真空微波器件技术在降解煤化工污水-真空学会难点.doc

真空微波器件技术在降解煤化工污水类POPs物质的应用研究于兴智于兴智 中国电子科技集团公司第十二研究所 北京酒仙桥路13号 xz_李季1 张学军1 高建峰2 郭振库1 刘金营11.中国电子科技集团公司第十二研究所 2.中北大学Research on Decomposing the POPs-like Pollutants in Coal Chemical Sewage Aided by Vcuum Microwave Tube Technology Yu XingZhi1,Li Ji1,Zhang XueJun1,Gao JianFeng2,Guo ZhenKu1，Liu JinYing1.No.12 Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation2.North University of China Abstract: Coal chemical industry pollution caused by the polycyclic Benzene from the coal chemical wastewater is difficult to deal with. It is a researching hotspot in recent years decomposing the polycyclic Benzene chemical sewage aided by the microwave technology. In order to improve the decomposition efficiency of the POPs-like pollutants，and increase the penetration depth of microwave in the sewage. A method is given in this paper of concentrating & decomposing the POPs-like pollutants, and the design of a microwave cavity in the process is also presented. Keywords: Microwave decompose;POPs;Polycyclic benzene; Cavity摘要：持久性有机污染物(POPs)对人类健康和环境具有严重危害,煤化工废水中多环苯类有机物引起的化学性水污染是最难处理的污染源，利用微波能技术特点辅助处理在化工污水中多环苯类有机物是近年研究热点，也是真空大功率微波器件发展新的市场出路。本文介绍了微波法辅助处理化工污水的机理及实验室结果并设计出一种对煤化工污水中永久有机物先富集后微波辅助降解类POPs物质的工艺方法和微波作用腔体的型式，此项工作对微波辅助降解化工污水中类POPs物质的工业化实施有较大启发借鉴作用。 关键词：微波辅助降解；POPs；多环苯；微波腔体1引言持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants , POPs) 是指具有持久性、高毒性、生物蓄积性、半挥发性,并通过各种环境介质能够长距离迁移并对人类健康和环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物。煤化工废水中苯类、酚类、多环芳烃、联苯、三联苯（或有氯取代的有毒联苯类物质）等污染物具有类POPs特征，已引起社会各方广泛的关注。通常煤化工污水中的POPs物理处理方法用吸附法、生化法与化学方法，吸附法可对类POPs物质起浓缩富集并部分处理的作用，生化法可解决类POPs物质的污染问题，但时间长，占地面积大。传统化学方法消解类POPs物质主要有湿式催化氧化法、超临界水氧化法等，但条件苛刻，工艺复杂，成本高，造成二次污染。本文设计的方法是将物理吸附与微波化学催化技术相结合降解苯类有机物，实验室的结果证明该方法大大减少了化学药剂的使用，加快了降解速度，提高了效率。但如何将实验室的结果转化为工业化应用，解决煤化工污水苯类POPs-like有机物污染是推广微波技术应用的意义所在2。2微波辅助降解类POPs物质技术机理真空微波器件是大功率微波系统中应用最为广泛的一种微波产生器件，它具有电压低、效率高、体积小、成本低廉等优点，是工农业微波应用的微波源，是整个微波装置的心脏。微波能技术特点是体加热、有选择性加热，具有穿透性能力，尤其在活性炭配合的环境下，易产生微波热点。微波能从两个方面参与类POPs物质降解作用，首先是化学作用，微波能够极化水分子和有机化合物分子，使有机化合物与敏化剂之间形成过渡态产物，降低氧化和分解有害有机化合物所需要的活化能，使反应加速进行。另一方面就是微波能的物理作用，从化学反应动力学角度来讲，温度越高物质活性越高，反应越向正向进行。