1、? 1994-2010 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展2006年第5期environme nt and sustai nable developmentno15 , 2006低溫等離子體技術(shù)在固體廢棄物處理中的應(yīng)用楊麗麗 田向勤 劉 昕 朱書全 舒新前(中國礦業(yè)大學(北京 ), 北京 , 100083)【摘要】 低溫等離子體技術(shù)是集物理學、化學 、生物學和環(huán)境化學于一體的全新技術(shù)。本文敘述了低溫等離子體的研究進展及其作用機理,探討了該技術(shù)在固體廢棄物處

2、理中的應(yīng)用現(xiàn)狀。同時,對低溫等離子體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征、技術(shù)參數(shù) 、工作機理以及處理工藝進行了綜述。作者在文中初步描述了研究低溫等離子體技術(shù)的思路和想法,并展望了低溫等離子體技術(shù)的發(fā)展前景。【關(guān)鍵詞】 固體廢棄物;等離子體技術(shù);低溫處理;低溫等離子體反應(yīng)器;應(yīng)用前景中圖分類號: x705文獻標識碼: a文章編號: 1673 - 288x (2006)05 - 0058 - 03 低溫等離子體“三廢”處理技術(shù)是集物理學、化學 、生物學和環(huán)境科學于一體的全新技術(shù),有可能作為一種高效率,低能耗的手段來處理環(huán)境中的有毒物質(zhì)及難降解物質(zhì)。 其特點是對環(huán)境污染物兼具物理作用、化學作用和生物作用,具有費用低、

3、處理效果好、無二次污染等優(yōu)點1。與其他方法如高溫焚化法、催化燃燒法及活性炭吸附法,比較起來更具高效性以及較低的能耗,在環(huán)保領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)用前景2。1低溫等離子體技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀等離子體技術(shù)在有機材料上的應(yīng)用始于20世紀60年代末,有如下優(yōu)點:屬干式工藝,省能源,無公害,滿足節(jié)能和環(huán)保的需要;時間短,效率高;對所處理的材料無嚴格要求,具有普遍適應(yīng)性;可處理形狀較復(fù)雜的材料,材料表面處理的均勻性好;反應(yīng)環(huán)境溫度低。 對材料表面的作用僅涉及幾到幾百納米,材料表面性能改善的同時,基體性能不受影響 。因此,該技術(shù)特別適應(yīng)于對溫度敏感的有機材料的表面改性。近10年來,在理論研究、實驗方法、生產(chǎn)實踐上都有

4、了較大的進展。等離子體改性高分子材料技術(shù)是80年代發(fā)展起來的高新技術(shù)。它對紡織材料,包括纖維、纖維條織物、薄膜等的表面改性非常有效,可賦予這些材料以新的表面功能性。2低溫等離子體的作用機理低溫等離子體的作用機理非彈性碰撞,將能量轉(zhuǎn)換成基態(tài)分子(原子)的內(nèi)能,發(fā)生激發(fā)離解和電離等一系列過程,使氣體處于活化狀態(tài)。一方面打開了氣體分子鍵,生成一些單原子分子和固體微粒,另一方面,又產(chǎn)生了oh、h2o2等自由基和氧化性極強的o3,在這一過程中高能電子起決定性作用,離子的熱運動只有負作用。這為一些需要很大活化能的反應(yīng)如大氣中難降解污染物的去除提供了理想途徑。低溫等離子體不同于一般的中性氣體,它的基本特點是

