等離子體環(huán)保技術(shù)

1、等離子體技術(shù)在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用.引言隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，大量傳統(tǒng)的廢物處理技術(shù)已不能適應(yīng)污染治理的需要，對(duì)于復(fù)雜的有害混合廢料如放射性物質(zhì)、重金屬殘?jiān)?、污染土壤等，傳統(tǒng)的焚燒工藝難于滿足環(huán)境要求，應(yīng)用等離子體技術(shù)處理環(huán)境污染物，尤其是有毒復(fù)雜污染物，是近年開發(fā)出來(lái)的最具有發(fā)展前途和引人矚目的一項(xiàng)環(huán)境污染治理的高新技術(shù)。上世紀(jì)90年代，美國(guó)、德國(guó)、瑞士等發(fā)達(dá)國(guó)家將等離子體技術(shù)應(yīng)用到廢物處理中，取得了不俗的業(yè)績(jī)，至今不同商用的等離子體設(shè)備系列在很多國(guó)家投入使用。將等離子體用于處理各類污染物具有處理流程短、效率高、適用范圍廣等特點(diǎn)，尤其是對(duì)于多氯聯(lián)苯類（PCB）、氟里昂類等難消解含鹵化合物及生

2、物技術(shù)產(chǎn)業(yè)、農(nóng)藥、醫(yī)院等的特殊廢棄物處理，常規(guī)的燃料熱源技術(shù)的處理效率常不能達(dá)到國(guó)際規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（PCB的消解效率必須大于99.9999%）,并且更高毒性的多氯二苯并工（PCDDs）與多氯二苯并呋喃（PCDFs）的二次污染問(wèn)題日益引起人們的重視。等離子體既可用于處理廢氣又可用于處理廢水、固體廢物、污泥、甚至放射性廢物。本文主要介紹等離子體處理固體危險(xiǎn)廢物，如醫(yī)療垃圾等。.等離子體的基本概念和性質(zhì)等離子體的概念等離子體是物質(zhì)存在的第四態(tài)，它是氣體電離后形成的，是由電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體，它具有宏觀尺度內(nèi)的電中性與高導(dǎo)電性。等離子體是極活潑的反應(yīng)性物種，使通常條件下難以進(jìn)行

3、或速度很慢的反應(yīng)變得快速，尤其有利于難消解污染物的處理。在人工生成等離子體的方法中，氣體放電法比加熱的辦法更加簡(jiǎn)便高效，諸如熒光燈、霓虹燈、電弧焊、電暈放電等等。圖1是氣體通過(guò)加熱或放電形成等離子體的示意圖。按粒子的溫度等離子體可分為兩大類，熱平衡等離子體（或熱等離子體）與非熱平衡等離子體（或冷等離子體），如圖2所示。z熱平衡等離子體（熱）等離子體,按粒子的溫度分r非熱平衡等離子體（冷）圖2等離子體的分類冷等離子體的特征是它的能量密度較低，重粒子溫度接近室溫而電子溫度卻很高，電子與離子有很高的反應(yīng)活性。相對(duì)地，熱等離子體的能量密度很高，重粒子溫度與電子溫度相近，通常為10000K至20000K

4、的數(shù)量級(jí)，各種粒子的反應(yīng)活性都很高，本文后面所提到的等離子體如未特別說(shuō)明即指熱等離子體。2.3等離子體的產(chǎn)生方法與原理產(chǎn)生等離子體的方法和途徑很多，涉及許多微觀過(guò)程、物理效應(yīng)和實(shí)驗(yàn)方法，如氣體放電法、光電離和激光輻射電離法、射線輻照法、燃燒法、沖擊波法等。由于等離子體中含有離子、電子、激發(fā)態(tài)原子、分子、自由基等極活潑的化學(xué)反應(yīng)物種，使它的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)與固、液、氣三態(tài)有本質(zhì)的區(qū)別，特別突出的一點(diǎn)是等離子體化學(xué)反應(yīng)的能量水平高。等離子體化學(xué)反應(yīng)過(guò)的能量傳遞過(guò)程大致如下:TOC o 1-5 h z電場(chǎng)+電子一高能電子（）高能電子分子（或原子）一受激基團(tuán)，受激原子，游離基團(tuán)活性基團(tuán)（）活性基團(tuán)分子（或

