一種處理廢棄物的理想方法——等離子體技術

1、一種處理廢棄物的理想方法等離子體技術1 引 言 經(jīng)濟的飛速發(fā)展，使人們的生活水平有了很大的提高，同時帶來的環(huán)境問題日益成為人們關注的焦點，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，通過焚燒，使垃圾的量最少化，進而再進行掩埋處理。但這樣，不僅不能浪費了垃圾中所含有的寶貴資源，同時也會造成嚴重的的空氣問題和土壤問題。垃圾掩埋處理只是使垃圾短期內離開人們的視野，深埋地下的垃圾由于洪水等原因可能會重見天日，危害人類，深埋的垃圾不僅污染土壤，也會造成地下水污染，嚴重威脅人們的健康。癌癥村的出現(xiàn)或許是最好的例證。加強對各類固體廢棄物( 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) 的無害化、減量化和資源化處理是十二五國家環(huán)保事業(yè)和環(huán)保產業(yè)發(fā)展的主要內容之一，也是關系到堅持科學發(fā)展觀，推進循環(huán)經(jīng)濟和建設和諧社會的重要任務。 一種新興的廢棄物處理技術等離子體技術，成為近年來世界各國學者進行污染物處理新技術研究的方向之一。等離子體技術不僅可以對氣相中的化學、 生物廢物進行破壞, 而且可以對液相、 固相中的化學 - 放射性廢物進行破壞分解, 不僅對高濃度有機污染物有較好分解效果, 更可對大流量、 低濃度污染物進行分解。很多情況下, 污染物只采用一種方法來處理難以得到預定的效果, 通常需要將物理、 化學、 生物等方法聯(lián)合起來進行合理配置, 增加了系統(tǒng)的復雜

3、性, 而應用等離子體技術則可以簡化這一處理過程。作為一種可高效、 便捷對污染物進行破壞分解的替代技術, 等離子體技術正受到各國學者越來越多的關注, 成為環(huán)境污染治理領域中最有發(fā)展前途的一項高科技技術。2 等離子體概述2.1等離子體的發(fā)展及應用20世紀60年代形成的等離子體技術是一門交叉學科，涉及高能物理、放電物理、放電化學、反應工程學、高壓脈沖技術等領域。在進入80年代后，將等離子體技術應用于處理各類污染物成為國內研究的熱點之一。與其他污染治理技術相比，等離子體技術具有處理流程短、效率高、能耗低、適用范圍廣等特點。等離子體技術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1

4、。2.2等離子體相關概念含有足夠數(shù)量的自由帶電粒子,有較大的電導率,其運動主要受電磁力支配的物質狀態(tài)。等離子體由帶正電的離子和帶負電的電子，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電荷幾乎處處相等。由于帶電粒子之間的作用主要是長程的庫侖力，每個粒子都同時和周圍很多粒子發(fā)生作用，因此等離子體在運動過程中一般表現(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用于核聚變領域，其溫度高達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103K以上，而粒子和原子之類重粒子溫度

5、可低到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。 2.3等離子體的產生等離子體產生的方法很多，有天然的和人造的。天然的如雷電、日冕及極光等；在實驗室，等離子體的產生方法和途徑很多，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，成為一種潛在的資源

6、，具有非常大的開發(fā)價值。如何實現(xiàn)廢棄物的減量化、無害化、資源化，成為人們一直關注的問題。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備好的坑中蓋上壓實，使其發(fā)生生物、物理、化學變化，分解有機物，達到減量化和無害化的目的。 但是，我國許多城市的垃圾仍有大多采取露天堆放，沒有任何防護措施。每一個垃圾堆放場都成了一個污染源，蚊蠅孽生，老鼠成災，臭氣漫天，大量垃圾污水由地表滲入地下，對城市環(huán)境和地下水源造成嚴重污染。深圳、上海這些地方，由于人口密度大、工廠林立，每天產

7、生的垃圾非常巨大。這上海市每天有萬噸垃圾運往郊區(qū)海邊堆放，一座座高達二三十米的垃圾山拔地而起，造成周圍環(huán)境的嚴重污染。填埋處理方法是一種最通用的垃圾處理方法，它的最大特點是處理費用低，方法簡單，但容易造成地下水資源的二次污染，給周圍生活的群眾帶來極大的生存挑戰(zhàn)。隨著城市垃圾量的增加，靠近城市的適用的填埋場地愈來愈少，開辟遠距離填埋場地又大大提高了垃圾排放費用，這樣高昂的費用甚至無法承受。間接填埋處理就是在填埋處理之前經(jīng)過分類，使可利用的資源回收利用，再經(jīng)過焚燒處理，達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)生化學反應，變?yōu)闊o機殘渣的過程。這種處理方法，不僅

