一種處理廢棄物的理想方法——等離子體技術(shù)

1、種處理廢棄物的理想方法等離子體技術(shù)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，使人們的生活水平有了很大的提高，同時(shí)帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題 日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，環(huán)境污染成為人們健康生活的隱形殺手。 在城市垃圾 處理中，最普遍的方法是集中焚燒掩埋，通過(guò)焚燒，使垃圾的量最少化，進(jìn)而再進(jìn)行掩埋處理。但這樣，不僅不能浪費(fèi)了垃圾中所含有的寶貴資源，同時(shí)也會(huì)造 成嚴(yán)重的的空氣問(wèn)題和土壤問(wèn)題。垃圾掩埋處理只是使垃圾短期內(nèi)離開(kāi)人們的視 野，深埋地下的垃圾由于洪水等原因可能會(huì)重見(jiàn)天日， 危害人類(lèi)，深埋的垃圾不 僅污染土壤，也會(huì)造成地下水污染，嚴(yán)重威脅人們的健康。癌癥村的出現(xiàn)或許是 最好的例證。加強(qiáng)對(duì)各類(lèi)固體廢棄物（城市生活垃圾、工業(yè)三廢、醫(yī)療和

2、電子危 廢、污水污泥等）的無(wú)害化、減量化和資源化處理是十二五國(guó)家環(huán)保事業(yè)和環(huán)保 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要內(nèi)容之一，也是關(guān)系到堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展觀，推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和建設(shè)和 諧社會(huì)的重要任務(wù)。一種新興的廢棄物處理技術(shù)等離子體技術(shù)，成為近年來(lái)世界各國(guó)學(xué)者進(jìn)行污染物處理新技術(shù)研究的方向之一。等離子體技術(shù)不僅可以對(duì)氣相中的化 學(xué)、生物廢物進(jìn)行破壞，而且可以對(duì)液相、固相中的化學(xué)-放射性廢物進(jìn)行破 壞分解，不僅對(duì)高濃度有機(jī)污染物有較好分解效果，更可對(duì)大流量、低濃度污染 物進(jìn)行分解。很多情況下，污染物只采用一種方法來(lái)處理難以得到預(yù)定的效果 通常需要將物理、化學(xué)、生物等方法聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行合理配置，增加了系統(tǒng)的復(fù)便捷雜性，而應(yīng)用等離

3、子體技術(shù)則可以簡(jiǎn)化這一處理過(guò)程。作為一種可高效、 對(duì)污染物進(jìn)行破壞分解的替代技術(shù)，等離子體技術(shù)正受到各國(guó)學(xué)者越來(lái)越多的 關(guān)注，成為環(huán)境污染治理領(lǐng)域中最有發(fā)展前途的一項(xiàng)高科技技術(shù)。2等離子體概述2.1等離子體的發(fā)展及應(yīng)用20世紀(jì)60年代形成的等離子體技術(shù)是一門(mén)交叉學(xué)科，涉及高能物理、放電 物理、放電化學(xué)、反應(yīng)工程學(xué)、高壓脈沖技術(shù)等領(lǐng)域。在進(jìn)入80年代后，將等 離子體技術(shù)應(yīng)用于處理各類(lèi)污染物成為國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一。 與其他污染治理技 術(shù)相比，等離子體技術(shù)具有處理流程短、效率高、能耗低、適用范圍廣等特點(diǎn)。等離子體技術(shù)既可用于處理廢氣又可用于處理廢水、固體廢棄物、污垢，甚至放射性物質(zhì)。2.2等離子體相

4、關(guān)概念含有足夠數(shù)量的自由帶電粒子，有較大的電導(dǎo)率，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配的 物質(zhì)狀態(tài)。等離子體由帶正電的離子和帶負(fù)電的電子， 也可能還有一些中性的原 子和分子所組成。等離子體在宏觀上一般是電中性的，即它所含有的正電荷和負(fù) 電荷幾乎處處相等。由于帶電粒子之間的作用主要是長(zhǎng)程的庫(kù)侖力，每個(gè)粒子都同時(shí)和周?chē)芏嗔Ｗ影l(fā)生作用，因此等離子體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一般表現(xiàn)出明顯的集 體行為。等離子體根據(jù)溫度的不同可分為低溫等離子體和高溫等離子體。高溫等離子體主要應(yīng)用于核聚變領(lǐng)域，其溫度高達(dá) 105K以上。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(dá)103K以上，而粒子和原子之類(lèi)重粒子溫度可低

