摘要:簡(jiǎn)要介紹了等離子體的相關(guān)概念及其處理污染物的工作原理,闡述了等離子體技術(shù)在固體廢棄物治理方面的應(yīng)用研究概況,并對(duì)等離子體在固體廢棄物治理中的應(yīng)用作了市場(chǎng)前景分析,說明了該技術(shù)在固體廢棄物治理中具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:等離子體;固體廢棄物;處理

隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,大量傳統(tǒng)的廢棄物處理技術(shù)已不能適應(yīng)污染治理的需要。研究開發(fā)費(fèi)用低,處理徹底、無二次污染的新型固體廢棄物處理技術(shù)成為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域一個(gè)急待解決的重要課題。在環(huán)境污染的治理研究中,已經(jīng)涌現(xiàn)出許多高新技術(shù)如:超聲波,超臨界流體,等離子體,中空纖維膜分離技術(shù),反滲透技術(shù),光化學(xué)氧化技術(shù)等。其中,等離子體具有高效率、低能耗,安全、無二次污染的特點(diǎn),為固體廢棄物的無害化、減量化、資源化處理開拓了一個(gè)新途徑。

1　等離子體的基本概念

等離子體是離子化,呈電中性的氣體,是物質(zhì)固、液、氣三種存在狀態(tài)之外的第四種形態(tài),又稱為第四態(tài)。它由大量的正負(fù)帶電粒子和電中性的粒子組成,粒子的能量一般為幾個(gè)到幾十電子伏特,大于聚合材料的結(jié)合能,因此可以將固體廢物中的分子徹底分解,再重新組合,這時(shí)有害物質(zhì)被分解,重金屬被分離開來,其余部分被熔融后固化成玻璃體。

等離子體的分類方法有很多,根據(jù)溫度和內(nèi)部的熱力學(xué)平衡性,可將等離子體分為平衡態(tài)等離子體和非平衡態(tài)等離子體。在熱力學(xué)平衡等離子體內(nèi),電子溫度與離子溫度相同,屬于一個(gè)處于熱力學(xué)平衡的整體,體系溫度非常高,因此又稱為高溫等離子體。最典型的例子是電感耦合等離子體( ICP) 。此外,在較高電壓下的火花放電和弧光放電也能獲得此類等離子體。非平衡態(tài)等離子體內(nèi)部的電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于離子溫度(電子溫度可高達(dá)104 K,而離子溫度一般只有300～500K)系統(tǒng)處于熱力學(xué)非平衡態(tài),其表觀溫度較低,所以被稱為低溫等離子體。此類等離子體通?？赏ㄟ^氣體放電得到。常見的有輝光放電,射頻放電和微波放電等。

2　等離子體處理固體廢棄物　

2. 1　等離子體處理固體廢棄物的原理

等離子體技術(shù)應(yīng)用于污染治理的研究開始于20世紀(jì)50年代,由于等離子體中的電子具有較寬的能量分布,電子能量高,可與原子、分子碰撞,產(chǎn)生各種粒子,從而進(jìn)行熱化學(xué)較困難甚至不可能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)[ 1 ] 。等離子體技術(shù)的應(yīng)用因其特點(diǎn)而異,高溫等離子體是應(yīng)用等離子體的物理特性,其研究的目的是利用高溫下氘氚核聚變反應(yīng)解決未來的能源問題。在目前的實(shí)驗(yàn)研究和所期望的商業(yè)運(yùn)行之間仍存在各種極富挑戰(zhàn)性物理及工程技術(shù)障礙。而低溫等離子體是利用其中的高能電子(0～10 eV)參與形成的物理化學(xué)反應(yīng)過程,通過這些物理化學(xué)過程可以完成許多普通氣體及高溫等離子體難以解決的問題。

從化學(xué)角度看,等離子體空間富集的離子、電子、激發(fā)態(tài)的原子、分子及自由基,是極活潑的反應(yīng)物種。譬如,氫等離子體中富集了高活性的原子氫。同樣的,氧氣、水和有機(jī)物之類,也都可以形成各自的等離子體,產(chǎn)生相應(yīng)的高活性物種。低溫等離子體中重要的單元過程大致如表1[ 2 ] :

表1　低溫等離子體中重要的單元過程

以上過程可以看出,系統(tǒng)首先電離產(chǎn)生離子和電子,通過激發(fā)或電離將能量轉(zhuǎn)移到分子或原子中去,那些獲得能量的分子或原子被激發(fā),同時(shí)部分分子或原子被激發(fā),從而成為活性基團(tuán)。然后這些活性基團(tuán)與分子、原子、活性基團(tuán)之間相互積聚、交換、置換后成為穩(wěn)定的反應(yīng)離子和產(chǎn)物。

2. 2　等離子體技術(shù)處理固體廢棄物系統(tǒng)的一般組成等離子體處理系統(tǒng)主要有進(jìn)料系統(tǒng)、等離子體處理室、熔化產(chǎn)物處理系統(tǒng)、電極驅(qū)動(dòng)及冷卻密封系統(tǒng)組成。固體廢物通過進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入等離子體處理室,有機(jī)物被分解氣化,無機(jī)物則被熔化成玻璃體硅酸鹽及金屬產(chǎn)物,氣化產(chǎn)物主要是合成氣(CO、H₂、CH₄ )和少量的HF、HCl等酸氣[ 10 ] 。熔化產(chǎn)物被收集到處理器中被冷卻為固態(tài),金屬可回收,熔化的玻璃體可用來生產(chǎn)陶瓷化抗?jié)B耐用的玻璃制品,合成氣通過過濾器去除煙塵和酸氣后排向大氣。