8、達到了減量化的目的，而且使垃圾的性質也發(fā)生了改變。焚燒處理，由于其過程會產生大量的煙塵和氣體，內含顆粒狀灰塵，酸性氣體，重金屬等污染物，最容易產生空氣和環(huán)境污染，也給周圍居民的健康帶來威脅。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物轉化為腐殖質的生物化學過程。堆肥處理實現(xiàn)了部分資源的循環(huán)利用，但其處理周期時間長，廢棄物中所害的不可降解的成分會對環(huán)境造成污染。無論是填埋處理、焚燒處理還是堆肥處理，在應用這些方法之前，對廢棄物首先要做的是分類處理，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，但在不同程度上對環(huán)境都存在著污染，對資源存在浪費現(xiàn)象，

9、遠遠不能滿足人們的要求，研發(fā)新的處理方式，彌補傳統(tǒng)處理方法的不足，是人們所期待的。4 等離子體技術在廢棄物處理中的應用等離子體技術作為一種環(huán)保處理新技術，由于其效率高、能耗低、適用范圍廣、處理量大、操作簡單，近年來已成為各國研究的熱點，其應用領域越來越多，如利用等離子體技術處理固體廢棄物、廢水、廢氣，對材料進行表面處理等。等離子體技術的應用因其特點而異，高溫等離子體技術利用等離子體的物理特性。低溫等離子體處理廢棄物的過程主要利用以下兩種效應：一是粒子間碰撞及粒子與物相表面碰撞所產生的熱使廢棄物分子的化學鍵斷裂；二是離解過程中自由基與廢棄物分子碰撞使廢棄物分子的化學鍵斷裂3。4.1等離子體技術在

10、固體廢棄物處理中的應用4.1.1熱等離子體熱解在對固體廢棄物處理中，熱解等離子體技術是目前國內外主要采用的等離子體技術。其在固體廢棄物處理中，主要有以下三個方面的處理方法：（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；（3） 脈沖電弧產生沖擊波，用于將固體廢棄物分解并分離為金屬、塑料、有機物等。對于垃圾焚燒廠廢渣、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行等離子氧化、燃燒或等離子體玻璃化以達到降解并減容的目的。等離子熱解技術作用于以上廢棄物時，以產生合成氣體為主4。對于一般的固體廢棄物最徹底的處理方法之一是利用

11、等離子體熱解技術，利用這種方法，有回收可燃氣體及其他可用化學品的潛能。采用不同的熱解原料、條件、實驗裝置，等離子體熱解過程獲得的氣體成分也會不同。對于有機固體廢棄物，采用等離子體熱解技術，污染物的排放基本為零，可有效減輕對大氣環(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等離子體技術處理固體廢棄物系統(tǒng)的組成進料系統(tǒng)、等離子體處理室、融化產物處理系統(tǒng)、電機驅動及冷卻密封系統(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

12、有機物的分解氣化，無機物的熔化、玻璃化及金屬產物，氣化產物主要的組成是一氧化碳、氫氣、甲烷，經(jīng)過過濾器除去煙塵和酸氣后被作為燃料利用，熔化產物經(jīng)處理器冷卻，金屬可被回收利用，玻璃體可用來做建筑材料、生產玻璃制品。4.1.3研究現(xiàn)狀唐蘭等利用不同的實驗條件（在熱解過程中加水蒸氣、在反應過程中加入水冷設施）對利用熱等離子體熱解固體廢棄物的氣體產物做了研究。加入水蒸氣的熱解過程與原過程相比，合成氣的應用范圍的到了擴大。加入水冷設施的反應過程與原過程相比得到了乙炔，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，但此方法不僅對環(huán)境有污染，而且浪費資源。林小英等對利用低溫等離子體技術低溫處理固體廢

