微波處理技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

由于微波具有加熱高效快速、節(jié)能省電、加熱源與加熱材料不直接接觸、可進(jìn)行選擇性加熱、便于控制、設(shè)備體積小且無(wú)廢物生成等特性,其*性隨著社會(huì)的進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,不斷體現(xiàn)出來(lái)。微波技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代，初應(yīng)用于通訊領(lǐng)域。微波技術(shù)在通訊以外的使用可追溯到20世紀(jì)50年代，而它在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用則鮮有探討。

直到近十幾年間，人們才開(kāi)始注意到微波技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的潛力，現(xiàn)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(cè)等方面，該技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。到20世紀(jì)40年代,微波技術(shù)已成功地用于食品加工、有機(jī)合成、中草藥提取、無(wú)機(jī)工藝、環(huán)境保護(hù)和分析檢測(cè)等領(lǐng)域。在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中,微波主要應(yīng)用于廢水、廢氣、固體廢氣物的處理及環(huán)保材料的研制和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。

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(zhì)對(duì)人類和整個(gè)生態(tài)環(huán)境危害*。利用微波技術(shù)能處理廢氣中的SO2和NOx，同時(shí)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(zhì)能被 5~20eV之間的電子能電離和激發(fā)，形成活性基。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(yīng)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(jié)合，生成SO3和NO2,在水中形成H2SO4和HNO3，達(dá)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(zhì)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(xué)反應(yīng)的速度和效率，由于這種物質(zhì)易吸收RF能，在RF能量場(chǎng)中溫度會(huì)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(yīng)速度，這種物質(zhì)奪取氣相氧化物中的氧速度也加快，使氧化物還原成單質(zhì)。如美國(guó)Cha公司和懷俄明州大學(xué)聯(lián)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(chǎng)的作用下，不僅成功地使SO2還原成單質(zhì)硫，NOx還原成保護(hù)氣N2，碳轉(zhuǎn)化為CO2，而且脫硫率達(dá)到95%以上。

采用微波技術(shù)進(jìn)行脫硫脫硝，沒(méi)有傳統(tǒng)濕式石灰/石調(diào)用法存在的二次污染、設(shè)備腐蝕、工藝復(fù)雜、效率低等問(wèn)題，與電子束法相比投資小、裝置簡(jiǎn)單、能耗低。因此，微波技術(shù)處理SO2和NOx必將在天然氣、石油化工等領(lǐng)域贏得廣闊的市場(chǎng)。

煙氣中的碳微粒由于粒徑極小，約為0.01~0.2μm，能*懸浮于空氣中，易于通過(guò)呼吸系統(tǒng)而沉積于人體肺泡內(nèi)，致癌作用。國(guó)外正在研究一種采用微波加熱收集碳微粒的收集器，當(dāng)碳微粒積聚到一定程度時(shí)，可自動(dòng)燃燒掉，收集器對(duì)碳微粒的濾除效果達(dá)到60%~90%，由于碳微粒能自動(dòng)燃燒可免去人工收集的麻煩。碳微粒收集器的廢氣凈化效果非常明顯，對(duì)當(dāng)前柴油車的廢氣污染治理具有重要意義，結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)水平，很有必要進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用。

2、 用于污水處理

污水中含有大量的有機(jī)污染物、無(wú)機(jī)污染物、污泥等，這些物質(zhì)可對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。利用微波的加熱特性，可將微波技術(shù)有效地用于污染。利用微波的加熱特性，可將微波技術(shù)有效地用于污泥、有機(jī)污染物的處理及有機(jī)絮凝劑的制備。

