等离子体技术在固体废弃物处理中的应用
摘要:简要介绍了等离子体的相关概念及其处理污染物的工作原理,阐述了等离子体技术在固体废弃物治理方面的应用研究概况,并对等离子体在固体废弃物治理中的应用作了市场前景分析,说明了该技术在固体废弃物治理中具有一定的应用前景。
关键词:等离子体;固体废弃物;处理
随着环境污染的日益严重,大量传统的废弃物处理技术已不能适应污染治理的需要。研究开发费用低,处理彻底、无二次污染的新型固体废弃物处理技术成为环境保护领域一个急待解决的重要课题。在环境污染的治理研究中,已经涌现出许多高新技术如:超声波,超临界流体,等离子体,中空纤维膜分离技术,反渗透技术,光化学氧化技术等。其中,等离子体具有高效率、低能耗,安全、无二次污染的特点,为固体废弃物的无害化、减量化、资源化处理开拓了一个新途径。
1 等离子体的基本概念
等离子体是离子化,呈电中性的气体,是物质固、液、气三种存在状态之外的第四种形态,又称为第四态。它由大量的正负带电粒子和电中性的粒子组成,粒子的能量一般为几个到几十电子伏特,大于聚合材料的结合能,因此可以将固体废物中的分子彻底分解,再重新组合,这时有害物质被分解,重金属被分离开来,其余部分被熔融后固化成玻璃体。
等离子体的分类方法有很多,根据温度和内部的热力学平衡性,可将等离子体分为平衡态等离子体和非平衡态等离子体。在热力学平衡等离子体内,电子温度与离子温度相同,属于一个处于热力学平衡的整体,体系温度非常高,因此又称为高温等离子体。最典型的例子是电感耦合等离子体( ICP) 。此外,在较高电压下的火花放电和弧光放电也能获得此类等离子体。非平衡态等离子体内部的电子温度远远高于离子温度(电子温度可高达104 K,而离子温度一般只有300～500K)系统处于热力学非平衡态,其表观温度较低,所以被称为低温等离子体。此类等离子体通常可通过气体放电得到。常见的有辉光放电,射频放电和微波放电等。
2 等离子体处理固体废弃物
2. 1 等离子体处理固体废弃物的原理
等离子体技术应用于污染治理的研究开始于20世纪50年代,由于等离子体中的电子具有较宽的能量分布,电子能量高,可与原子、分子碰撞,产生各种粒子,从而进行热化学较困难甚至不可能进行的化学反应[ 1 ] 。等离子体技术的应用因其特点而异,高温等离子体是应用等离子体的物理特性,其研究的目的是利用高温下氘氚核聚变反应解决未来的能源问题。在目前的实验研究和所期望的商业运行之间仍存在各种极富挑战性物理及工程技术障碍。而低温等离子体是利用其中的高能电子(0～10 eV)参与形成的物理化学反应过程,通过这些物理化学过程可以完成许多普通气体及高温等离子体难以解决的问题。
从化学角度看,等离子体空间富集的离子、电子、激发态的原子、分子及自由基,是极活泼的反应物种。譬如,氢等离子体中富集了高活性的原子氢。同样的,氧气、水和有机物之类,也都可以形成各自的等离子体,产生相应的高活性物种。低温等离子体中重要的单元过程大致如表1[ 2 ] :
 表1 低温等离子体中重要的单元过程 |
以上过程可以看出,系统首先电离产生离子和电子,通过激发或电离将能量转移到分子或原子中去,那些获得能量的分子或原子被激发,同时部分分子或原子被激发,从而成为活性基团。然后这些活性基团与分子、原子、活性基团之间相互积聚、交换、置换后成为稳定的反应离子和产物。
2. 2 等离子体技术处理固体废弃物系统的一般组成等离子体处理系统主要有进料系统、等离子体处理室、熔化产物处理系统、电极驱动及冷却密封系统组成。固体废物通过进料系统进入等离子体处理室,有机物被分解气化,无机物则被熔化成玻璃体硅酸盐及金属产物,气化产物主要是合成气(CO、H2、CH4 )和少量的HF、HCl等酸气[ 10 ] 。熔化产物被收集到处理器中被冷却为固态,金属可回收,熔化的玻璃体可用来生产陶瓷化抗渗耐用的玻璃制品,合成气通过过滤器去除烟尘和酸气后排向大气。
2. 3 处理流程[ 3 ]
工艺流程见图1。
 图1 工艺流程图 |
2. 4 等离子体处理固体废弃物的应用研究效果