5、到300500K,可分為熱等離子體和冷等離子體，典型的熱 等離子體如電弧放電等離子體，有直流放電、交流放電、微波放電、感應(yīng)放電等 不同的形式，直流等離子體火炬是絕大多數(shù)等離子體所采用的處理裝置。2.3等離子體的產(chǎn)生等離子體產(chǎn)生的方法很多，有天然的和人造的。天然的如雷電、日冕及極光 等；在實(shí)驗(yàn)室，等離子體的產(chǎn)生方法和途徑很多，有激光壓縮、氣體放電、射線 輻照及熱電離等，氣體放電法是最主要和最常見(jiàn)的。 根據(jù)不同的放電條件（如氣 壓、電流），氣體放電可分為電弧放電、輝光放電和電暈放電。3傳統(tǒng)處理生活廢棄物的方法介紹在當(dāng)今世界，各種資源因消耗與日劇減、日趨緊張，而生活廢棄物卻在與日俱增，成為一種潛在的

6、資源，具有非常大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。如何實(shí)現(xiàn)廢棄物的減量化、 無(wú)害化、資源化，成為人們一直關(guān)注的問(wèn)題。下面是一些傳統(tǒng)處理生活廢棄物的 方法:填埋處理：填埋處理是最普遍處理生活廢棄物的方法， 其能夠大量也是最有效解決城市生活廢棄物的方法。分為直接和間接兩種，所謂直接填埋法是將垃圾 填入已預(yù)備好的坑中蓋上壓實(shí)，使其發(fā)生生物、物理、化學(xué)變化，分解有機(jī)物,達(dá)到減量化和無(wú)害化的目的。但是，我國(guó)許多城市的垃圾仍有大多采取露天堆 放，沒(méi)有任何防護(hù)措施。每一個(gè)垃圾堆放場(chǎng)都成了一個(gè)污染源，蚊蠅孽生，老鼠 成災(zāi)，臭氣漫天，大量垃圾污水由地表滲入地下， 對(duì)城市環(huán)境和地下水源造成嚴(yán) 重污染。深圳、上海這些地方，由于人口密度大

7、、工廠林立，每天產(chǎn)生的垃圾非 常巨大。這上海市每天有萬(wàn)噸垃圾運(yùn)往郊區(qū)海邊堆放， 一座座高達(dá)二三十米的垃 圾山拔地而起，造成周?chē)h(huán)境的嚴(yán)重污染。填埋處理方法是一種最通用的垃圾處 理方法，它的最大特點(diǎn)是處理費(fèi)用低，方法簡(jiǎn)單，但容易造成地下水資源的二次 污染，給周?chē)畹娜罕妿?lái)極大的生存挑戰(zhàn)。隨著城市垃圾量的增加，靠近城 市的適用的填埋場(chǎng)地愈來(lái)愈少，開(kāi)辟遠(yuǎn)距離填埋場(chǎng)地又大大提高了垃圾排放費(fèi) 用，這樣高昂的費(fèi)用甚至無(wú)法承受。間接填埋處理就是在填埋處理之前經(jīng)過(guò)分類(lèi), 使可利用的資源回收利用，再經(jīng)過(guò)焚燒處理，達(dá)到減量的目的再填埋。焚燒處理：焚燒法是使垃圾中的可燃物在一定的條件下與氧氣發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)，變?yōu)?/p>