13、棄物做了初步實驗，實驗表明低溫等離子體的利用，對在焚燒過程中二噁英、氯化氫等污染物的出現(xiàn)有明顯的分解效果。中國科學院等離子體研究所在等離子高溫無氧狀態(tài)下通過150KW的高效電弧 ，固體廢棄物在等離子體熔爐內被分解為氣體，玻璃體和金屬三種物質，然后通過不同的排放通道分離，實現(xiàn)了正真意義上的污染物“零排放” 6 7。4.2等離子體技術在廢水處理中的應用工業(yè)的迅速發(fā)展，給人們的生活帶來方便的同時，也帶來了各種生活困擾，如水污染。工業(yè)廢水中還有不同種類的有機物如酚類物質、有機染料、硝基苯、苯乙酮和氯酚等，還有這些有機物的廢水若直接排放，將會給其他水資源帶來嚴重污染，破壞生態(tài)系統(tǒng)，故必須經(jīng)過嚴格的處理才

14、能排放，可利用微波等離子技術或液相高壓脈沖等離子體技術對工業(yè)廢水進行降解處理。微波放電功率可在局部集中，獲得高密度等離子體，其作用機理是利用放電過程中產生的大量活性基團，這些活性基團如O3、OH，具有強氧化性，對于有機物，有極好的降解效果。廢水中的苯酚物質，可利用液相高壓脈沖等離子體技術經(jīng)行降解；廢水中的硝基苯，可采用電流體直流放電進行降解。4.3等離子體技術在廢氣處理中的應用在我國的大部分地區(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，煤炭的燃燒，對空氣的污染比較嚴重，這些污染物主要有：粉塵、氮氧化物、CO2、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一定的難度，將等離

15、子體技術與電除塵技術結合在一起，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，已達到工業(yè)性測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、費用高，所以使用受到限制。在廢氣處理中，主要應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。對于廢氣中的粉塵，電除塵器的去除率可達99.9%，但對于PM10PM2 5亞微米或特細顆粒物去除率還不到50%。脈沖等離子體電除塵器對微細粉塵具有比較理想的去除效果，且在去除微細粉塵的過程中，能量的利用效率比電暈放電的效率高。對于廢氣中的氮氧化物、硫的氧化物，通過研

16、究人員的探索發(fā)現(xiàn)，只利用低溫等離子體技術，效果不是很理想，而在等離子體技術中，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，產生高能電子，電子與周圍的氣體的碰撞產生氧化性極強的自由原子和自由基等活性物質，利用這些物質將氮的氧化物和硫的氧化物氧化成對應的高價氧化物，再注入氨水，產生銨鹽，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，產生高濃度的OH自由基，將氮的氧化物、硫的氧化物轉換成對應的酸。對于廢氣中的CO2，可直接排放到空氣中，但大量的CO2排放會產生溫室效應，可

17、通過冷等離子體技術，將CO2和CH4氣體（CO2和H2S氣體）轉化成CO和H2（烷烴化合物）。5等離子體技術發(fā)展前景展望等離子體技術在廢棄物處理中的應用越來越廣泛，但同時也面臨著很多的困難，如等離子體技術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單一的污染物，但廢水中的污染物或有機物的種類各種各樣，需要降解的物質互相干擾，給等離子體技術在廢水處理中的應用帶來壓力與困難。在城市廢棄物處理中，廢棄物的種類更復雜，量更加巨大，等離子體的氣化裂解、玻璃化過程，沒有二次污染，給要求環(huán)保處理帶來新的方法。等離子體技術在廢棄物處理過程中，所要求的真空環(huán)境，帶來了一定的技術難題，如果國家

18、有相應的政策支持和資金投入，等離子體技術在廢棄物處理中的應用將得到廣泛的應用8。6結語在固體廢棄物處理中，利用等離子體技術，廢棄物中的有害物質被固定在玻璃體中；有機物被分解為H、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物進行了降解而沒造成二次污染。在廢氣的處理中，將廢氣中的污染物分別轉化為對應的鹽或酸，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.1 滿衛(wèi)東,吳宇瓊,謝鵬.等離子體技術一種處理廢棄物的理想方法J.化學與生物工程.2009,26(5).2 杜平,于開路,朱春來.等離子體消除固體廢棄物技術J.換進保護科學.2011, 37(4):33-363 齊立強,史亞微.新型等離子體同時脫除多種煙氣污染物凈化系統(tǒng)J.電力科技與環(huán)保.2011,6,27(3):19-