目前等离子体处理废弃物的应用研究均取得了较好的效果。中国科学院等离子体研究所通过150 kw的高效电弧在等离子高温无氧状态下,将危险废弃物在炉内分解成气体、玻璃体和金属三种物质,然后从各自的排放通道有效分离。由于整个处理过程和处理环境实现了“全封闭”,因此不会造成对空气的污染,同时排放出的玻璃体可用作建材,金属可回收使用,从而基本上实现了真正意义上的污染物“零排放”。李军等人[ 4 ]采用等离子体技术的高温特性处理城市污水厂的污泥,得到了类似水煤气的气体产物。处理后的污泥呈现玻璃态或明显碳化。通过实验说明了等离子体技术处理城市污泥的可能性。Chin - ching tzeng等[ 5 ]利用自行研制的功率为100 kw、处理量为10 kg/h的等离子体焚化炉,在1 650℃下处理不可燃放射性废物,最终将放射性废物转化为稳定的玻璃态或陶瓷状的熔渣。KoutaroKatou等[ 6 ]用石墨电极等离子体熔炉处理城市固体废弃物焚烧后残余物,得到了不含重金属的熔渣,无NOx 气体排放, HCl、SOx气体的产生也相对受到抑制。深圳市真高科实业有限公司针对医院里带菌、带毒医疗垃圾处理难等问题,与清华大学、核工业物理研究所共同研发出新型“等离子体特种垃圾焚烧炉”,该产品经医院使用后显示,能有效地实现医疗垃圾无害化处理。
3 市场前景分析
中国在管理和废弃物处理方面颁布了一系列法律,采取了很多措施。目前,固体废弃物的处理方法主要有焚烧、填埋、综合利用等,其中焚烧和填埋是目前较为常用的方法。
简单填埋不仅占用大量的土地,而且严重污染了土壤、地下水、大气,破坏了周围的环境。
普通焚烧的平均温度在800℃左右,基本用垃圾自身的热值进行焚烧,它有以下主要缺点:
(1)设备投资大,运行费用高,经济性差。
(2)焚烧过程会产生一系列的污染物,如重金属( Pb、Cd、Hg) ,有机污染物(二恶英)等。
(3)对垃圾的热值有较高要求,即垃圾的热值不低于5 000 kJ /kg。一般垃圾即使通过干燥处理也只能达到1 500 kJ /kg。因此,在焚烧前要进行垃圾分类。
而用于处理固体废物的等离子体的温度一般为几千度甚至上万度,这时等离子体中的离子和电子具有很高的能量,可将固体废物中的分子彻底分解,再重新组合。这时有害气体被分解,重金属被分离出来,残余的有害物质被熔融后被固化成硅石。由于整个处理过程和处理环境实现了“全封闭”,因此不会造成对空气的污染,同时排放出的玻璃体可用作建材,金属可回收使用,从而基本上实现了真正意义上的污染物“零排放”。
4 存在问题及发展趋势
目前,等离子体降解污染物的直接应用于工业化生产还存在一定的问题。主要体现在以下几个方面[ 9, 15 ] :
(1)系统非连续人工操作限制了生产效率,从而失去价格上的优势。
(2)化学激励过程中所获得的能量无法满足化工、材料工业、环境工程等化学过程所需要的能量。
(3)多数情况下系统所需要的真空系统及外围设备增加了技术投资。
(4)等离子体产生的机理、加工工艺过程、工艺结果评价、工艺控制技术核装置及工艺优化等方面还需要进一步探讨。
5 结束语
等离子体技术处理固体废弃物具有安全、高效、无二次污染和广泛实用性的特点,为固体废弃物的无害化、减量化和资源化提供了科学有效的方法和新的研究平台。
参考文献
[ 1 ] 李学丹. 低温等离子体化学[ J ]. 化学通报, 1991, (5) : 17.
[ 2 ] 任兆杏,丁振峰. 低温等离子体技术[ J ]. 自然杂志, 1996, 18 (4) : 201 - 207.
[ 3 ] 龙燕. 美国危险废物处理的领先尖端技术[ J ]. 有色金属设计与研究, 2004, 24 (3) : 74 - 77.
[ 4 ] 李军,陈邦林,胡建斌. 等离子体技术处理生化污泥[ J ]. 能源化研究, 2000, 19 (8) : 382 - 384.
[ 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。
[ 7 ] 白希尧,白敏冬,张之涛,等. 非平衡等离子体化学研究进展[ J ]. 中国基础科学, 2003, (6) : 32.
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