8、無(wú)機(jī)殘?jiān)倪^(guò)程。這種處理方法，不僅達(dá)到了減量化的目的，而且使垃 圾的性質(zhì)也發(fā)生了改變。焚燒處理，由于其過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵和氣體， 內(nèi)含 顆粒狀灰塵，酸性氣體，重金屬等污染物，最容易產(chǎn)生空氣和環(huán)境污染，也給周 圍居民的健康帶來(lái)威脅。堆肥處理：堆肥法就是利用自然界中廣泛存在的微生物， 將廢棄物中可被分 解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的生物化學(xué)過(guò)程。堆肥處理實(shí)現(xiàn)了部分資源的循環(huán)利 用，但其處理周期時(shí)間長(zhǎng)，廢棄物中所害的不可降解的成分會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。無(wú)論是填埋處理、焚燒處理還是堆肥處理，在應(yīng)用這些方法之前，對(duì)廢棄物 首先要做的是分類(lèi)處理，盡可能大的將廢棄物中的資源最大化的利用。 傳統(tǒng)的處 理方法雖然成熟，

9、但在不同程度上對(duì)環(huán)境都存在著污染，對(duì)資源存在浪費(fèi)現(xiàn)象， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的要求，研發(fā)新的處理方式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)處理方法的不足，是人 們所期待的。4等離子體技術(shù)在廢棄物處理中的應(yīng)用等離子體技術(shù)作為一種環(huán)保處理新技術(shù)，由于其效率高、能耗低、適用范圍 廣、處理量大、操作簡(jiǎn)單，近年來(lái)已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多, 如利用等離子體技術(shù)處理固體廢棄物、廢水、廢氣，對(duì)材料進(jìn)行表面處理等。等離子體技術(shù)的應(yīng)用因其特點(diǎn)而異，高溫等離子體技術(shù)利用等離子體的物理特性。 低溫等離子體處理廢棄物的過(guò)程主要利用以下兩種效應(yīng)：一是粒子間碰撞及粒子與物相表面碰撞所產(chǎn)生的熱使廢棄物分子的化學(xué)鍵斷裂；二是離解過(guò)程中自由基與

10、廢棄物分子碰撞使廢棄物分子的化學(xué)鍵斷裂3。4.1等離子體技術(shù)在固體廢棄物處理中的應(yīng)用4.1.1熱等離子體熱解在對(duì)固體廢棄物處理中，熱解等離子體技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外主要采用的等離子 體技術(shù)。其在固體廢棄物處理中，主要有以下三個(gè)方面的處理方法：(1)等離子體氧化、燃燒或等離子體玻璃化;(2)等離子體熱解，使可燃固體廢棄物在還原氣氛下氣化， 重組為其他氣體;脈沖電弧產(chǎn)生沖擊波，用于將固體廢棄物分解并分離為金屬、塑料、 有機(jī)物等。對(duì)于垃圾焚燒廠廢渣、城市污泥、建筑垃圾、醫(yī)療垃圾，主要利用等離子高 溫高焓進(jìn)行等離子氧化、燃燒或等離子體玻璃化以達(dá)到降解并減容的目的。等離 子熱解技術(shù)作用于以上廢棄物時(shí)，以產(chǎn)生合

11、成氣體為主 0對(duì)于一般的固體廢棄物最徹底的處理方法之一是利用等離子體熱解技術(shù)，利 用這種方法，有回收可燃?xì)怏w及其他可用化學(xué)品的潛能。采用不同的熱解原料、條件、實(shí)驗(yàn)裝置，等離子體熱解過(guò)程獲得的氣體成分也會(huì)不同。對(duì)于有機(jī)固體廢棄物，采用等離子體熱解技術(shù)，污染物的排放基本為零，可有效減輕對(duì)大氣環(huán)境 的二次污染；固體廢棄物中的有害成分如硫、重金屬等大部分被固定在炭黑中, 故重金屬，二噁英等污染物在氣體中的含量較少。氣體產(chǎn)物中如二氧化硫、氮氧化物等污染性氣體含量比較低，可作為低硫燃料氣體利用5。4.1.2等離子體技術(shù)處理固體廢棄物系統(tǒng)的組成進(jìn)料系統(tǒng)、等離子體處理室、融化產(chǎn)物處理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及冷卻密封系

