微波技術(shù)在氣態(tài)污染物治理工程中的應(yīng)用研究
摘 要：隨著微波技術(shù)的不斷的改革和創(chuàng)新，該技術(shù)在大氣污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用也得到不斷加強(qiáng)。傳統(tǒng)廢氣催化處理和吸附處理存在溫度影響較大和設(shè)備易腐等問題，微波技術(shù)在傳統(tǒng)廢氣工程中的應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)，明顯的加快了反應(yīng)速度，降低了運(yùn)營能耗，污染物削減率也有提升。作者就微波技術(shù)的特征，應(yīng)用以及存在問題等進(jìn)行討論，為微波技術(shù)在氣態(tài)污染物減排領(lǐng)域的推廣提出可行性思路。
關(guān)鍵詞：廢氣治理; 微波技術(shù);應(yīng)用
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，氣體污染物的排放量逐年增加，在國家節(jié)能減排的決策背景下，如何減少氣態(tài)污染物質(zhì)的排放量成為廣大環(huán)保工程師面臨的現(xiàn)實(shí)問題。廢氣中的氣態(tài)污染物主要指NOx、SO2等，它們對(duì)人類和整個(gè)生態(tài)環(huán)境危害極大，SO2是形成酸雨的主要來源，NOx會(huì)破壞臭氧層且能形成光化學(xué)煙霧。目前去除SO2污染的方法大都采用氧化法，將SO2氧化后中和去除。該處理工藝存在氧化產(chǎn)物對(duì)設(shè)備腐蝕性較強(qiáng)、工藝復(fù)雜、處理成本高等缺點(diǎn)。而在處理NOx時(shí)常規(guī)工藝只有當(dāng)溫度上升至1000℃左右時(shí)，NOx才可被還原為N2，限制了該工藝在低溫廢氣治理中的應(yīng)用。
微波技術(shù)的產(chǎn)生是在二十世紀(jì)三十年代，開始主要是被應(yīng)用在通訊領(lǐng)域當(dāng)中，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善，微波技術(shù)得到廣泛普及和應(yīng)用，現(xiàn)已成功應(yīng)用于環(huán)境工程與環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面，微波技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是降低能源消耗、減少污染、改良產(chǎn)物特性和加快反應(yīng)速度等[1]。課題組重點(diǎn)就微波技術(shù)在氣態(tài)污染物治理方法予以歸納分析。
1微波技術(shù)概述
微波是波長(zhǎng)在1mm-100cm，頻率在300MHz-300GHz范圍內(nèi)的電磁波，位于電磁波普的紅外輻射(光波)和無線電波之間。微波的量子能量約為10-6-10-3eV，介質(zhì)在微波場(chǎng)中發(fā)生離子傳導(dǎo)和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)，這使得極性分子產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)并發(fā)生碰撞，提高分子活性，降低反應(yīng)活化能和分子的化學(xué)鍵強(qiáng)度，提高化學(xué)反應(yīng)速率;同時(shí)，劇烈的極性分子震蕩，可使化學(xué)鍵斷裂，從而導(dǎo)致污染物的降解。此外，微波還能誘導(dǎo)催化反應(yīng)的發(fā)生。微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)是指當(dāng)反應(yīng)物不直接明顯地吸收微波時(shí)，可以利用某些強(qiáng)烈吸收微波的“敏化劑”( 如磁性物質(zhì)、活性炭、過渡金屬及其化臺(tái)物等)把微波傳給這些物質(zhì)而誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)[2]。
2微波技術(shù)在廢氣催化治理工藝中的應(yīng)用
在工業(yè)廢氣治理工程中，微波技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了污染物削減率提高并表現(xiàn)出更高的反應(yīng)速度，對(duì)于氮氧化物和二氧化硫均具有良好的去除效果。Tang等[3]利用微波輻射法直接處理NO，以Fe/Na ZSM-5作為催化劑，分別研究了反應(yīng)溫度、O2濃度、NO濃度、氣體流速和濕度等因素對(duì)處理效果的影響。結(jié)果表明，在微波場(chǎng)中，該催化劑對(duì)O2濃度具有較好的承載能力，70%以上的NO都能被還原為N2。Kataoka[4]研究了微波輔助光催化氧化法(MWPCO)與單純光催化氧化法(PCO)處理乙烯的差別，2種方法的催化劑都是利用溶膠凝膠法制備的TiO2/ZrO2，在濕度為15%時(shí)，MWPCO法的氧化速率較PCO方法提高了26.9%。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，微波輻射有利于去除催化劑表面的水分，提高處理效果。
