微波技術在氣態污染物治理工程中的應用研究
摘 要：隨著微波技術的不斷的改革和創新，該技術在大氣污染控制領域的應用也得到不斷加強。傳統廢氣催化處理和吸附處理存在溫度影響較大和設備易腐等問題，微波技術在傳統廢氣工程中的應用，克服了傳統工藝的缺點，明顯的加快了反應速度，降低了運營能耗，污染物削減率也有提升。作者就微波技術的特征，應用以及存在問題等進行討論，為微波技術在氣態污染物減排領域的推廣提出可行性思路。
關鍵詞：廢氣治理; 微波技術;應用
隨著社會經濟的發展，氣體污染物的排放量逐年增加，在國家節能減排的決策背景下，如何減少氣態污染物質的排放量成為廣大環保工程師面臨的現實問題。廢氣中的氣態污染物主要指NOx、SO2等，它們對人類和整個生態環境危害極大，SO2是形成酸雨的主要來源，NOx會破壞臭氧層且能形成光化學煙霧。目前去除SO2污染的方法大都采用氧化法，將SO2氧化后中和去除。該處理工藝存在氧化產物對設備腐蝕性較強、工藝復雜、處理成本高等缺點。而在處理NOx時常規工藝只有當溫度上升至1000℃左右時，NOx才可被還原為N2，限制了該工藝在低溫廢氣治理中的應用。
微波技術的產生是在二十世紀三十年代，開始主要是被應用在通訊領域當中，隨著技術的不斷創新和完善，微波技術得到廣泛普及和應用，現已成功應用于環境工程與環境監測等方面，微波技術的優點是降低能源消耗、減少污染、改良產物特性和加快反應速度等[1]。課題組重點就微波技術在氣態污染物治理方法予以歸納分析。
1微波技術概述
微波是波長在1mm-100cm，頻率在300MHz-300GHz范圍內的電磁波，位于電磁波普的紅外輻射(光波)和無線電波之間。微波的量子能量約為10-6-10-3eV，介質在微波場中發生離子傳導和偶極子轉動，這使得極性分子產生高速旋轉并發生碰撞，提高分子活性，降低反應活化能和分子的化學鍵強度，提高化學反應速率;同時，劇烈的極性分子震蕩，可使化學鍵斷裂，從而導致污染物的降解。此外，微波還能誘導催化反應的發生。微波誘導催化反應是指當反應物不直接明顯地吸收微波時，可以利用某些強烈吸收微波的“敏化劑”( 如磁性物質、活性炭、過渡金屬及其化臺物等)把微波傳給這些物質而誘導化學反應[2]。
2微波技術在廢氣催化治理工藝中的應用
在工業廢氣治理工程中，微波技術的應用促進了污染物削減率提高并表現出更高的反應速度，對于氮氧化物和二氧化硫均具有良好的去除效果。Tang等[3]利用微波輻射法直接處理NO，以Fe/Na ZSM-5作為催化劑，分別研究了反應溫度、O2濃度、NO濃度、氣體流速和濕度等因素對處理效果的影響。結果表明，在微波場中，該催化劑對O2濃度具有較好的承載能力，70%以上的NO都能被還原為N2。Kataoka[4]研究了微波輔助光催化氧化法(MWPCO)與單純光催化氧化法(PCO)處理乙烯的差別，2種方法的催化劑都是利用溶膠凝膠法制備的TiO2/ZrO2，在濕度為15%時，MWPCO法的氧化速率較PCO方法提高了26.9%。進一步實驗表明，微波輻射有利于去除催化劑表面的水分，提高處理效果。
此外，天然氣由于硫化物的存在而導致其水露點升高，影響儲存和運輸并降低天然氣的熱值，而且在使用過程中各種硫化物轉化為H2S和SO2而引起環境污染，同時酸性氣體H2S的存在會引起管線和設備的腐蝕，因此必須對天然氣進行脫硫處理，研究發現微波技術對于硫化物同樣具有良好的分解轉換效果。馬文等[5]通過微波輻射加熱硫化鐵催化分解H2S為單質H2和S，H2S分解轉化率與其濃度、催化劑用量及微波輻射時間有關系，在最佳條件下分解轉化率可達91.2%。微波輻射在處理廢氣的同時，還能有效地收集廢氣中的有用物質，實現廢物資源化。在以MoS2/A12O為催化劑用微波輻射法處理SO2氣體，產物為CO2和S，實現了對硫的回收利用，通過氧化鋁晶型的轉化驗證了催化劑中“熱點”的存在，證明了在微波場中，催化劑表面的某些點位產生了所謂的“熱點”，這些“熱點”附近的溫度比較高，能夠氧化SO2氣體。
3微波技術在進行活性炭處理廢氣中的應用
3.1 微波一炭還原處理廢氣
活性炭能夠很好地吸收微波輻射能。美國Cha公司對燃煤煙氣中的SO2、NOx的微波消解進行了研究[6]，利用易吸收微波射頻能的活性炭為還原劑制成炭床，常溫下將SO2，NOx通過炭床吸附到飽和后，再進行微波加熱，檢測發現吸附的SO2、NOx分別被炭還原為單質硫和氮氣，而炭轉化為CO2，NOx去除率達到98%，回收的單質硫可作為化工原料重新利用。
與傳統的濕式石灰法相比，微波脫硫脫硝具有工藝簡單、處理效率高、無二次污染等優點;與電子束法相比，具有投資小，裝置簡單、能耗低等優點。目前煙氣的脫硫脫硝技術的競爭已由去的追求控制效率和可靠性轉向經濟效益的競爭。另外實驗發現，隨著炭床脫硫脫硝微波循還輻射次數的增加，炭的表面積逐漸增大，炭床對硫、硝化合物的吸附能力和吸附速率有明顯提高。研究者認為，在吸附NOx的區域比其他區域吸附更多的微波能量。這些區域隨后被快速加熱形成“熱點”，使NOx被碳迅速還原。而且，當進氣中有濕分和氧氣時，吸附的NOx以NO2和HNO3的形式存在。如果HNO3的比例越高，出氣的溫度也就越高，即NOx的還原效率也就越高，由這點推知，吸附HNO3的區域比吸附NO2的區域能吸收更多的微波能量。進一步的研究還表明，90%以上的NOx在這個再生的過程被碳還原，此法的優點是快速有效的加熱，出氣的溫度接近常溫。張達欣等[7]在實驗室模擬條件下進行實驗，研究了一種采用微波一碳還原技術處理二氧化硫的新方法。研究結果表明，微波功率和反應器的類型及升溫速率對二氧化硫的去除率影響較大。