5、原子）一生成物熱（）活性基團(tuán)活性基團(tuán)一生成物熱（）以上過(guò)程表示，電子先從電場(chǎng)獲得能量，通過(guò)碰撞（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)有部分分子被電離，從而成為活性基團(tuán)，然后這些活性基團(tuán)與分子或原子，或者活性基團(tuán)之間相互碰撞后形成穩(wěn)定產(chǎn)物和熱。高能電子同樣也被鹵素和氧氣等電子親和力較強(qiáng)的這類物質(zhì)俘獲，成為負(fù)離子，這類負(fù)離子具有很好的化學(xué)活性，在等離子體化學(xué)反應(yīng)中起到重要的作用。3.等離子體處理污染物的原理3.1臭氧應(yīng)用于污染物處理臭.氧1處理空氣中污染物臭氧，因其類似魚腥味的臭味而得名。其分子式3它可在地球同溫層內(nèi)光化學(xué)合成。臭氧通常情況下具有難聞臭味、淺

6、藍(lán)色的氣體。液態(tài)時(shí)呈藍(lán)色，固態(tài)時(shí)呈紫黑色。臭氧的化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，在空氣和水中都會(huì)慢慢分解成氧氣。臭氧反應(yīng)后的生成物是氧氣，所以臭氧是高效的無(wú)二次污染的氧化劑。臭氧因其高氧化性和活躍的化學(xué)性質(zhì)使其非常適合處理各種污染物。其中尤以臭氧的催化氧化技術(shù)應(yīng)用廣泛。其反應(yīng)機(jī)理是：其反應(yīng)過(guò)程包括臭氧分解和有機(jī)物氧化兩部分。（1）臭氧分解在催化劑上的分解主要由以下兩個(gè)不可逆過(guò)程組成即在催化劑表面的吸附和氧分子的脫附,具體反應(yīng)過(guò)程如下：*322-O22其中*代表催化劑表面活性位臭氧分解反應(yīng)過(guò)程中生成的中間產(chǎn)物和具有很高的反應(yīng)活性能降解和等氣體污染物。*32*32（2氣）體污染物氧化-*T2其中代表氣體污染物。

7、不同催化劑上臭氧分解和污染物氧化速率不同體現(xiàn)為催化劑催化氧化性能的差異。國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)導(dǎo)大多集中在利用臭氧氧化法對(duì)水中有機(jī)污染物的氧化去除上，對(duì)于空氣中有機(jī)污染物的臭氧氧化去除研究，大多還處于起步階段。臭氧/催化氧化空氣中有機(jī)污染物是一項(xiàng)很有前景的技術(shù)。目前，已有利用臭氧/催化氧化去除一氧化碳、甲烷、鏈烷烴、芳香族化合物、丙烯腈和乙醇等氣態(tài)有機(jī)物的報(bào)道。臭.氧2處理水中污染物自從臭氧在水處理中應(yīng)用以來(lái)，由于臭氧處理的設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用較高，雖然后來(lái)進(jìn)行了廣泛的研究除了用于飲用水消毒外，其他的實(shí)際應(yīng)用很少。近年來(lái)，由于在水處理實(shí)踐中碰到的困難，如氯消毒副產(chǎn)物、難生物降解或有毒有害有機(jī)廢水的治理等缺乏有

8、效的方法，隨著臭氧發(fā)生設(shè)備性能的提高。臭氧技術(shù)重新得到重視，并且改進(jìn)和發(fā)展了臭氧水處理技術(shù)。臭氧處理水的功能主要包括：（1）殺菌。細(xì)菌殺滅，濾過(guò)性病毒和孢子失活。（2）無(wú)機(jī)物的氧化。鐵，鎂，重金屬有機(jī)物、氰化物，硫化物、亞硝酸鹽、砷。（3）有機(jī)物的氧化。色度、味道和氣味、某些洗滌劑、某些農(nóng)藥、酚類、濁度控制、微小絮體。（4）所有的水處理技術(shù)（例如，過(guò)濾、離子交換、活性炭吸附、反滲透）可以與臭氧系統(tǒng)聯(lián)用。（5）環(huán)境友好的臭氧在殺菌后，不會(huì)水中殘留化學(xué)物質(zhì)，而氯、高錳酸鉀、二氧化氯等殺菌劑則在水中殘留或生成有毒有害物質(zhì)。臭氧處理水中污染物是一種高級(jí)氧化技術(shù)。高級(jí)氧化過(guò)程：能產(chǎn)生足夠量羥基自由基凈化