12、統(tǒng) 是等離子體處理系統(tǒng)的主要組成部分。在等離子體處理室，主要完成的是有機(jī)物 的分解氣化，無(wú)機(jī)物的熔化、玻璃化及金屬產(chǎn)物，氣化產(chǎn)物主要的組成是一氧化 碳、氫氣、甲烷，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器除去煙塵和酸氣后被作為燃料利用，熔化產(chǎn)物經(jīng)處 理器冷卻，金屬可被回收利用，玻璃體可用來(lái)做建筑材料、生產(chǎn)玻璃制品。4.1.3研究現(xiàn)狀唐蘭等利用不同的實(shí)驗(yàn)條件（在熱解過(guò)程中加水蒸氣、在反應(yīng)過(guò)程中加入水冷設(shè)施）對(duì)利用熱等離子體熱解固體廢棄物的氣體產(chǎn)物做了研究。加入水蒸氣的 熱解過(guò)程與原過(guò)程相比，合成氣的應(yīng)用范圍的到了擴(kuò)大。加入水冷設(shè)施的反應(yīng)過(guò) 程與原過(guò)程相比得到了乙炔，一種重要的工業(yè)原料。目前，電石法是主要的乙炔 制取方法，但此

13、方法不僅對(duì)環(huán)境有污染，而且浪費(fèi)資源。林小英等對(duì)利用低溫等 離子體技術(shù)低溫處理固體廢棄物做了初步實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明低溫等離子體的利用, 對(duì)在焚燒過(guò)程中二噁英、氯化氫等污染物的出現(xiàn)有明顯的分解效果。 中國(guó)科學(xué)院 等離子體研究所在等離子高溫?zé)o氧狀態(tài)下通過(guò) 150KW的高效電弧，固體廢棄物 在等離子體熔爐內(nèi)被分解為氣體，玻璃體和金屬三種物質(zhì)，然后通過(guò)不同的排放 通道分離，實(shí)現(xiàn)了正真意義上的污染物 零排放”。4.2等離子體技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用工業(yè)的迅速發(fā)展，給人們的生活帶來(lái)方便的同時(shí)，也帶來(lái)了各種生活困擾, 如水污染。工業(yè)廢水中還有不同種類(lèi)的有機(jī)物如酚類(lèi)物質(zhì)、有機(jī)染料、硝基苯、 苯乙酮和氯酚等，還有這些有

14、機(jī)物的廢水若直接排放， 將會(huì)給其他水資源帶來(lái)嚴(yán) 重污染，破壞生態(tài)系統(tǒng)，故必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的處理才能排放， 可利用微波等離子技 術(shù)或液相高壓脈沖等離子體技術(shù)對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行降解處理。微波放電功率可在局 部集中，獲得高密度等離子體，其作用機(jī)理是利用放電過(guò)程中產(chǎn)生的大量活性基 團(tuán)，這些活性基團(tuán)如03、0H，具有強(qiáng)氧化性，對(duì)于有機(jī)物，有極好的降解效果。 廢水中的苯酚物質(zhì)，可利用液相高壓脈沖等離子體技術(shù)經(jīng)行降解； 廢水中的硝基 苯，可采用電流體直流放電進(jìn)行降解。4.3等離子體技術(shù)在廢氣處理中的應(yīng)用在我國(guó)的大部分地區(qū)，冬季一般需要采取供暖措施，煤炭是供暖的主要能源 物質(zhì)，煤炭的燃燒，對(duì)空氣的污染比較嚴(yán)重，這些污

15、染物主要有：粉塵、氮氧化 物、C02、硫的氧化物等，這些污染物混在一起，給處理這些污染物帶來(lái)一定的 難度，將等離子體技術(shù)與電除塵技術(shù)結(jié)合在一起，能夠很好地脫除這些污染物。目前，利用等離子體脫硫脫硝技術(shù)，已達(dá)到工業(yè)性測(cè)試階段的方法是電子束法和 脈沖電暈法。電子束法去除氮氧化物、硫的氧化物效率很高，但其能耗大、費(fèi)用 高，所以使用受到限制。在廢氣處理中，主要應(yīng)用的有脈沖放電等離子體氧化加 氨法、脈沖電暈等離子體催化協(xié)同氧化法、超高壓窄脈沖電暈放電分解法。對(duì)于 廢氣中的粉塵，電除塵器的去除率可達(dá) 99.9%，但對(duì)于PM10PM2 5亞微米或特 細(xì)顆粒物去除率還不到50%。脈沖等離子體電除塵器對(duì)微細(xì)粉塵