3.2微波改性活性炭處理廢氣
微波改性活性炭可以在很短的時間內改善活性炭表面的物理結構和化學性質，以提高其對氣體的吸附能力。Menendez J.A.等[8]研究了用微波處理對活性炭表面化學的改性，結果表明在氮氣保護下，炭表面的大多數含氧基團被去除，同時炭的pH顯著增加。微波處理較傳統加熱處理耗時少，僅僅幾分鐘就可使酸性炭變為相對氧含量低的堿性炭，同時微波處理后的炭更不易在空氣中再氧化。微波和電加熱處理活性炭的比較，證明電和微波在惰性環境下加熱炭樣品，在結構和化學性質方面能產生相似的變化。使用微波主要的優點是處理能在相當短的時間內完成，這意味著更低的惰性氣
體和能量消耗。
熱電偶與微感應高溫計的結合使微波處理期間炭溫度的判斷成為可能，溫度隨時間的變化顯示出一個很高的初始加熱速率，也表明在微波處理的炭床溫度穩定保持最高值，在惰性環境下進行微波處理似乎是一種去除炭表面氧官能團，獲得具有堿性特性材料的有效途徑。根據炭樣品的特點，微波誘導處理能在幾分鐘內去除大部分表面含氧官能團。Buenger等[9]研究用微波加熱炭質材料(煤)還原 NOx時發現，在利用微波照射后，不僅NOx與C反應生成N2和C02，而且隨著循環使用次數的增加，炭的表面積逐漸增大，由最初炭的表面積為210m2/g，循環使用15～25次后，表面積已達到700～800m2/g，實際上是因為這些煤經過微波的反復輻射后已變成了活性炭。
4 微波技術處理廢氣存在的問題
微波技術在控制H2S、SO2、NOx等方面的成功使微波技術受到廣泛的重視，但是仍有些問題待研究：(1)微波輻射對人體的中樞神經系統、循環系統、免疫系統等有影響，即使是低強度的也對人體造成不良影響。所以如何設計好封閉的微波發生腔是一個挑戰性課題。(2)微波加熱的機理研究不夠，需要建立加熱的數學模型，從而得到如何能夠得到均勻的微波場。(3)活性炭經微波處理后，活性炭的碘值稍微有所提高。其表面物理特性表現為孔徑向微孔方向偏移，閉塞的孔被打開，但是與此同時，也造成活性炭孔的塌陷，從而造成這種促進效果的有限性。研究如何能使活性炭的吸附性能最大化。
結束語：
綜上所述，筆者主要針對的就是在廢氣治理中微波技術應用的形式和方法進行了分析和歸納，傳統廢氣催化處理和吸附處理存在溫度影響較大和設備易腐等問題，微波技術在傳統廢氣工程中的應用，克服了傳統工藝的缺點，明顯的加快了反應速度，降低了運營能耗，污染物削減率也有提升。但是該方法在實際應用中仍然存在一些局限性，需要進一步加強工藝改良，進而成為一種成熟的新型實用廢氣處理技術。
參考文獻：
[1]夏祖學等.微波化學的應用研究進展[J].化學研究與應用，2004(4)：24—27.
[2]金欽漢,微波化學[M],北京,科學出版社,1999,13.
[3]TANG JUNWANG，ZHANG TAO，HANG DONGBAI，et a1.Direct decomposition of NO by microwave heating overFe/NaZSM-5.Applied Catalysis B：Environmental，2002，36：1-7.
[4]SHO KATA(OKA，DEAN T T，WALTER A z，et a1.Pbotocatalytic oxidation in the presence of miemwax’e irradiation：observations with ethylene and water.Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry2002，148：323.
[5]馬文，王新強，倪新華.微波催化法分解硫化氫的研究.[J].石油與天然氣化工，2003，26(1)：37-38.
[6]Kong Y，Cha CY.Reduction of NOx adsorbed on charwith microwave energy.Carbon，1996，34(8)：1035-1040
[7]張達欣，于愛民，金欽漢.微波一炭還原法處理SO2的研究[J].微波學報.1998，14(4)：341-346.
[8] Menendez, J.A. “Modification of the Surface Chemistry of Active Carbons by Means of Microwave-induced Treatments.” Instituto del Carbon (INCAR) C.S.I.C. (1999), 37(7), 1115-1121
[9]Buenger, C. and E. Peterson, “A novel technology for the reduction of NOX on char by microwaves”, Material Research Society Spring Meeting, San Francisco, 1994.
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