此外，天然氣由于硫化物的存在而導(dǎo)致其水露點(diǎn)升高，影響儲(chǔ)存和運(yùn)輸并降低天然氣的熱值，而且在使用過程中各種硫化物轉(zhuǎn)化為H2S和SO2而引起環(huán)境污染，同時(shí)酸性氣體H2S的存在會(huì)引起管線和設(shè)備的腐蝕，因此必須對(duì)天然氣進(jìn)行脫硫處理，研究發(fā)現(xiàn)微波技術(shù)對(duì)于硫化物同樣具有良好的分解轉(zhuǎn)換效果。馬文等[5]通過微波輻射加熱硫化鐵催化分解H2S為單質(zhì)H2和S，H2S分解轉(zhuǎn)化率與其濃度、催化劑用量及微波輻射時(shí)間有關(guān)系，在最佳條件下分解轉(zhuǎn)化率可達(dá)91.2%。微波輻射在處理廢氣的同時(shí)，還能有效地收集廢氣中的有用物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)廢物資源化。在以MoS2/A12O為催化劑用微波輻射法處理SO2氣體，產(chǎn)物為CO2和S，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硫的回收利用，通過氧化鋁晶型的轉(zhuǎn)化驗(yàn)證了催化劑中“熱點(diǎn)”的存在，證明了在微波場(chǎng)中，催化劑表面的某些點(diǎn)位產(chǎn)生了所謂的“熱點(diǎn)”，這些“熱點(diǎn)”附近的溫度比較高，能夠氧化SO2氣體。
3微波技術(shù)在進(jìn)行活性炭處理廢氣中的應(yīng)用
3.1 微波一炭還原處理廢氣
活性炭能夠很好地吸收微波輻射能。美國Cha公司對(duì)燃煤煙氣中的SO2、NOx的微波消解進(jìn)行了研究[6]，利用易吸收微波射頻能的活性炭為還原劑制成炭床，常溫下將SO2，NOx通過炭床吸附到飽和后，再進(jìn)行微波加熱，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)吸附的SO2、NOx分別被炭還原為單質(zhì)硫和氮?dú)猓哭D(zhuǎn)化為CO2，NOx去除率達(dá)到98%，回收的單質(zhì)硫可作為化工原料重新利用。
與傳統(tǒng)的濕式石灰法相比，微波脫硫脫硝具有工藝簡(jiǎn)單、處理效率高、無二次污染等優(yōu)點(diǎn);與電子束法相比，具有投資小，裝置簡(jiǎn)單、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。目前煙氣的脫硫脫硝技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)已由去的追求控制效率和可靠性轉(zhuǎn)向經(jīng)濟(jì)效益的競(jìng)爭(zhēng)。另外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著炭床脫硫脫硝微波循還輻射次數(shù)的增加，炭的表面積逐漸增大，炭床對(duì)硫、硝化合物的吸附能力和吸附速率有明顯提高。研究者認(rèn)為，在吸附NOx的區(qū)域比其他區(qū)域吸附更多的微波能量。這些區(qū)域隨后被快速加熱形成“熱點(diǎn)”，使NOx被碳迅速還原。而且，當(dāng)進(jìn)氣中有濕分和氧氣時(shí)，吸附的NOx以NO2和HNO3的形式存在。如果HNO3的比例越高，出氣的溫度也就越高，即NOx的還原效率也就越高，由這點(diǎn)推知，吸附HNO3的區(qū)域比吸附NO2的區(qū)域能吸收更多的微波能量。進(jìn)一步的研究還表明，90%以上的NOx在這個(gè)再生的過程被碳還原，此法的優(yōu)點(diǎn)是快速有效的加熱，出氣的溫度接近常溫。張達(dá)欣等[7]在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了一種采用微波一碳還原技術(shù)處理二氧化硫的新方法。研究結(jié)果表明，微波功率和反應(yīng)器的類型及升溫速率對(duì)二氧化硫的去除率影響較大。
3.2微波改性活性炭處理廢氣
