低温等离子体技术在固体废弃物处理中的应用

环境与可持续发展ENVIRONMENT AND SUSTAINABLEDEVELOPMENT2006年第5期No.52006 ·59杨丽丽等：低温等离子体技术在固体废弃物处理中的应用 低温等离子体技术在固体废弃物处理中的应用 杨丽丽 田向勤 刘 昕 朱书全 舒新前 (中国矿业大学学((北京)，北京，100083) 【摘要】低温等离子体技术是集物理学、化学、生物学和环境化学于一体的全新技术。本文叙述了低温等离子体的研究进展及其作用机理，探讨了该技术在固体废弃物处理中的应用现状。同时，对低温等离子体反应器的结构特征、技术参数、工作机理以及处理工艺进行了综述。作者在文中初步描述了研究低温等离子体技术的思路和想法，并展望了低温等离子体技术的发展前景。 关键词】固体废弃物；等离子体技术；低温处理；低温等离子体反应器；应用前景 中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1673-288X(2006) 05-0058-03 低温等离子体“三废”处理技术是集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的全新技术，有可能作为一种高效率，低能耗的手段来处理环境中的有毒物质及难降解物质。其特点是对环境污染物兼具物理作用、化学作用和生物作用，具有费用低、处理效果好、无二次污染等优点。与其他方法如高温焚化法、催化燃烧法及活性炭吸附法，比较起来更具高效性以及较低的能耗，在环保领域将具有广阔的应用前景景。 1 低温等离子体技术的应用现状 等离子体技术在有机材料上的应用始于20世纪60年代末，有如下优点： ①属干式工艺，省能源，无公害，满足节能和环保的需要；；②时间短，效率高；；③对所处理的材料无严格要求，具有普遍适应性； ④可处理形状较复杂的材料，材料表面处理的均匀性好；⑤反应环境温度低。⑥对材料表面的作用仅涉及几到几百纳米，材料表面性能改善的同时，基体性能不受影响。因此，该技术特别适应于对温度敏感的有机材料的表面改性。近10年来，在理论研究、实验方法、生产实践上都有了较大的进展。等离子体改性高分子材料技术是80年代发展起来的高新技术。它对纺织材料，包括纤维、纤维条织物、薄膜等的表面改性非常有效，可赋予这些材料以新的表面功能性。 2 低温等离子体的作用机理 低温等离子体的作用机理非弹性碰撞，将能量转换成基态分子(原子)的内能，发生激发离解和电离等一系列过程，使气体处于活化状态。一一方面打开了气体分子键，生成一些单原子分子和固体微粒，另一方面，又产生了OH、HO2等自由基和氧化性极强的 O3，在这一过程中高能电子起决定性作用，离子的热运动只有负作用。这为一些需要很大活化能的反应如大气中难降解污染物的去除提供了理想途径。 低温等离子体不同于一般的中性气体，它的基本特点是系统主要由带电粒子支配，受外部电场、磁场、电磁场的影响，存在多种基本过程和等离子体与固体表面的相互作用，具有独特的光、热、电等物理性质，可以产生物理、化学过程，由此发展形成了各种低温等离子技术。低温等离子体中不同粒子间的碰撞过程可以分为两类：(1)弹性碰撞，粒子碰撞前后的动能，动量产生变化，而没有新的粒子产生和粒子内部能量状态变化。(2)非弹性碰撞：碰撞过程中产生了新的粒子并改变了粒子内部能量状态。由于低温等离子体中包含电子、正离子、负离子、自由基、激发态原子或分子等多种化学活性粒子，所以低温等离子体可引发多种化学反应。 当气体以一定的方式在外部激励源的电场中被加速获能时，电子与原子间的非弹性碰撞将导致电离而产生离子和电子。当气体的电离率足够大时，中性粒子的物理性质开始退居次要地位，整个系统受带电粒子的支配，此时电离的气体即为等离子体。所谓低温等离子体是指电子温度高而体系温度低的等离子体，其中电子温度可达10000K以上，而离子和原子之类重粒子温度可低到300~500K，这意味着，一方面电子具有足够的能量使反应物分子激发、电离和解离，另一方面体系得以保持低温乃至接近室温。