微波技术在气态污染物治理工程中的应用研究
摘 要：随着微波技术的不断的改革和创新，该技术在大气污染控制领域的应用也得到不断加强。传统废气催化处理和吸附处理存在温度影响较大和设备易腐等问题，微波技术在传统废气工程中的应用，克服了传统工艺的缺点，明显的加快了反应速度，降低了运营能耗，污染物削减率也有提升。作者就微波技术的特征，应用以及存在问题等进行讨论，为微波技术在气态污染物减排领域的推广提出可行性思路。
关键词：废气治理; 微波技术;应用
随着社会经济的发展，气体污染物的排放量逐年增加，在国家节能减排的决策背景下，如何减少气态污染物质的排放量成为广大环保工程师面临的现实问题。废气中的气态污染物主要指NOx、SO2等，它们对人类和整个生态环境危害极大，SO2是形成酸雨的主要来源，NOx会破坏臭氧层且能形成光化学烟雾。目前去除SO2污染的方法大都采用氧化法，将SO2氧化后中和去除。该处理工艺存在氧化产物对设备腐蚀性较强、工艺复杂、处理成本高等缺点。而在处理NOx时常规工艺只有当温度上升至1000℃左右时，NOx才可被还原为N2，限制了该工艺在低温废气治理中的应用。
微波技术的产生是在二十世纪三十年代，开始主要是被应用在通讯领域当中，随着技术的不断创新和完善，微波技术得到广泛普及和应用，现已成功应用于环境工程与环境监测等方面，微波技术的优点是降低能源消耗、减少污染、改良产物特性和加快反应速度等[1]。课题组重点就微波技术在气态污染物治理方法予以归纳分析。
1微波技术概述
微波是波长在1mm-100cm，频率在300MHz-300GHz范围内的电磁波，位于电磁波普的红外辐射(光波)和无线电波之间。微波的量子能量约为10-6-10-3eV，介质在微波场中发生离子传导和偶极子转动，这使得极性分子产生高速旋转并发生碰撞，提高分子活性，降低反应活化能和分子的化学键强度，提高化学反应速率;同时，剧烈的极性分子震荡，可使化学键断裂，从而导致污染物的降解。此外，微波还能诱导催化反应的发生。微波诱导催化反应是指当反应物不直接明显地吸收微波时，可以利用某些强烈吸收微波的“敏化剂”( 如磁性物质、活性炭、过渡金属及其化台物等)把微波传给这些物质而诱导化学反应[2]。
2微波技术在废气催化治理工艺中的应用
在工业废气治理工程中，微波技术的应用促进了污染物削减率提高并表现出更高的反应速度，对于氮氧化物和二氧化硫均具有良好的去除效果。Tang等[3]利用微波辐射法直接处理NO，以Fe/Na ZSM-5作为催化剂，分别研究了反应温度、O2浓度、NO浓度、气体流速和湿度等因素对处理效果的影响。结果表明，在微波场中，该催化剂对O2浓度具有较好的承载能力，70%以上的NO都能被还原为N2。Kataoka[4]研究了微波辅助光催化氧化法(MWPCO)与单纯光催化氧化法(PCO)处理乙烯的差别，2种方法的催化剂都是利用溶胶凝胶法制备的TiO2/ZrO2，在湿度为15%时，MWPCO法的氧化速率较PCO方法提高了26.9%。进一步实验表明，微波辐射有利于去除催化剂表面的水分，提高处理效果。
此外，天然气由于硫化物的存在而导致其水露点升高，影响储存和运输并降低天然气的热值，而且在使用过程中各种硫化物转化为H2S和SO2而引起环境污染，同时酸性气体H2S的存在会引起管线和设备的腐蚀，因此必须对天然气进行脱硫处理，研究发现微波技术对于硫化物同样具有良好的分解转换效果。马文等[5]通过微波辐射加热硫化铁催化分解H2S为单质H2和S，H2S分解转化率与其浓度、催化剂用量及微波辐射时间有关系，在最佳条件下分解转化率可达91.2%。微波辐射在处理废气的同时，还能有效地收集废气中的有用物质，实现废物资源化。在以MoS2/A12O为催化剂用微波辐射法处理SO2气体，产物为CO2和S，实现了对硫的回收利用，通过氧化铝晶型的转化验证了催化剂中“热点”的存在，证明了在微波场中，催化剂表面的某些点位产生了所谓的“热点”，这些“热点”附近的温度比较高，能够氧化SO2气体。
3微波技术在进行活性炭处理废气中的应用
3.1 微波一炭还原处理废气
活性炭能够很好地吸收微波辐射能。美国Cha公司对燃煤烟气中的SO2、NOx的微波消解进行了研究[6]，利用易吸收微波射频能的活性炭为还原剂制成炭床，常温下将SO2，NOx通过炭床吸附到饱和后，再进行微波加热，检测发现吸附的SO2、NOx分别被炭还原为单质硫和氮气，而炭转化为CO2，NOx去除率达到98%，回收的单质硫可作为化工原料重新利用。
与传统的湿式石灰法相比，微波脱硫脱硝具有工艺简单、处理效率高、无二次污染等优点;与电子束法相比，具有投资小，装置简单、能耗低等优点。目前烟气的脱硫脱硝技术的竞争已由去的追求控制效率和可靠性转向经济效益的竞争。另外实验发现，随着炭床脱硫脱硝微波循还辐射次数的增加，炭的表面积逐渐增大，炭床对硫、硝化合物的吸附能力和吸附速率有明显提高。研究者认为，在吸附NOx的区域比其他区域吸附更多的微波能量。这些区域随后被快速加热形成“热点”，使NOx被碳迅速还原。而且，当进气中有湿分和氧气时，吸附的NOx以NO2和HNO3的形式存在。如果HNO3的比例越高，出气的温度也就越高，即NOx的还原效率也就越高，由这点推知，吸附HNO3的区域比吸附NO2的区域能吸收更多的微波能量。进一步的研究还表明，90%以上的NOx在这个再生的过程被碳还原，此法的优点是快速有效的加热，出气的温度接近常温。张达欣等[7]在实验室模拟条件下进行实验，研究了一种采用微波一碳还原技术处理二氧化硫的新方法。研究结果表明，微波功率和反应器的类型及升温速率对二氧化硫的去除率影响较大。