5、系統(tǒng)主要由帶電粒子支配,受外部電場、磁場、電磁場的影響,存在多種基本過程和等離子體與固體表面的相互作用,具有獨特的光、熱 、電等物理性質(zhì),可以產(chǎn)生物理、化學過程,由此發(fā)展形成了各種低溫等離子技術(shù)。低溫等離子體中不同粒子間的碰撞過程可以分為兩類:(1)彈性碰撞,粒子碰撞前后的動能,動量產(chǎn)生變化,而沒有新的粒子產(chǎn)生和粒子內(nèi)部能量狀態(tài)變化。(2)非彈性碰撞:碰撞過程中產(chǎn)生了新的粒子并改變了粒子內(nèi)部能量狀態(tài)。由于低溫等離子體中包含電子、正離子、負離子、自由基、激發(fā)態(tài)原子或分子等多種化學活性粒子,所以低溫等離子體可引發(fā)多種化學反應(yīng)。當氣體以一定的方式在外部激勵源的電場中被加速獲能時,電子與原子間的非彈性

6、碰撞將導(dǎo)致電離而產(chǎn)生離子和電子。當氣體的電離率足夠大時,中性粒子的物理性質(zhì)開始退居次要地位,整個系統(tǒng)受帶電粒子的支配,此時電離的氣體即為等離子體。所謂低溫等離子體是指電子溫度高而體系溫度低的等離子體,其中電子溫度可達10 000k以上,而離子和原子之類重粒子溫度可低到300500k,這意味著,一方面電子具有足夠的能量使反應(yīng)物分子激發(fā)、電離和解離,另一方面體系得以保持低溫乃至接近室溫。低溫等離子體可分為熱等離子體、冷等離子體和燃燒等離子體,是由高強度直流電弧放電與高頻感應(yīng)耦合放電產(chǎn)生的,其特點是重粒子(原子 、分子、離子)溫度接近電子溫度;冷等離子體是非平衡等離子體,是由輝光放電,? 1994-

7、2010 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/楊麗麗等:低溫等離子體技術(shù)在固體廢棄物處理中的應(yīng)用?59?微波放電或電暈發(fā)電產(chǎn)生,其特點是中粒子溫度遠遠低于電子溫度,低溫等離子體技術(shù)正是利用這一點解決環(huán)境問題中“三廢”污染問題3。3低溫等離子體處理固體廢棄物近年來,低溫等離子體技術(shù)在msw的治理和資源化利用中也得到了應(yīng)用。中國科學院合肥等離子體物理研究所利用等離子體技術(shù)進行了印刷電路板等固體廢棄物的處理和示范性試驗。我們初步利用低溫等離子體技術(shù)進行固體廢棄物的低溫處理,其實驗

8、流程為:“msw初選分選有機物組分低溫等離子體處理”。圖1給出了低溫等離子體反應(yīng)器的示意圖,該反應(yīng)器主要由等離子體電源、等離子體發(fā)生器、轉(zhuǎn)換裝置 、真空部分、進氣和控制部分等組成。實驗條件為:功率:3kw;電源:800w;射頻頻率:13156mh z ;工作壓力:016118mmhg ;進氣流量:530mlmin ;處理溫度: 200。圖1 等離子體反應(yīng)器示意圖1 -射頻電源 2 -匹配箱 3 -反應(yīng)室 4 -銅線圈 5 -反應(yīng)床層6 -測壓儀 7 -真空泵 8 -流量計 9 -氣瓶實驗結(jié)果表明,利用低溫等離子體反應(yīng)器可以對msw進行處理,可有效地減少焚燒過程中出現(xiàn)的氯和氯化氫氣體、二惡英等的

9、污染。同時,由于反應(yīng)物的組成可決定反應(yīng)產(chǎn)物的性質(zhì)和組成。所以,利用本技術(shù)可以做到產(chǎn)物的目標控制,用以制備清潔、安全、高熱值的氣體或液體產(chǎn)物,供工業(yè)和民用。例如,在實驗過程中,我們可通過對反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化控制和匹配,制備ch4和h2等含量較高高熱值城市用氣和民用氣。4低溫處理的原理和流程在幾個torr以下的減壓情況下,由高頻率能量將氧氣或其他氣體生成化學活性的化學離子,這些化學離子即由原子氧可以引起有機物的燃燒和進行表面處理 。這氧原子是不穩(wěn)定的,要維持這種狀態(tài)必須連續(xù)供給能量 。不穩(wěn)定的原子狀態(tài)氧化學性質(zhì)非常活潑,等離子灰化裝置就是基于這個原理,在減壓狀況對氧氣連續(xù)供給13156mh z的高頻能,