低温等离子体可分为热等离子体、冷等离子体和燃烧等离子体，是由高强度直流电弧放电与高频感应耦合放电产生的，其特点是重粒子(原子、分子、离子)：温度接近电子温度；冷等离子体是非平衡等离子体，是由辉光放电， 微波放电或电晕发电产生，其特点是中粒子温度远远低于电子温度，低温等离子体技术正是利用这一点解决环境问题中“三废”污染问题。 3 低温等离子体处理固体废弃物 近年来，低温等离子体技术在 MSW的治理和资源化利用中也得到了应用。中国科学院合肥等离子体物理研究所利用等离子体技术进行了印刷电路板等固体废弃物的处理和示范性试验。我们初步利用低温等离子体技术进行固体废弃物的低温处理，其实验流程为：MSW一初选→分选→有机物组分→低温等离子体处理”。图1给出了低温等离子体反应器的示意图，该反应器主要由等离子体电源、等离子体发生器、转换装置、真空部分、进气和控制部分等组成。实验条件为：功率：3kW；电源：~800W；射频频率：13.56MHz；工作压力：0.6~1.8mmHg；进气流量：5~30mL/min；处理温度：<200℃。 图1 等离子体反应器示意图 1-射频电源 2-匹配箱 3-反应室 4-铜线圈 5-反应床层6-测压仪 7-真空泵 8-流量计 9-气瓶 实验结果表明，利用低温等离子体反应器可以对MSW进行处理，可有效地减少焚烧过程中出现的氯和氯化氢气体、二恶英等的污染。同时，由于反应物的组成可决定反应产物的性质和组成。所以，利用本技术可以做到产物的目标控制，用以制备清洁、安全、高热值的气体或液体产物，供工业和民用。例如，在实验过程中，我们可通过对反应参数优化控制和匹配，制备CH4和H等含量较高高热值城市用气和民用气。 4 低温处理的原理和流程 在几个 Torr 以下的减压情况下，由高频率能量将氧气或其他气体生成化学活性的化学离子，这些化学离子即由原子氧可以引起有机物的燃烧和进行表面处理。这氧原子是不稳定的，要维持这种状态必须连续供给能量。不稳定的原子状态氧化学性质非常活泼，等离子灰化装置就是基于这个原理，在减压状况对氧气 连续供给13.56MHz 的高频能，使氧气成为含有大体上相同数量的阳离子和电子的等离子状态，这个富有反应性的原子氧用来处理物品，比以前的来福炉等能在较低的温度下(最高也在200℃以下)进行灰化。 固体废弃物的低温氧等离子体灰化(简称低温灰化LTA)，就是在高频电场的作用下，低压下的氧由于气体放电而产生具有强氧化能力的氧等离子体，它可在较低的温度下氧化分解固体废弃物中的杂质。 在低温氧等离子体中，包括有分子态氧、激发态氧、原子态氧、少量氧的正离子氧与负离子氧。由于离解不充分，大部分氧(约60%以上)仍呈分子状态，整个等离子体的温度比较低：(一般可低于150℃)，因之称为低温等离子体。其中具有强氧化能力的组分是原子态氧，它的浓度约占20%。 在低温灰化中，为了将分子态氧电离，除需有足够的电场强度外，自由电子必需有足够的动能(即足够的速度)。这与电子在与其他粒子发生碰撞前的平均自由路程有关。系统内的压力越低，电子的平均自由路程就越长，具有的动能亦越大。因此，系统应处于接近真空的状态。一般当绝对压力大于400Pa时，氧就难电离；当绝对压力在267Pa以下时，煤的氧化可顺利进行。此外，通过反应室的氧气流量增大，煤样表面气体的流动与扩散加快，有利于提高氧化速度。 低温灰化仪通常由高频电源系统、氧化室和真空系统等部分组成，其工作流程见图2。氧气进入氧化室，在电离电极高频电场的作用下，产生氧等离子体，与煤样进行氧化反应后，即进入真空系统排出。 图2 低温处理的工作流程 常用的低温灰化仪规范及其使用条件的范围如下：(1)高频电源、真空系统。功率为50~180W，频率为10.00~13.56MHz，氧气流量为50~150mL/min，绝对压力为133~267Pa。(2)样品制备。样品量在0.3~15g之间，取决于所用灰化仪氧化室规格和样品的组分含量。样品装在耐热玻璃舟中，样品层厚为2~3mm，据测定，在感应圈下方50~100mm处氧化速度最高。 (3)灰化温度。直接测定样品的灰化温度比较困难，通常保持样品附近气体的温度在100℃左右。