9、水質(zhì)的過(guò)程年等）其具有如下特點(diǎn)：（）高效性對(duì)污染物有較高的降解效率；（2）普適性:對(duì)大多數(shù)難降解有機(jī)污染物或還原性無(wú)機(jī)物均有效；（3）徹底性:可使絕大多數(shù)污染物完全礦化而穩(wěn)定。在臭氧吸收過(guò)程中，臭氧擴(kuò)散同時(shí)帶有分解反應(yīng)和臭氧化反應(yīng)。臭氧氧化反一“，、一一人，一p應(yīng)途徑，直接反應(yīng)途徑:33O+OH-+H+p2HO+4O間接反應(yīng)途徑:32OH+pMproduct其中，當(dāng)以直接反應(yīng)途徑為主當(dāng)以間接反應(yīng)途徑為主；當(dāng)兩種反應(yīng)途徑。影響反應(yīng)速率的參數(shù)有：（）氧化劑的濃度。對(duì)于有機(jī)化合物與臭氧的所有直接反應(yīng)，通常部假定為二級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速率取決于臭氧和有機(jī)化合物初始濃度。一般液相臭氧濃度的提高將引起底物氧化速

10、率的增加。（2）溫度。對(duì)于任何一個(gè)反應(yīng)，速率常數(shù)都受溫度的影響，速率常數(shù)表示為：（3）無(wú)機(jī)碳的影響。無(wú)機(jī)碳作為羥基自由基的終止劑，也可以影響總反應(yīng)速率。而臭氧本身并不與碳酸鹽或重碳酸鹽反應(yīng)。通過(guò)提高無(wú)機(jī)碳的濃度，即提高終止劑的濃度，有機(jī)目標(biāo)化臺(tái)物與的反應(yīng)速度會(huì)降低。另一方面，也減少了臭氧的分解。此時(shí)，有機(jī)底物的直接氧化就變得十分重要，因而總反應(yīng)速率也會(huì)降低。等離子體法煙氣脫硫脫硝的原理等離子體法煙氣脫硫脫硝實(shí)質(zhì)是用電子束照射煙氣生成強(qiáng)氧化性基因、原子和這些強(qiáng)氧化基團(tuán)氧化煙氣中的二氧化硫和氮氧化物生成硫酸和硝酸,加入氨氣,則生成硫硝銨復(fù)合鹽。其優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生廢水廢渣，不需要催化劑，能同時(shí)脫硫脫硝簡(jiǎn)

11、單方便，對(duì)于含硫量的變化有較好的適應(yīng)性和負(fù)荷跟蹤性。缺點(diǎn)是技術(shù)能耗高,有待實(shí)際工程應(yīng)用檢驗(yàn)。現(xiàn)階段選擇性催化還原脫硫脫硝在全球范圍尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用廣泛。選擇性催化還原脫硝是在含氧氣氛中利用催化劑將煙氣中經(jīng)3x3還原為和。在反應(yīng)溫度為時(shí)，脫硝率可選%。其反22應(yīng)式為：pH副反應(yīng)有：-H232電子束照射法脫硫是用高能量的電子流照射煙氣使煙氣中的、222等分子激發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的自由基這些自由基與煙氣中的和氧化產(chǎn)2x生硫酸和硝酸,這些酸與噴入的氨反應(yīng)生成穩(wěn)定的硫酸氨和硝酸氨顆粒,與灰塵一起用除塵器收集得到混合化肥產(chǎn)品。法煙氣脫硫技術(shù)的特點(diǎn)有：（）應(yīng)（2）用現(xiàn)代技術(shù)得到高能量電子束，高能量電子束照射煙

12、氣得到氧化性強(qiáng)的自由基；自由基與和反應(yīng)迅速，時(shí)間短；（）在一套裝谿內(nèi)同時(shí)脫硫2脫硝；（4）是干法工藝，沒有廢水排放，也無(wú)需廢水處理裝置；（5）生成的副產(chǎn)物硫銨和硝銨是有用的化肥，沒有廢棄物；（6）系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作方便，對(duì)煙氣條件變化的適應(yīng)性強(qiáng)。電子束輻照含有水蒸氣的煙氣時(shí)，會(huì)使煙氣中的分子如、等處于激22發(fā)態(tài)、離子或裂解，產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的自由基、和等氧化和TOC o 1-5 h z232變成和或相應(yīng)的酸。在有存在的情況下，生成較穩(wěn)定的32和固體，它們被除塵器捕集下來(lái)而達(dá)到脫硫脫硝的目的。42443其反應(yīng)式為：SO+.OH+-MHSO+M HYPERLINK l bookmark24 23HSO+O