微波改性活性炭可以在很短的時(shí)間內(nèi)改善活性炭表面的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，以提高其對(duì)氣體的吸附能力。Menendez J.A.等[8]研究了用微波處理對(duì)活性炭表面化學(xué)的改性，結(jié)果表明在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，炭表面的大多數(shù)含氧基團(tuán)被去除，同時(shí)炭的pH顯著增加。微波處理較傳統(tǒng)加熱處理耗時(shí)少，僅僅幾分鐘就可使酸性炭變?yōu)橄鄬?duì)氧含量低的堿性炭，同時(shí)微波處理后的炭更不易在空氣中再氧化。微波和電加熱處理活性炭的比較，證明電和微波在惰性環(huán)境下加熱炭樣品，在結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)方面能產(chǎn)生相似的變化。使用微波主要的優(yōu)點(diǎn)是處理能在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)完成，這意味著更低的惰性氣
體和能量消耗。
熱電偶與微感應(yīng)高溫計(jì)的結(jié)合使微波處理期間炭溫度的判斷成為可能，溫度隨時(shí)間的變化顯示出一個(gè)很高的初始加熱速率，也表明在微波處理的炭床溫度穩(wěn)定保持最高值，在惰性環(huán)境下進(jìn)行微波處理似乎是一種去除炭表面氧官能團(tuán)，獲得具有堿性特性材料的有效途徑。根據(jù)炭樣品的特點(diǎn)，微波誘導(dǎo)處理能在幾分鐘內(nèi)去除大部分表面含氧官能團(tuán)。Buenger等[9]研究用微波加熱炭質(zhì)材料(煤)還原 NOx時(shí)發(fā)現(xiàn)，在利用微波照射后，不僅NOx與C反應(yīng)生成N2和C02，而且隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加，炭的表面積逐漸增大，由最初炭的表面積為210m2/g，循環(huán)使用15～25次后，表面積已達(dá)到700～800m2/g，實(shí)際上是因?yàn)檫@些煤經(jīng)過微波的反復(fù)輻射后已變成了活性炭。
4 微波技術(shù)處理廢氣存在的問題
微波技術(shù)在控制H2S、SO2、NOx等方面的成功使微波技術(shù)受到廣泛的重視，但是仍有些問題待研究：(1)微波輻射對(duì)人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等有影響，即使是低強(qiáng)度的也對(duì)人體造成不良影響。所以如何設(shè)計(jì)好封閉的微波發(fā)生腔是一個(gè)挑戰(zhàn)性課題。(2)微波加熱的機(jī)理研究不夠，需要建立加熱的數(shù)學(xué)模型，從而得到如何能夠得到均勻的微波場(chǎng)。(3)活性炭經(jīng)微波處理后，活性炭的碘值稍微有所提高。其表面物理特性表現(xiàn)為孔徑向微孔方向偏移，閉塞的孔被打開，但是與此同時(shí)，也造成活性炭孔的塌陷，從而造成這種促進(jìn)效果的有限性。研究如何能使活性炭的吸附性能最大化。
結(jié)束語：
綜上所述，筆者主要針對(duì)的就是在廢氣治理中微波技術(shù)應(yīng)用的形式和方法進(jìn)行了分析和歸納，傳統(tǒng)廢氣催化處理和吸附處理存在溫度影響較大和設(shè)備易腐等問題，微波技術(shù)在傳統(tǒng)廢氣工程中的應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)，明顯的加快了反應(yīng)速度，降低了運(yùn)營能耗，污染物削減率也有提升。但是該方法在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些局限性，需要進(jìn)一步加強(qiáng)工藝改良，進(jìn)而成為一種成熟的新型實(shí)用廢氣處理技術(shù)。
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[8] Menendez, J.A. “Modification of the Surface Chemistry of Active Carbons by Means of Microwave-induced Treatments.” Instituto del Carbon (INCAR) C.S.I.C. (1999), 37(7), 1115-1121
[9]Buenger, C. and E. Peterson, “A novel technology for the reduction of NOX on char by microwaves”, Material Research Society Spring Meeting, San Francisco, 1994.
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