灰化时间在14~105h之间4 5 低温等离子体技术的发展趋势 为了使低温等离子体技术尽快实现工业化应用，今后应加强以下几方面的研究：(1)深入研究低温等离子体降解污染物的机理。低温等离子体降解污染物是一 环境公正事业的由来及发展 刘必琥 (南京市环境保护科学研究院，江苏南京，210013) 【摘要】在发达国家，解决环境污染问题已由单纯的环境保护转为社会公正问题，环境公正成为西方国家的一项基本国策，我们应借鉴发达国家的经验，走环境与社会和谐可持续发展之路。 【关键词】环境；公正；发展 中图分类号：X2 文献标识码：A 文章编号：1673-288X (2006)05-0060-03 1 历史回顾 近年来， “环境公正”(Environmental Justice)：)一词在国外环境论坛及环境政策中频繁出现，环境公正起源于20世纪80年代美国一场环境维权运动。 1978年夏天，美国北卡罗莱纳州沃德输变电公司将含有PCB物质的废变压器油沿着4号州际公路一侧偷偷倾倒，污染带长达210英里。PCB(多氯联苯) 是一种强致癌物质，事后清扫起来的 PCB尘土多达6000辆卡车。州政府决定征用沿公路14个县之一的沃纳县境内142英亩土地作为PCB填埋场地。沃纳县人口不到2万人，其中黑人占54%，大多数人生活在政府的 个十分复杂的过程，而且影响这一过程的因素很多。虽然目前已有大量有关低温等离子体降解污染物机理的研究，但还未形成能指导实践的理论体系，使其工业应用缺乏理论保障。(2)提高污染物降解效率，降低能耗。低温等离子体技术的工业化应用的关键是在保证污染物去除率的基础上，降低能耗。普遍认为，低温等离子体处理烟道气和工业废气的能耗应<3W·h/m。通过优化反应器的构形与操作参数，提高电源的能量效率及电源与反应器的匹配，选择合适的添加剂、催化剂、吸附剂或填料等办法，可有效提高污染物的降解效率和能量利用率，降低能耗。(3)处理装置的大型化与小型化。处理装置的大型化与小型化是等离子体技术今后发展的两个方向。对于大流量低浓度的锅炉烟道气、有机废气和含硫废气，低温等离子体具有较好的处理效果，对烟道气可同时实现脱硫、脱硝与除尘，并可回收有用的产品，但大多数试验还停留在小试或中试阶段，面临着试验装置如何进行工业放大问题。对于种类繁多、分布面广的各种小流量、低浓度工业废气，甚至汽车尾气，都可以采用低温等离 贫困线以下。沃纳县居民的认为将致癌物质贮存在他们的家园内会危及他们的生存环境，居民将州政府告上法庭，但美国联邦政府环保署(EPA))认为填埋工程将是安全的，法庭以证据不足拒绝受理此案。 PCB废物的填埋作业受到当地居民和人权组织的强力抵制，6周内共有523人因阻止填埋场施工而遭逮捕。此事成为当许美国的重大新闻，《华盛顿邮报》认为这是首起公众环境意识与民权相结合的运动。 最终，北卡州州长亨特先生发表公开信，表示选择该县修建填埋场系基于技术原因，并承诺今后随着技术发展，将对封存的毒物进行解毒处理。州议会也同意拔款700万美元资助解毒计划的实施。 子体进行处理，为小型化处理装置提供了广阔的应用前景。由于等离子体技术涉及物理、化学、反应工程等诸多学科，因此开展各学科的协作研究与开发，是实现处理装置的大型化与小型化工业应用的关键。 ( 参考文献 ) ( 李晓菁等.低温等离子体在化工中的应用 0].河南化工，2003， (6) . ) ( 2 金海英，刘必前.低温等离子体处理对羊毛的影响 0] . 印染， 2003，(1) . ) ( 3 杨丹凤，袭著革，李官贤.低温等离子体及其应用研究进展 中国公共卫生，2002，18(1). ) ( 4 孙亦騄编著.煤中矿物杂质对锅炉的危害 M].北京：水利电力出版社，1994，1 1 . ) ( 5 蒋旭光，徐旭，严建华等.煤燃烧过程中氯析出特性的试验研究 [].煤炭学报，2002，27(4 ) ：98~401. ) ( 作者简介：杨丽丽(1982-)，女，山东单县人，博士生，研 究方向：固体废弃物的催化热处理。 ) ◎China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net