微波技術(shù)起源于20世紀30年代，最初應用于通訊領域。微波技術(shù)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(shù)應用在環(huán)境保護領域的潛力，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)測等方面，該技術(shù)在環(huán)境保護領域具有廣泛的應用前景。

1 微波技術(shù)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(zhì)對人類和整個生態(tài)環(huán)境危害極大。利用微波技術(shù)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(zhì)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(jié)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(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，它可提高化學反應的速度和效率，由于這種物質(zhì)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(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)[3]。如美國Cha公司和懷俄明州大學聯(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能量場的作用下，不僅成功地使SO₂還原成單質(zhì)硫，NOx還原成保護氣N₂，碳轉(zhuǎn)化為CO₂，而且脫硫率達到95%以上[4]。

采用微波技術(shù)進行脫硫脫硝，沒有傳統(tǒng)濕式石灰/石調(diào)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(shù)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(tǒng)而沉積于人體肺泡內(nèi)，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(jié)合我國當前的技術(shù)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(zhì)可對環(huán)境產(chǎn)生嚴重的污染。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(nèi)外同熱、沒有熱傳遞過程的熱損失特點，與傳統(tǒng)加熱法相比，微波加熱的熱效率高。因此，在生產(chǎn)污水處理過程中，可采用微波加熱來代替?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(jīng)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(jīng)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(shù)上是可行的，經(jīng)濟上與傳統(tǒng)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(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(zhì)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(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，在極短的時間內(nèi)使介質(zhì)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(zhì)內(nèi)部，內(nèi)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(zhì)，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(jù)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(shù)能用廢物制備活性炭。據(jù)報道[11~13]，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8min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(chǎn)活性炭解決了傳統(tǒng)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(chǎn)物性能好等優(yōu)點。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)報道[14]，美國的CYCLEAN公司采用微波技術(shù)可以100%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(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(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[16]把下水道排出的糞便放入微波爐內(nèi)，經(jīng)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(nèi)，只需1min微波殺菌率就能達到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，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(shù)既可用于現(xiàn)場醫(yī)療垃圾的處理，又可用于廢物轉(zhuǎn)移處理[18，19]。WernerCurt等[20]發(fā)現(xiàn)，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?shù)責M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(shù)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(shù)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(zhì)吸收微波能程度的差異，通過選擇不同溶劑和調(diào)節(jié)微波加熱參數(shù)，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(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污染物的萃取分離上，被提取的有機污染物包括有機氯農(nóng)藥[21]、多氯聯(lián)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(chǎn)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(nèi)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(shù)可檢測水中污染物。U.Raveendranat等[27]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(shù)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(shù)還可應用于“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、無污染、工作環(huán)境好等優(yōu)點，我們在鑄造生產(chǎn)中利用微波加熱來代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱能提高水玻璃砂、呋喃樹脂型砂、芯及水溶性有機粘結(jié)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(tǒng)鑄造工業(yè)造型制芯的清潔生產(chǎn)提供了重要途徑。

2 微波技術(shù)在環(huán)境保護領域應用中存在的問題

微波技術(shù)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(shù)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(chǎn)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(guān)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(shù)

微波技術(shù)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(shù)的不斷發(fā)展將有力地促進微波技術(shù)在環(huán)境保護領域的實際應用。

3 展望

微波技術(shù)在環(huán)境保護領域的應用，國內(nèi)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(shù)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(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，微波技術(shù)也是一種很好的在線監(jiān)測技術(shù)，在這方面應有很大的發(fā)展前景�；谖⒉夹g(shù)在環(huán)境保護領域應用的優(yōu)點微波技術(shù)也可在工業(yè)清潔生產(chǎn)中加以推廣。隨著人們對環(huán)保的重視和微波技術(shù)的不斷完善，想念微波技術(shù)將會在環(huán)境保護領域得到更廣泛的應用。

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