微波技術(shù)應(yīng)用于固體廢棄物處理系統(tǒng)

引言

　　微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無(wú)線(xiàn)電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱(chēng)，即波長(zhǎng)在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱(chēng)。微波頻率比一般的無(wú)線(xiàn)電波頻率高，通常也稱(chēng)為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類(lèi)東西，則會(huì)反射微波。近幾年來(lái)，微波的高效發(fā)熱特性的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，使得它的應(yīng)用從傳統(tǒng)的通訊領(lǐng)域轉(zhuǎn)向催化化學(xué)、材料加工、污染控制等領(lǐng)域。其中，在污染控制領(lǐng)域，特別是在工業(yè)污泥、醫(yī)療垃圾、廢舊輪胎、電子垃圾以及建筑垃圾等固體廢棄物的處理方面取得了較大的進(jìn)展。

　　1　微波加熱的原理

　　1.1　微波加熱的機(jī)理

　　在微波加熱的過(guò)程中，微波能轉(zhuǎn)化為熱能的機(jī)理有2種，即偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理和離子傳導(dǎo)機(jī)理。

　　偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理是由微波輻射引起物體內(nèi)部的分子相互摩擦而產(chǎn)生熱能。自然界的介質(zhì)都是由一端帶正電荷、另一端帶負(fù)電荷的分子（或偶極子）組成。在自然狀態(tài)下，介質(zhì)內(nèi)的偶極子作雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)和排列，當(dāng)介質(zhì)處于電場(chǎng)中時(shí)，其內(nèi)部重新進(jìn)行排列，變成了有一定取向、有規(guī)則排列的極化分子。當(dāng)電場(chǎng)方向以一定頻率交替變化時(shí)，介質(zhì)中的偶極子的極化取向也以同樣頻率轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，因分子間相互摩擦、碰撞而產(chǎn)生熱能。電場(chǎng)變化頻率越快，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率也就越快，產(chǎn)生的熱效應(yīng)越強(qiáng)，而微波波段電磁場(chǎng)頻率高達(dá)108數(shù)量級(jí)，所以在微波輻射下，偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)可觀(guān)，從而使體系在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度。偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的加熱效率取決于介質(zhì)的馳豫時(shí)間、溫度和黏度。

　　離子傳導(dǎo)機(jī)理是指可離解離子在電場(chǎng)中產(chǎn)生導(dǎo)電移動(dòng)，由于介質(zhì)對(duì)離子的阻礙而產(chǎn)生熱效應(yīng)。離子傳導(dǎo)產(chǎn)生的加熱效率取決于離子的大小、濃度、電荷量和導(dǎo)電性。

　　1.2　微波加熱的特點(diǎn)

　　傳統(tǒng)加熱是利用傳導(dǎo)和對(duì)流方式進(jìn)行的，首先加熱容器，容器將熱量傳導(dǎo)到物體表面，然后熱量由表面?zhèn)鬟f到物體內(nèi)部，從而獲得熱平衡條件，因此加熱需要較長(zhǎng)時(shí)間。而加熱環(huán)境一般不可能?chē)?yán)格地絕熱封閉，長(zhǎng)時(shí)間加熱，就可能向環(huán)境散發(fā)大量熱量。而微波加熱通常在全封閉狀態(tài)下進(jìn)行，微波功率以光速滲入物體內(nèi)部，及時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，避免了長(zhǎng)時(shí)間加熱過(guò)程中的熱散失，并且可對(duì)物體內(nèi)外部進(jìn)行“整體”加熱，因此，與傳統(tǒng)的加熱方式相比，微波加熱具有效率高、速度快、能耗低等特點(diǎn)。

　　2　微波技術(shù)在固體廢棄物處理中的應(yīng)用

　　2.1　工業(yè)污泥的處理

　　工業(yè)污泥是油和含固體碎屑的水的乳化物，全球每年產(chǎn)生的含油污泥多達(dá)幾十億噸，常規(guī)的處理工藝是：加熱破乳—離心分離—填埋。由于加熱破乳時(shí)常常使用破乳添加劑，因此產(chǎn)生的殘留物很難處理，脫油后需要填埋處理的殘?jiān)看?，填埋費(fèi)用高。美國(guó)開(kāi)發(fā)了鋼廠(chǎng)含油淤泥的微波脫油技術(shù)，該技術(shù)是將含油和金屬的污泥與添加劑混合，然后在一個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)中接受微波輻照10min,最后通過(guò)離心分離，分離出固體物質(zhì)（主要是Fe、FeOx）、油和水。分離出的固體可重新用作煉鋼原料，油可作燃料出售。研究表明，該微波破乳脫油系統(tǒng)的處理速度比常規(guī)的脫油系統(tǒng)快30倍，處理系統(tǒng)的體積可節(jié)省90%,大幅度降低了需要填埋處理的固體廢渣，降低了填埋費(fèi)用，采用微波脫油處理該鋼廠(chǎng)污泥，處理費(fèi)用比常規(guī)處理方法降低10倍。

　　此外，以污水處理廠(chǎng)產(chǎn)生的污泥為原料，采用微波輻照可制備污泥活性炭。也有將污水處理廠(chǎng)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的微波輻照260s,成功制得污泥活性炭，該活性炭的碘值為517.4mg/g。用制得的污泥活性炭處理TNT廢水，處理效率略高于粉狀商品活性炭。