2. 3　處理流程[ 3 ]

工藝流程見圖1。

圖1　工藝流程圖

2. 4　等離子體處理固體廢棄物的應(yīng)用研究效果

目前等離子體處理廢棄物的應(yīng)用研究均取得了較好的效果。中國科學(xué)院等離子體研究所通過150 kw的高效電弧在等離子高溫?zé)o氧狀態(tài)下,將危險(xiǎn)廢棄物在爐內(nèi)分解成氣體、玻璃體和金屬三種物質(zhì),然后從各自的排放通道有效分離。由于整個(gè)處理過程和處理環(huán)境實(shí)現(xiàn)了“全封閉”,因此不會(huì)造成對(duì)空氣的污染,同時(shí)排放出的玻璃體可用作建材,金屬可回收使用,從而基本上實(shí)現(xiàn)了真正意義上的污染物“零排放”。李軍等人[ 4 ]采用等離子體技術(shù)的高溫特性處理城市污水廠的污泥,得到了類似水煤氣的氣體產(chǎn)物。處理后的污泥呈現(xiàn)玻璃態(tài)或明顯碳化。通過實(shí)驗(yàn)說明了等離子體技術(shù)處理城市污泥的可能性。Chin - ching tzeng等[ 5 ]利用自行研制的功率為100 kw、處理量為10 kg/h的等離子體焚化爐,在1 650℃下處理不可燃放射性廢物,最終將放射性廢物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的玻璃態(tài)或陶瓷狀的熔渣。KoutaroKatou等[ 6 ]用石墨電極等離子體熔爐處理城市固體廢棄物焚燒后殘余物,得到了不含重金屬的熔渣,無NOx 氣體排放, HCl、SOx氣體的產(chǎn)生也相對(duì)受到抑制。深圳市真高科實(shí)業(yè)有限公司針對(duì)醫(yī)院里帶菌、帶毒醫(yī)療垃圾處理難等問題,與清華大學(xué)、核工業(yè)物理研究所共同研發(fā)出新型“等離子體特種垃圾焚燒爐”,該產(chǎn)品經(jīng)醫(yī)院使用后顯示,能有效地實(shí)現(xiàn)醫(yī)療垃圾無害化處理。

3　市場(chǎng)前景分析

中國在管理和廢棄物處理方面頒布了一系列法律,采取了很多措施。目前,固體廢棄物的處理方法主要有焚燒、填埋、綜合利用等,其中焚燒和填埋是目前較為常用的方法。

簡(jiǎn)單填埋不僅占用大量的土地,而且嚴(yán)重污染了土壤、地下水、大氣,破壞了周圍的環(huán)境。

普通焚燒的平均溫度在800℃左右,基本用垃圾自身的熱值進(jìn)行焚燒,它有以下主要缺點(diǎn):

(1)設(shè)備投資大,運(yùn)行費(fèi)用高,經(jīng)濟(jì)性差。

(2)焚燒過程會(huì)產(chǎn)生一系列的污染物,如重金屬( Pb、Cd、Hg) ,有機(jī)污染物(二惡英)等。

(3)對(duì)垃圾的熱值有較高要求,即垃圾的熱值不低于5 000 kJ /kg。一般垃圾即使通過干燥處理也只能達(dá)到1 500 kJ /kg。因此,在焚燒前要進(jìn)行垃圾分類。

而用于處理固體廢物的等離子體的溫度一般為幾千度甚至上萬度,這時(shí)等離子體中的離子和電子具有很高的能量,可將固體廢物中的分子徹底分解,再重新組合。這時(shí)有害氣體被分解,重金屬被分離出來,殘余的有害物質(zhì)被熔融后被固化成硅石。由于整個(gè)處理過程和處理環(huán)境實(shí)現(xiàn)了“全封閉”,因此不會(huì)造成對(duì)空氣的污染,同時(shí)排放出的玻璃體可用作建材,金屬可回收使用,從而基本上實(shí)現(xiàn)了真正意義上的污染物“零排放”。

4　存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

目前,等離子體降解污染物的直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)還存在一定的問題。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[ 9, 15 ] :

(1)系統(tǒng)非連續(xù)人工操作限制了生產(chǎn)效率,從而失去價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。

(2)化學(xué)激勵(lì)過程中所獲得的能量無法滿足化工、材料工業(yè)、環(huán)境工程等化學(xué)過程所需要的能量。

(3)多數(shù)情況下系統(tǒng)所需要的真空系統(tǒng)及外圍設(shè)備增加了技術(shù)投資。

(4)等離子體產(chǎn)生的機(jī)理、加工工藝過程、工藝結(jié)果評(píng)價(jià)、工藝控制技術(shù)核裝置及工藝優(yōu)化等方面還需要進(jìn)一步探討。

5　結(jié)束語

等離子體技術(shù)處理固體廢棄物具有安全、高效、無二次污染和廣泛實(shí)用性的特點(diǎn),為固體廢棄物的無害化、減量化和資源化提供了科學(xué)有效的方法和新的研究平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)
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[ 5 ] C - C Tzeng et al. Treatment of radioactive wastes by p lasma incineration and verification for final disposal [ J ]. Journal of HazardousMaterials, 1998 (58) : 207 - 220.
[ 6 ] K. Katou et al. Melting municipal solids incineration resdue by p lasma melting furnace with a graphite electrode [ J ]. Thin
Solids Films, 2001 (386) : 183 - 188。
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