微波加熱具不需傳熱、內(nèi)外同熱、沒(méi)有熱傳遞過(guò)程的熱損失特點(diǎn)，與傳統(tǒng)加熱法相比，微波加熱的熱效率高。因此，在生產(chǎn)污水處理過(guò)程中，可采用微波加熱來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱使污泥脫水和干燥。有研究表明，微波加熱可用于機(jī)械脫水后的污水污泥處理，而且效果尤為顯著。傅大放等報(bào)道，把污水廠未經(jīng)消化的污泥放入微波爐中加熱45 min，直接的效應(yīng)是污泥含水率的降低。經(jīng)過(guò)機(jī)械脫水后的污泥用微波進(jìn)行干燥，含水率由75%降低到50%以下，處理成本低，而且時(shí)間短，設(shè)備簡(jiǎn)單。因此，將微波加熱用于對(duì)污泥的干燥處理，在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上與傳統(tǒng)方法也有可比性，利用微波加熱處理機(jī)械脫水后的污水污泥，不但可以實(shí)現(xiàn)污泥農(nóng)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(jī)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(jī)物卻難以處理。微波輻射能有效地解吸活性炭表面的有機(jī)物，使活性炭再生并有利于有機(jī)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(jī)物。如G.CHIH等采用低能度的微波輻射，可以對(duì)污水中及附在粒狀活性炭表面的有機(jī)毒物三氯乙烯、二甲苯、萘以及碳?xì)浠衔锏冗M(jìn)行解吸和消解，其終分解率達(dá)*，處理后的水質(zhì)*保持穩(wěn)定。此外，微波加熱解吸還可回收有機(jī)物。如A.Hamer和P.A.Puschner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(jī)脂。因此，采用微波解吸處理污水中的有機(jī)物，不僅可消解有機(jī)物，還可獲得高質(zhì)量的回收產(chǎn)物。

微波加熱是利用介質(zhì)的介電損耗而發(fā)熱，在極短的時(shí)間內(nèi)使介質(zhì)分子達(dá)到極化狀態(tài)，加劇分子的運(yùn)行與碰撞。由于電磁能量是以波的形式輻射到介質(zhì)內(nèi)部，內(nèi)外同時(shí)加熱，加熱無(wú)滯后效應(yīng)，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(zhì)，由于加熱無(wú)滯后效應(yīng)，可大大加快反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)周期。據(jù)報(bào)道，李萬(wàn)捷等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5 min就可合成PAM，而且PAM對(duì)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(qiáng)，絮團(tuán)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(shí)間短、效率高、反應(yīng)靈敏，而且加熱均勻，分子量分布均一，對(duì)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(lái)制備污水處理所需的有機(jī)絮凝劑。

3、 用于固體廢棄物的處理

采用微波技術(shù)能用廢物制備活性炭。據(jù)報(bào)道，利用微波內(nèi)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8 min可生產(chǎn)鋸末活性炭及烤膠廢料活性炭，其操作性能、吸附容量超過(guò)市售一級(jí)活性炭，比工業(yè)用活性炭更加*。微波輻照下用氯化鋅法生產(chǎn)活性炭解決了傳統(tǒng)氯化鋅法的熱能利用率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，具有節(jié)能快速、加熱易控制、產(chǎn)物性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用微波技術(shù)可高效地制取廢物活性炭，變廢為寶。

微波技術(shù)還要使建筑垃圾回收再利用。據(jù)報(bào)道，美國(guó)的CYCLEAN公司采用微波技術(shù)可以*地回收利用建筑垃圾，再生舊瀝青路面料，其質(zhì)量與新拌瀝青路面料相同，而成本可降低1/3，同時(shí)節(jié)約了垃圾清運(yùn)和處理等費(fèi)用，大大減輕了城市的環(huán)境污染。利用微波技術(shù)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(wèn)題，使廢物資源化。