16、具有比較理想的 去除效果，且在去除微細(xì)粉塵的過(guò)程中，能量的利用效率比電暈放電的效率高。對(duì)于廢氣中的氮氧化物、硫的氧化物，通過(guò)研究人員的探索發(fā)現(xiàn)，只利用低溫等 離子體技術(shù)，效果不是很理想，而在等離子體技術(shù)中，再使用催化劑，效果可以 得到改變。使用最多的是脈沖放電等離子體加氨法， 利用超高壓脈沖電暈，產(chǎn)生高能電子，電子與周?chē)臍怏w的碰撞產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的自由原子和自由基等活性物質(zhì)，利用這些物質(zhì)將氮的氧化物和硫的氧化物氧化成對(duì)應(yīng)的高價(jià)氧化物，再注入氨水，產(chǎn)生銨鹽，再利用電除塵器回收集作為肥料。 超高壓窄脈沖電暈放電分 解法要求提供能產(chǎn)生上升沿很陡、 峰值高的脈沖電源，利用脈沖電壓提供的能量 加速電子，

17、產(chǎn)生高濃度的OH自由基，將氮的氧化物、硫的氧化物轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的 酸。對(duì)于廢氣中的CO2,可直接排放到空氣中，但大量的 CO2排放會(huì)產(chǎn)生溫室效 應(yīng)，可通過(guò)冷等離子體技術(shù)，將 CO2和 CH4氣體（CO2和 H2S氣體）轉(zhuǎn)化成CO和H2 （烷烴化合物）。5等離子體技術(shù)發(fā)展前景展望等離子體技術(shù)在廢棄物處理中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛， 但同時(shí)也面臨著很多的困 難，如等離子體技術(shù)在廢水處理方面的研究比較少， 還處于探索階段，目前的很 多研究只針對(duì)單一的污染物，但廢水中的污染物或有機(jī)物的種類(lèi)各種各樣， 需要 降解的物質(zhì)互相干擾，給等離子體技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用帶來(lái)壓力與困難。在城市廢棄物處理中，廢棄物的種類(lèi)更復(fù)雜，

18、量更加巨大，等離子體的氣化裂解、 玻璃化過(guò)程，沒(méi)有二次污染，給要求環(huán)保處理帶來(lái)新的方法。 等離子體技術(shù)在廢 棄物處理過(guò)程中，所要求的真空環(huán)境，帶來(lái)了一定的技術(shù)難題，如果國(guó)家有相應(yīng) 的政策支持和資金投入，等離子體技術(shù)在廢棄物處理中的應(yīng)用將得到廣泛的應(yīng)用8。6結(jié)語(yǔ)在固體廢棄物處理中，利用等離子體技術(shù)，廢棄物中的有害物質(zhì)被固定在玻 璃體中；有機(jī)物被分解為H2、CH4等，收集后作為燃料利用；金屬直接回收利用。在廢水處理中，將廢水中的各種有機(jī)物進(jìn)行了降解而沒(méi)造成二次污染。在 廢氣的處理中，將廢氣中的污染物分別轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的鹽或酸，將資源重新利用。與傳統(tǒng)方法相比，不失為一種處理廢棄物的理想方法。參考文獻(xiàn).1滿衛(wèi)東,吳宇瓊，謝鵬.等離子體技術(shù)一種處理廢棄物的理想方法J.化學(xué)與生物工14-15.程.2009,26(5).2杜平,于開(kāi)路,朱春來(lái).等離子體消除固體廢棄物技術(shù)J.換進(jìn)保護(hù)科學(xué).2011,37(4):33-363J.電力科技與環(huán)齊立強(qiáng)，史亞微.新型等離子體同時(shí)脫除多種煙氣污染物凈化系統(tǒng) 保.20