3.2微波改性活性炭处理废气
微波改性活性炭可以在很短的时间内改善活性炭表面的物理结构和化学性质，以提高其对气体的吸附能力。Menendez J.A.等[8]研究了用微波处理对活性炭表面化学的改性，结果表明在氮气保护下，炭表面的大多数含氧基团被去除，同时炭的pH显著增加。微波处理较传统加热处理耗时少，仅仅几分钟就可使酸性炭变为相对氧含量低的碱性炭，同时微波处理后的炭更不易在空气中再氧化。微波和电加热处理活性炭的比较，证明电和微波在惰性环境下加热炭样品，在结构和化学性质方面能产生相似的变化。使用微波主要的优点是处理能在相当短的时间内完成，这意味着更低的惰性气
体和能量消耗。
热电偶与微感应高温计的结合使微波处理期间炭温度的判断成为可能，温度随时间的变化显示出一个很高的初始加热速率，也表明在微波处理的炭床温度稳定保持最高值，在惰性环境下进行微波处理似乎是一种去除炭表面氧官能团，获得具有碱性特性材料的有效途径。根据炭样品的特点，微波诱导处理能在几分钟内去除大部分表面含氧官能团。Buenger等[9]研究用微波加热炭质材料(煤)还原 NOx时发现，在利用微波照射后，不仅NOx与C反应生成N2和C02，而且随着循环使用次数的增加，炭的表面积逐渐增大，由最初炭的表面积为210m2/g，循环使用15～25次后，表面积已达到700～800m2/g，实际上是因为这些煤经过微波的反复辐射后已变成了活性炭。
4 微波技术处理废气存在的问题
微波技术在控制H2S、SO2、NOx等方面的成功使微波技术受到广泛的重视，但是仍有些问题待研究：(1)微波辐射对人体的中枢神经系统、循环系统、免疫系统等有影响，即使是低强度的也对人体造成不良影响。所以如何设计好封闭的微波发生腔是一个挑战性课题。(2)微波加热的机理研究不够，需要建立加热的数学模型，从而得到如何能够得到均匀的微波场。(3)活性炭经微波处理后，活性炭的碘值稍微有所提高。其表面物理特性表现为孔径向微孔方向偏移，闭塞的孔被打开，但是与此同时，也造成活性炭孔的塌陷，从而造成这种促进效果的有限性。研究如何能使活性炭的吸附性能最大化。
结束语：
综上所述，笔者主要针对的就是在废气治理中微波技术应用的形式和方法进行了分析和归纳，传统废气催化处理和吸附处理存在温度影响较大和设备易腐等问题，微波技术在传统废气工程中的应用，克服了传统工艺的缺点，明显的加快了反应速度，降低了运营能耗，污染物削减率也有提升。但是该方法在实际应用中仍然存在一些局限性，需要进一步加强工艺改良，进而成为一种成熟的新型实用废气处理技术。
参考文献：
[1]夏祖学等.微波化学的应用研究进展[J].化学研究与应用，2004(4)：24—27.
[2]金钦汉,微波化学[M],北京,科学出版社,1999,13.
[3]TANG JUNWANG，ZHANG TAO，HANG DONGBAI，et a1.Direct decomposition of NO by microwave heating overFe/NaZSM-5.Applied Catalysis B：Environmental，2002，36：1-7.
[4]SHO KATA(OKA，DEAN T T，WALTER A z，et a1.Pbotocatalytic oxidation in the presence of miemwax’e irradiation：observations with ethylene and water.Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry2002，148：323.
[5]马文，王新强，倪新华.微波催化法分解硫化氢的研究.[J].石油与天然气化工，2003，26(1)：37-38.
[6]Kong Y，Cha CY.Reduction of NOx adsorbed on charwith microwave energy.Carbon，1996，34(8)：1035-1040
[7]张达欣，于爱民，金钦汉.微波一炭还原法处理SO2的研究[J].微波学报.1998，14(4)：341-346.
[8] Menendez, J.A. “Modification of the Surface Chemistry of Active Carbons by Means of Microwave-induced Treatments.” Instituto del Carbon (INCAR) C.S.I.C. (1999), 37(7), 1115-1121
[9]Buenger, C. and E. Peterson, “A novel technology for the reduction of NOX on char by microwaves”, Material Research Society Spring Meeting, San Francisco, 1994.
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