10、使氧氣成為含有大體上相同數(shù)量的陽離子和電子的等離子狀態(tài),這個富有反應(yīng)性的原子氧用來處理物品,比以前的來福爐等能在較低的溫度下(最高也在200以下)進行灰化。固體廢棄物的低溫氧等離子體灰化(簡稱低溫灰化lta),就是在高頻電場的作用下,低壓下的氧由于氣體放電而產(chǎn)生具有強氧化能力的氧等離子體,它可在較低的溫度下氧化分解固體廢棄物中的雜質(zhì)。在低溫氧等離子體中,包括有分子態(tài)氧、激發(fā)態(tài)氧 、原子態(tài)氧、少量氧的正離子氧與負離子氧。由于離解不充分,大部分氧(約60 %以上)仍呈分子狀態(tài),整個等離子體的溫度比較低(一般可低于150) ,因之稱為低溫等離子體。其中具有強氧化能力的組分是原子態(tài)氧,它的濃度約占20

11、 %。在低溫灰化中,為了將分子態(tài)氧電離,除需有足夠的電場強度外,自由電子必需有足夠的動能(即足夠的速度)。這與電子在與其他粒子發(fā)生碰撞前的平均自由路程有關(guān)。系統(tǒng)內(nèi)的壓力越低,電子的平均自由路程就越長,具有的動能亦越大。因此,系統(tǒng)應(yīng)處于接近真空的狀態(tài)。一般當絕對壓力大于400pa時,氧就難電離;當絕對壓力在267pa以下時,煤的氧化可順利進行 。此外,通過反應(yīng)室的氧氣流量增大,煤樣表面氣體的流動與擴散加快,有利于提高氧化速度。低溫灰化儀通常由高頻電源系統(tǒng)、氧化室和真空系統(tǒng)等部分組成,其工作流程見圖2。氧氣進入氧化室,在電離電極高頻電場的作用下,產(chǎn)生氧等離子體,與煤樣進行氧化反應(yīng)后,即進入真空系統(tǒng)

12、排出。圖2低溫處理的工作流程常用的低溫灰化儀規(guī)范及其使用條件的范圍如下:(1)高頻電源、真空系統(tǒng)。功率為50180w ,頻率為1010013156mh z ,氧氣流量為50150mlmin ,絕對壓力為133267pa。(2)樣品制備。樣品量在01315g之間,取決于所用灰化儀氧化室規(guī)格和樣品的組分含量。樣品裝在耐熱玻璃舟中,樣品層厚為23mm ,據(jù)測定,在感應(yīng)圈下方50100mm處氧化速度最高。(3)灰化溫度。直接測定樣品的灰化溫度比較困難,通常保持樣品附近氣體的溫度在100左右 。灰化時間在14105h之間4。5低溫等離子體技術(shù)的發(fā)展趨勢為了使低溫等離子體技術(shù)盡快實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,今后應(yīng)加強

13、以下幾方面的研究:(1)深入研究低溫等離子體降解污染物的機理。低溫等離子體降解污染物是一? 1994-2010 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展2006年第5期environme nt and sustai nable developmentno15 , 2006環(huán)境公正事業(yè)的由來及發(fā)展劉必琥(南京市環(huán)境保護科學研究院, 江蘇 南京 , 210013)【摘要】 在發(fā)達國家,解決環(huán)境污染問題已由單純的環(huán)境保護轉(zhuǎn)為社會公正問題,環(huán)境公正成為西方國家的一項基本

