等离子体技术在固体废弃物处理中的应用①

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1、资源调查与环境第26卷第2期2005年RESOURCESSURVEY&ENVIRONMENTVol.26No.2文章编号:167124814(2005)022128204①等离子体技术在固体废弃物处理中的应用12林小英,李玉林(1福建工程学院环境与设备系,福建福州350007)(2福州大学环境与资源工程学院,福建福州350002)摘要:简要介绍了等离子体的相关概念及其处理污染物的工作原理,阐述了等离子体技术在固体废弃物治理方面的应用研究概况,并对等离子体在固体废弃物治理中的应用作了市场前景分析,说明了该技术在固体废弃物治理中具有一定的应用前景。关键词:等离

2、子体;固体废弃物;处理中图分类号:X14文献标识码:A随着环境污染的日益严重,大量传统的废弃物处理技术已不能适应污染治理的需要。研究开发费用低,处理彻底、无二次污染的新型固体废弃物处理技术成为环境保护领域一个急待解决的重要课题。在环境污染的治理研究中,已经涌现出许多高新技术如:超声波,超临界流体,等离子体,中空纤维膜分离技术,反渗透技术,光化学氧化技术等。其中,等离子体具有高效率、低能耗,安全、无二次污染的特点,为固体废弃物的无害化、减量化、资源化处理开拓了一个新途径。1等离子体的基本概念等离子体是离子化,呈电中性的气体,是物质固、液、气三种存在状态之外的

3、第四种形态,又称为第四态。它由大量的正负带电粒子和电中性的粒子组成,粒子的能量一般为几个到几十电子伏特,大于聚合材料的结合能,因此可以将固体废物中的分子彻底分解,再重新组合,这时有害物质被分解,重金属被分离开来,其余部分被熔融后固化成玻璃体。等离子体的分类方法有很多,根据温度和内部的热力学平衡性,可将等离子体分为平衡态等离子体和非平衡态等离子体。在热力学平衡等离子体内,电子温度与离子温度相同,属于一个处于热力学平衡的整体,体系温度非常高,因此又称为高温等离子体。最典型的例子是电感耦合等离子体(ICP)。此外,在较高电压下的火花放电和弧光放电也能获得此类等4

4、离子体。非平衡态等离子体内部的电子温度远远高于离子温度(电子温度可高达10K,而①收稿日期:2004210229第一作者简介:林小英(1974～),女,福建上杭人,硕士研究生、助教,主要从事污染控制与资源再生利用研究。第26卷第2期林小英等:等离子体技术在固体废弃物处理中的应用129离子温度一般只有300～500K)系统处于热力学非平衡态,其表观温度较低,所以被称为低温等离子体。此类等离子体通常可通过气体放电得到。常见的有辉光放电,射频放电和微波放电等。2等离子体处理固体废弃物2.1等离子体处理固体废弃物的原理等离子体技术应用于污染治理的研究开始于20世纪

5、50年代,由于等离子体中的电子具有较宽的能量分布,电子能量高,可与原子、分子碰撞,产生各种粒子,从而进行热化学较[1]困难甚至不可能进行的化学反应。等离子体技术的应用因其特点而异,高温等离子体是应用等离子体的物理特性,其研究的目的是利用高温下氘氚核聚变反应解决未来的能源问题。在目前的实验研究和所期望的商业运行之间仍存在各种极富挑战性物理及工程技术障碍。而低温等离子体是利用其中的高能电子(0～10eV)参与形成的物理化学反应过程,通过这些物理化学过程可以完成许多普通气体及高温等离子体难以解决的问题。从化学角度看,等离子体空间富集的离子、电子、激发态的原子、分

6、子及自由基,是极活泼的反应物种。譬如,氢等离子体中富集了高活性的原子氢。同样的,氧气、水和有机物之类,也都可以形成各自的等离子体,产生相应的高活性物种。低温等离子体中重要的单元过[2]程大致如表1:表1低温等离子体中重要的单元过程Table1Themajorprocessofplasmaatlowtemperature基元过程主要类型过程、结果电离结合电离、潘宁电离、间接电离、光电离、电子附着产生离子和电子分子离解e+Am→Am+Bn-1+B+e产生化学活性的自由基激发A+e→A3+e提高化学活性离子分子反应积聚、离子原子交换、置换产生新的反应粒子或物质3

7、A+e→A+e(碰撞辐射)辐射产生分立、连续光谱辐射+γ(复合辐射)A+e→A+h以上过程可以看出,系统首先电离产生离子和电子,通过激发或电离将能量转移到分子或原子中去,那些获得能量的分子或原子被激发,同时部分分子或原子被激发,从而成为活性基团。然后这些活性基团与分子、原子、活性基团之间相互积聚、交换、置换后成为稳定的反应离子和产物。2.2等离子体技术处理固体废弃物系统的一般组成等离子体处理系统主要有进料系统、等离子体处理室、熔化产物处理系统、电极驱动及冷却密封系统组成。固体废物通过进料系统进入等离子体处理室,有机物被分解气化,无机物则被熔化成玻璃体硅酸盐

8、及金属产物,气化产物主要是合成气(CO、H2、CH4)和少量的[1