微波輻射能對(duì)某些固體廢棄物進(jìn)行干燥和殺菌處理。丁迎偉等利用微波輻射干燥動(dòng)物糞便作為農(nóng)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(nóng)業(yè)污染。Alschuler把下水道排出的糞便放入微波爐內(nèi)，經(jīng)過(guò)微波輻射干燥燃燒45 min后，一堆糊狀的污物就變成一堆干凈的、粉狀的灰。Ikawa等把一塊受污染的棉布放入微波爐內(nèi)，只需1 min微波殺菌率就能達(dá)到99%。因此，微波技術(shù)用于固體廢棄物的干燥和殺菌處理，不僅方便、省時(shí)，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(jìn)行處理。有研究表明，微波技術(shù)既可用于現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)療垃圾的處理，又可用于廢物轉(zhuǎn)移處理。Werner Curt等發(fā)現(xiàn)，許多醫(yī)院在對(duì)有素養(yǎng)廢物處理之前，采用微波對(duì)其進(jìn)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(duì)廢物進(jìn)行消毒，毒素會(huì)被*地消滅，廢物體積也減小了60%~90%。微波處理醫(yī)療垃圾時(shí)間短，見(jiàn)效快，比當(dāng)?shù)責(zé)M廢物更好。這種方法雖然一次性投資大，但卻能獲得*的效益。

4、 用于環(huán)境監(jiān)測(cè)

目前，微波技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要是微波萃取和微波消解，微波技術(shù)在樣品消解、萃取方面已在國(guó)外得到廣泛的應(yīng)用。

微波萃取基本原理是利用介質(zhì)吸收微波能程度的差異，通過(guò)選擇不同溶劑和調(diào)節(jié)微波加熱參數(shù)，對(duì)物料中的目標(biāo)成分進(jìn)行選擇性萃取，從而使試樣中的某些有機(jī)成分（如有機(jī)污染物）達(dá)到與基體物質(zhì)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(jī)污染物的萃取分離上，被提取的有機(jī)污染物包括有多氯聯(lián)苯、鄰苯二甲酸酯等。微波萃取還可從植物和魚(yú)組織中提取芳香油和其他油類，從聚烯烴產(chǎn)品中分離穩(wěn)定劑等。

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(nèi)部進(jìn)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(jìn)行分解。微波消解已被用于大氣顆粒物、水、土壤、垃圾、煤飛灰、淤泥和沉積物等環(huán)境樣品。微波消解還能用于金屬化合物的消化測(cè)定、生物樣品的分析和水樣中的化學(xué)需氧量的測(cè)定。

此外，采用微波技術(shù)可檢測(cè)水中污染物。U.Raveendranat等利用微波頻率和品質(zhì)因素Q的變化，能得知水中污染物的成分。這種檢測(cè)方法與化學(xué)方法相比，操作簡(jiǎn)單、省時(shí)、裝置費(fèi)用低。但這種方法只能是定性分析，而不能定量分析。

5、 其他應(yīng)用

微波處理技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。除了上述應(yīng)用以外，微波技術(shù)還可應(yīng)用于“綠色鑄造”清潔生產(chǎn)工業(yè)。微波加熱固化工藝具有高效、節(jié)能、無(wú)污染、工作環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)阼T造生產(chǎn)中利用微波加熱來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱能提高水玻璃砂、呋喃樹(shù)脂型砂、芯及水溶性有機(jī)粘結(jié)劑的性能。我們已成功地研究了微波水玻璃砂工藝和微波樹(shù)脂砂工藝，為傳統(tǒng)鑄造工業(yè)造型制芯的清潔生產(chǎn)提供了重要途徑。

微波技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)起步較晚，雖然不少人做過(guò)某些局部的試驗(yàn)，但是總體來(lái)說(shuō)基礎(chǔ)研究落后，微波技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)是：節(jié)省能源與時(shí)間、簡(jiǎn)化操作程序、反應(yīng)物產(chǎn)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(shí)，微波技術(shù)也是一種很好的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，在這方面應(yīng)有很大的發(fā)展前景?；谖⒉夹g(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)微波技術(shù)也可在工業(yè)清潔生產(chǎn)中加以推廣。隨著人們對(duì)環(huán)保的重視和微波技術(shù)的不斷完善，微波技術(shù)將會(huì)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。