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微波技术在固体废弃物处理中的应用

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来源: 作者: 2018-10-26 19:10:42

微波技术在固体废弃物处理中的应用

摘要:介绍了微波加热的基本原理,综述了微波技术在工业污泥、医疗垃圾、废旧轮胎、电子垃圾以及建筑垃圾等固体废弃物处理中的应用现状,展望了微波技术在污染控制领域的应用前景。

关键词:微波;固体废物;垃圾;污泥

微波是指波长在1mm到1m的电磁波,它具有电磁波的诸如反射、透射、干涉、衍射、偏振以及能量传输等波动特性。近几年来,微波的高效发热特性的进一步开发,使得它的应用从传统的通讯领域转向催化化学、材料加工、污染控制等领域。其中,在污染控制领域,特别是在工业污泥、医疗垃圾、废旧轮胎、电子垃圾以及建筑垃圾等固体废弃物的处理方面取得了较大的进展。

1微波加热的原理

1.1微波加热的机理

在微波加热的过程中,微波能转化为热能的机理有2种,即偶极子转动机理和离子传导机理[1]。

偶极子转动机理是由微波辐射引起物体内部的分子相互摩擦而产生热能。自然界的介质都是由一端带正电荷、另一端带负电荷的分子(或偶极子)组成[2]。在自然状态下,介质内的偶极子作杂乱无章的运动和排列,当介质处于电场中时,其内部重新进行排列,变成了有一定取向、有规则排列的极化分子。当电场方向以一定频率交替变化时,介质中的偶极子的极化取向也以同样频率转变,在转变过程中,因分子间相互摩擦、碰撞而产生热能。电场变化频率越快,偶极子转动的频率也就越快,产生的热效应越强,而微波波段电磁场频率高达108数量级,所以在微波辐射下,偶极子转动产生的热量相当可观,从而使体系在很短的时间内达到很高的温度。偶极子转动产生的加热效率取决于介质的驰豫时间、温度和黏度。

离子传导机理是指可离解离子在电场中产生导电移动,由于介质对离子的阻碍而产生热效应[3,4]。离子传导产生的加热效率取决于离子的大小、浓度、电荷量和导电性。

1.2微波加热的特点

传统加热是利用传导和对流方式进行的,首先加热容器,容器将热量传导到物体表面,然后热量由表面传递到物体内部,从而获得热平衡条件,因此加热需要较长时间。而加热环境一般不可能严格地绝热封闭,长时间加热,就可能向环境散发大量热量。而微波加热通常在全封闭状态下进行,微波功率以光速渗入物体内部,及时转变为热能,避免了长时间加热过程中的热散失,并且可对物体内外部进行“整体”加热,因此,与传统的加热方式相比,微波加热具有效率高、速度快、能耗低等特点。

2微波技术在固体废弃物处理中的应用

2.1工业污泥的处理

工业污泥是油和含固体碎屑的水的乳化物,全球每年产生的含油污泥多达几十亿吨,常规的处理工艺是:加热破乳—离心分离—填埋。由于加热破乳时常常使用破乳添加剂,因此产生的残留物很难处理,脱油后需要填埋处理的残渣量大,填埋费用高。美国D.A.Purta等人[5]开发了钢厂含油淤泥的微波脱油技术,该技术是将含油和金属的污泥与添加剂混合,然后在一个流动系统中接受微波辐照10min,最后通过离心分离,分离出固体物质(主要是Fe、FeOx)、油和水。分离出的固体可重新用作炼钢原料,油可作燃料出售。研究表明,该微波破乳脱油系统的处理速度比常规的脱油系统快30倍,处理系统的体积可节省90%,大幅度降低了需要填埋处理的固体废渣,降低了填埋费用,采用微波脱油处理该钢厂污泥,处理费用比常规处理方法降低10倍。

王俊、刘康怀等[6]采用微波加热法对南宁味精厂剩余污泥进行脱水试验,结果表明,经微波加热50s后,污泥的滤速可达到35mL/h,而采用水浴加热时,温度升高到60℃时滤速才能达到35mL/h;而且采用微波加热时污泥的温度只要达到70℃就与水浴加热到80℃的过滤效果相接近。此外,以污水处理厂产生的污泥为原料,采用微波辐照可制备污泥活性炭。杨丽君、蒋文举等人[7]将污水处理厂初沉池和二沉池的混合污泥烘干,用磷酸溶液活化后,再采用400W的微波辐照260s,成功制得污泥活性炭,该活性炭的碘值为517.4mg/g。用制得的污泥活性炭处理TNT废水,处理效率略高于粉状商品活性炭。

2.2医疗垃圾的灭菌消毒

微波灭菌的机理是微波能在微生物体内转化为热能,使生物体本身温度升高,从而使体内蛋白质发生变性凝固致死。其特点是作用温度低,时间短,无二次污染。一般情况下,霉菌、酵母等常见微生物采用微波辐射1min,加热到70~80℃就能被杀死,达到杀菌目的;在65~66℃左右,采用微波辐照2min便可杀死青霉素的孢子。微波灭菌消毒是一个以蒸汽为基础,通过微波产生湿热和蒸汽进行消毒的过程。在利用微波对固体废物灭菌消毒时,首先将废物粉碎,然后送入微波加热炉并通入蒸汽旋转加热,在灭菌消毒的同时废物体积也会被压缩。有关研究表明[8],将医疗废物浸湿粉碎后,再采用微波对废物进行消毒,毒素会被迅速消灭,废物体积也可减少80%。全球许多国家每年产生大量的医疗垃圾,造成严重的环境污染,仅在意大利,每年就有25万t医疗垃圾产生。如果采用微波技术灭菌消毒后,60%以上的医疗垃圾可作填埋处理[9]。采用这种方法处理医疗垃圾与传统的焚烧法相比,不会生成毒性强的二恶英等二次污染物,而且处理时间短,效果好,能耗低[10]。

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