等[10]利用微波輻射制備聚丙烯酰胺（PAM）。他們采用微波加熱丙烯酰胺溶液，只需5min就可合成PAM，而且PAM對洗煤廢水的處理效果與常規(guī)加熱法相比，煤粉微粒的絮凝吸附能力強，絮團沉降速度快，清水回收率高，利用微波輻射法制備PAM絮凝劑，不僅時間短、效率高、反應靈敏，而且加熱均勻，分子量分布均一，對洗煤廢水的處理效果好。因此，用微波加熱可完成替代常規(guī)加熱來制備污水處理所需的有機絮凝劑。
1.3 用于固體廢棄物的處理
采用微波技術能用廢物制備活性炭。據報道[11~13]，利用微波內部加熱，在微波輻照下用氯化鋅法（將廢物鋸末及烤膠廢料分別與氯化鋅溶液混合浸漬12h），只需8min可生產鋸末活性炭及烤膠廢料活性炭，其操作性能、吸附容量超過市售一級活性炭，比工業(yè)用活性炭更加優(yōu)越。微波輻照下用氯化鋅法生產活性炭解決了傳統氯化鋅法的熱能利用率低、勞動強度大的問題，具有節(jié)能快速、加熱易控制、產物性能好等優(yōu)點。因此，采用微波技術可高效地制取廢物活性炭，變廢為寶。
微波技術還要使建筑垃圾回收再利用。據報道[14]，美國的CYCLEAN公司采用微波技術可以100%地回收利用建筑垃圾，再生舊瀝青路面料，其質量與新拌瀝青路面料相同，而成本可降低1/3，同時節(jié)約了垃圾清運和處理等費用，大大減輕了城市的環(huán)境污染[15]。利用微波技術回收建筑垃圾，不僅解決了常規(guī)處理垃圾采用的堆肥、焚燒、填埋所造成的二次污染、投資大、占地面積大等問題，使廢物資源化。
微波輻射能對某些固體廢棄物進行干燥和殺菌處理。丁迎偉等[15]利用微波輻射干燥動物糞便作為農業(yè)肥料的利用效率，并可殺滅病原體，既增加了養(yǎng)殖業(yè)的收入，又減少了農業(yè)污染。Alschuler[16]把下水道排出的糞便放入微波爐內，經過微波輻射干燥燃燒45min后，一堆糊狀的污物就變成一堆干凈的、粉狀的灰。Ikawa等[17]把一塊受污染的棉布放入微波爐內，只需1min微波殺菌率就能達到99%。因此，微波技術用于固體廢棄物的干燥和殺菌處理，不僅方便、省時，而且污染小，效率高。
由于醫(yī)療垃圾具有毒性，難以用常規(guī)方法進行處理。有研究表明，微波技術既可用于現場醫(yī)療垃圾的處理，又可用于廢物轉移處理[18，19]。WernerCurt等[20]發(fā)現，許多醫(yī)院在對有素養(yǎng)廢物處理之前，采用微波對其進行消毒。在一定的條件下，將醫(yī)療廢物浸濕粉碎之后，用微波對廢物進行消毒，毒素會被徹底地消滅，廢物體積也減小了60%~90%。微波處理醫(yī)療垃圾時間短，見效快，比當地燒盡廢物更好。這種方法雖然一次性投資大，但卻能獲得長期的效益。
1.4 用于環(huán)境監(jiān)測
目前，微波技術在環(huán)境監(jiān)測中的應用主要是微波萃取和微波消解，微波技術在樣品消解、萃取方面已在國外得到廣泛的應用。
微波萃取基本原理是利用介質吸收微波能程度的差異，通過選擇不同溶劑和調節(jié)微波加熱參數，對物料中的目標成分進行選擇性萃取，從而使試樣中的某些有機成分（如有機污染物）達到與基體物質有效分離的目的。微波萃取已用于土壤及沉積物樣品中有機污染物的萃取分離上，被提取的有機污染物包括有機氯農藥[21]、多氯聯苯[22]、鄰苯二甲酸酯[23]等。微波萃取還可從植物和魚組織中提取芳香油和其他油類，從聚烯烴產品中分離穩(wěn)定劑等[24]。
微波消解基本原理是直接以試樣和酸的混合物為發(fā)熱體，利用微波從內部進行加熱，由于其熱量幾乎不向外傳遞，熱效率很高，試樣充分混合，激烈攪拌，迅速地進行分解。微波消解已被用于大氣顆粒物[25]、水、土壤、垃圾、煤飛灰、淤泥和沉積物等環(huán)境樣品[26]。微波消解還能用于金屬化合物的消化測定、生物樣品的分析和水樣中的化學需氧量的測定。
此外，采用微波技術可檢測水中污染物。U.Raveendranat等[27]利用微波頻率和品質因素Q的變化，能得知水中污染物的成分。這種檢測方法與化學方法相比，操作簡單、省時、裝置費用低。但這種方法只能是定性分析，而不能定量分析。
1.5 其他應用
微波處理技術在環(huán)境保護領域的應用相當廣泛。除了上述應用以外，微波技術還可應用于“綠色鑄造"清潔生產工業(yè)。微波加熱固化工藝具有高效、節(jié)能、無污染、工作環(huán)境好等優(yōu)點，我們在鑄造生產中利用微波加熱來代替?zhèn)鹘y加熱能提高水玻璃砂、呋喃樹脂型砂、芯及水溶性有機粘結劑的性能[28]。我們已成功地研究了微波水玻璃砂工藝和微波樹脂砂工藝，為傳統鑄造工業(yè)造型制芯的清潔生產提供了重要途徑。
2 微波技術在環(huán)境保護領域應用中存在的問題
微波技術在環(huán)境保護領域中的應用前景令人鼓舞，但還存在一些問題。
2.1 微波泄漏對人體的影響
隨著微波技術應用的日益廣泛，它對人體健康有無影響的問題亟待明確。從微波的作用原理來看人體也會吸收微波，對人體會產生一定的危害。因此，在使用微波時，必須保證安全，以排除微波輻射對人體造成的不良影響。防止微波泄露的關鍵是微波反應腔的設計，目前，我們正在研究用計算機模擬設計微波反應腔，來達到減少微波泄露的目的。
2.2 微波場中的測溫技術
微波技術在環(huán)境保護領域的應用主要基于它的熱效應。因此，準確測定或計算微波場中溫度場的分布情況就顯得特別重要，溫度場測量的準確性對提高處理效率、控制微波泄漏和降低能耗有重大意義。目前還沒有一種很理想的方法能準確計算微波場中溫度場的分布，美國設計開發(fā)了H500tH2900型等實驗室專用微波處理器，在精確控溫方面有很大的提高。微波技術的不斷發(fā)展將有力地促進微波技術在環(huán)境保護領域的實際應用。
3 展望
微波技術在環(huán)境保護領域的應用，國內起步較晚，雖然不少人做過某些局部的試驗，但是總體來說基礎研究落后，微波技術在環(huán)境保護領域的應用特點是：節(jié)省能源與時間、簡化操作程序、反應物產率增加、變廢為寶，可顯著降低廢棄物的處理方面還有很大潛力。同時，微波技術也是一種很好的在線監(jiān)測技術，在這方面應有很大的發(fā)展前景；谖⒉夹g在環(huán)境保護領域應用的優(yōu)點微波技術也可在工業(yè)清潔生產中加以推廣。隨著人們對環(huán)保的重視和微波技術的不斷完善，想念微波技術將會在環(huán)境保護領域得到更廣泛的應用。
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