13、-SO+HO HYPERLINK l bookmark38 3232SO+HO-HSO HYPERLINK l bookmark14 3224HSO+2N-H（NH）SO等離子體脫除甲醛的機(jī)理年和首次作了脫除甲醛機(jī)理方面的研究，研究了甲醛脫除率與氣體初始溫度、水含量以及甲醛初始濃度的關(guān)系得出結(jié)論:甲醛的脫除主要是由于等離子體產(chǎn)生的和自由基與甲醛分子作用的結(jié)果。忽略了電子與甲醛直接碰撞反應(yīng)，原因是氣體中甲醛的含量很低，分布在甲醛分子上的等離子體能量很小,可以忽略。等離子體處理固體和危險(xiǎn)廢棄物等離子體處理固體和危險(xiǎn)廢棄物的方法有：等離子體熱解；等離子體氣化；等離子體減量化和玻璃化。熱解，是將有機(jī)物

14、在無(wú)氧或缺氧狀態(tài)下加熱，使之成為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)可燃物質(zhì)的化學(xué)分解過(guò)程。固體廢物熱解過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。包括大分子的鍵斷裂，異構(gòu)化和小分子的聚合等反應(yīng)，最后生成各種較小的分子。等離子體氣化過(guò)程，幾乎所有物質(zhì)在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化或者還原反應(yīng)，分解為原子和簡(jiǎn)單分子。這些物質(zhì)在溫度較低部位又重性形成熱力學(xué)穩(wěn)定的化合物。有機(jī)物形成的氣體可以用作化工原料或燃料。其中二惡英被分解為無(wú)毒的小分子。等離子體玻璃化，玻璃化將廢物（有害金屬、放射廢物）與玻璃等物質(zhì)混合，形成穩(wěn)定的玻璃態(tài)物質(zhì)，阻止遷移到水和大氣中。.等離子體在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用概況和應(yīng)用進(jìn)展在環(huán)境領(lǐng)域，等離子體可用于：（1）脫除空氣中污染

15、物：顆粒物、NOx、SO2、有機(jī)污染物;（2）水處理，殺菌、降低耗氧量；（3）處理危險(xiǎn)廢棄物；（4）殺菌消毒。其具有具有流程短、效率高、適用范圍廣等特點(diǎn)。用于氣體污染物治理的等離子體技術(shù)是利用等離子體中的活性粒子和污染物發(fā)生反應(yīng)，形成非污染產(chǎn)物或更易利用的物質(zhì)。該技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，自70年代以來(lái)，一直是國(guó)際上廣泛關(guān)注和研究的技術(shù)。目前該技術(shù)主要用于電除塵、燃煤煙氣脫硫脫硝（電子束輻照、脈沖電暈放電C及揮發(fā)性有機(jī)廢氣（C處理等領(lǐng)域。近年來(lái),對(duì)于造成全球溫室效應(yīng)的氣體及破壞臭氧層的氣體的排出,各種有害液體廢棄物,固體廢棄物等對(duì)環(huán)境和人體有害的物質(zhì)排放逐漸納入嚴(yán)格的法制規(guī)范,于是,將等離子體技術(shù)應(yīng)用于凈化燃燒排放的氣體、處理城市垃圾與產(chǎn)業(yè)廢棄物并工業(yè)化就顯得尤為重要。各國(guó)的大公司與研究所紛紛加入發(fā)展用于污染物處理的等離子體技術(shù)研究行列,經(jīng)過(guò)多年的研究,許多利用等離子體處理污染物的裝置研制面市并成功進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng),取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。在這些商業(yè)化的裝置和設(shè)備中美國(guó)的公司研制出的消除裝置用于消除半導(dǎo)體工業(yè)中使用的該裝置采用射頻電感耦合等離子體降解通過(guò)加入、等輔助氣體在生產(chǎn)工業(yè)條件下測(cè)試處理效果表明脫除效率可以達(dá)到925%對(duì)2裝比目前在半導(dǎo)體工業(yè)中使