14、國策,我們應(yīng)借鑒發(fā)達國家的經(jīng)驗,走環(huán)境與社會和諧可持續(xù)發(fā)展之路。【關(guān)鍵詞】 環(huán)境;公正;發(fā)展中圖分類號: x2文獻標識碼: a文章編號: 1673 - 288x ( 2006)05 - 0060 - 031歷史回顧近年來,“環(huán)境公正”( environmentaljustice )一詞在國外環(huán)境論壇及環(huán)境政策中頻繁出現(xiàn),環(huán)境公正起源于20世紀80年代美國一場環(huán)境維權(quán)運動。1978年夏天,美國北卡羅萊納州沃德輸變電公司將含有pcb物質(zhì)的廢變壓器油沿著4號州際公路一側(cè)偷偷傾倒,污染帶長達210英里 。pcb(多氯聯(lián)苯)是一種強致癌物質(zhì),事后清掃起來的pcb塵土多達6000輛卡車 。州政府決定征用沿

15、公路14個縣之一的沃納縣境內(nèi)142英畝土地作為pcb填埋場地。沃納縣人口不到2萬人,其中黑人占54 % ,大多數(shù)人生活在政府的貧困線以下。沃納縣居民的認為將致癌物質(zhì)貯存在他們的家園內(nèi)會危及他們的生存環(huán)境,居民將州政府告上法庭,但美國聯(lián)邦政府環(huán)保署( epa)認為填埋工程將是安全的,法庭以證據(jù)不足拒絕受理此案。pcb廢物的填埋作業(yè)受到當?shù)鼐用窈腿藱?quán)組織的強力抵制, 6周內(nèi)共有523人因阻止填埋場施工而遭逮捕 。此事成為當年美國的重大新聞,華盛頓郵報認為這是首起公眾環(huán)境意識與民權(quán)相結(jié)合的運動。最終,北卡州州長亨特先生發(fā)表公開信,表示選擇該縣修建填埋場系基于技術(shù)原因,并承諾今后隨著技術(shù)發(fā)展,將對封存

16、的毒物進行解毒處理。州議會也同意撥款700萬美元資助解毒計劃的實施。個十分復(fù)雜的過程,而且影響這一過程的因素很多。雖然目前已有大量有關(guān)低溫等離子體降解污染物機理的研究,但還未形成能指導(dǎo)實踐的理論體系,使其工業(yè)應(yīng)用缺乏理論保障。(2)提高污染物降解效率,降低能耗 。低溫等離子體技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵是在保證污染物去除率的基礎(chǔ)上,降低能耗。普遍認為,低溫等離子體處理煙道氣和工業(yè)廢氣的能耗應(yīng) 3w?hm3。通過優(yōu)化反應(yīng)器的構(gòu)形與操作參數(shù),提高電源的能量效率及電源與反應(yīng)器的匹配,選擇合適的添加劑、催化劑 、吸附劑或填料等辦法,可有效提高污染物的降解效率和能量利用率,降低能耗。(3)處理裝置的大型化與小型化。處理裝置的大型化與小型化是等離子體技術(shù)今后發(fā)展的兩個方向。對于大流量低濃度的鍋爐煙道氣、有機廢氣和含硫廢氣,低溫等離子體具有較好的處理效果,對煙道氣可同時實現(xiàn)脫硫、脫硝與除塵,并可回收有用的產(chǎn)品,但大多數(shù)試驗還停留在小試或中試階段,面臨著試驗裝置如何進行工業(yè)放大問題 。對于種類繁多、分布面廣的各種小流量、低濃度工業(yè)廢氣,甚至汽車尾氣5,都可以采用低溫等離子體進行處理,為小型化處理裝置提供了廣闊的應(yīng)用前景 。由于等離子體技術(shù)涉及物理、化學、反應(yīng)工程等諸多學科,因此開展各學科的協(xié)作研究與開發(fā),是實現(xiàn)處理裝置的大型化與小型化工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。參 考 文 獻1李曉菁等.低溫等離子