通过微波体加热，形成微波热点，极化水及有机污染物分子，提高氧化和分解有害有机化合物所需要的反应条件，达到反应所需要的活化能，能够使添加剂与类POPs物质之间的反应更完全、更快速。3 微波技术在辅助降解苯胺的实验说明苯胺是芳香胺类有毒、难生物降解最有代表性的类POPs物质，严重污染环境和危害人体健康，有长期残留性、生物蓄积性、致癌性等特点。下面取苯胺降解实验为例，进行验证性说明，比较水浴条件H2O2单独作用、微波场下H2O2作用降解苯胺的效果。1. H2O2对苯胺的单独作用。取200mL的模拟苯胺废水溶液放入250mL的锥形瓶中，加入0.5mL5%的H2O2溶液，40水浴反应。表一 H2O2对苯胺的降解作用时间/min4070100130160190240270降解率/%2.23.926.129.9113.8319.9521.7821.982.微波与H2O2共同对苯胺的作用。取200mL的模拟苯胺废水溶液放入250mL的锥形瓶中，加入0.5mL，5%的H2O2溶液，微波功率为400W。表二 微波与H2O2对苯胺的降解作用时间/min510203040506070100降解率/%6.37.912.323.3726.8937.9136.0746.2646.36图1 微波与H2O2对苯胺的降解曲线比对实验结果表明，反应达到平衡时、降解率H2O2为21.98%、微波-H2O2为46.36%。说明微波场下H2O2对苯胺降解率大大提高34。从图1中可以看出，微波场的存在对化学消解过程是极大促进。当然影响微波化学消解因素还很多，如吸附材料、催化剂、化学药剂等等，但微波法处理类POPs有机物过程的确有它独到之处，目前虽然在实验室里得到了验证，但当前最关心的是如何将实验室成果尽快推向工业化应用，因此探索微波能在处理污水中POPs物质工业化应用工艺相当迫切。4 微波辅助降解煤化工污水类POPs物质工艺技术方案煤化工污水量大，技术经济性要求高，但毒性强、危害大、难降解的类POPs物质在污水体中量并不大，并且难降解的类POPs污水产生排放并不连续。针对煤化工污水的这种情况，我们采取对污水中有机物进行先富集后处理，微波源选用功率为30kW频段为915MHz或2450MHz的连续波磁控管或者高功率脉冲磁控管作为微波功率辐射源辅助降解的方案。选择合理的吸附材料和降解试剂、制作符合要求的吸附材料型式是微波辅助降解工艺技术的一个重点。下面是微波催化降解煤化工污水中有机污染物工艺技术流程图(图2)：图2 微波辅助降解煤化工污水中类POPs物质处理工艺流程第一步：常规污水处理设备技术、沉降和曝气，驱除污水中大部分的悬浮物和降低有机物含量；第二步：中滤膜处理，去除水中的细小颗粒物,减少后续吸附材料的负担；第三步：采用合适的催化剂和吸附材料，通过流动吸附有机污染物，并在微波的连续或间歇作用下，促进降解吸附于吸附材料上的类POPs物质；设置污水中类POPs物质监测装置，保证类POPs物质的处理效果。第四步：微波辅助处理前后的效果比对，决定是否重复第三步的微波作用，完成降解吸附材料上类POPs物质的任务。5 微波辅助降解类POPs物质腔体设计实验室研究结果表明微波辅助降解与微波场强、微波功率密度相关,因此腔体设计影响微波辅助降解类POPs物质的效果。腔体设计要考虑单位时间污水处理量、降解时间、如何添加降解药剂等因素能否满足实际生产要求。由于污水的吸波能力强介电常数81，损耗角正切0.15，微波的穿透能力有限。为了提高微波作用深度及能量耦合的均匀性，在腔体内配做活性炭的芯柱，活性炭芯柱的作用首先是吸附煤化工污水中的类POPs物质，将污水中的少量难处理的物质进行富集，便于利用微波辅助手段集中处理；其次活性炭的存在能够提高微波的穿透能力，易形成微波热点，提高微波辅助降解类POPs物质的效力。本文设计的微波辅助降解煤化工污水中的类POPs物质的工作腔体的型式（图3）。图3 微波辅助降解煤化工污水类POPS物质腔体型式图l腔体的型式采用/4 同轴线谐振腔（图4），腔体是由一段一端短路，一端开路的同轴线构成的,/4同轴线谐振腔与/2同轴线谐振腔的差别在于它少一个端面的导体损耗，提高能量的利用率。理论上此腔体的结构尺寸与波长的关系满足p(d + D)/2 l0min可以保证同轴线谐振腔工作于 TEM 模而不出现高次模要求（D同轴外腔直径，d同轴导体直径，l0min截止波长）。 图4 微波辅助降解类POPS物质同轴线谐振腔及活性炭芯示意图为了保证生产过程有良好的负载匹配和激励出所需要的分布模式，设计时同轴线的插入深度以及天线直径，腔体的尺寸，污水及吸附材料的型式均应经电磁仿真计算与实际采用的功率源、实际工程应用试验确定。 6 结论化工污水中POPs物质毒性强，对人类的健康危害大。目前，类POPs物质处理是世界性难题，各国都在研究化工污水处理新技术，开发新工艺。真空微波器件技术受到半导体器件技术的市场挤压，但是在微波大功率辅助降解化工污水中POPs物质应用却有不可替代的发展潜力。本文提出通过活性炭吸附后微波辅助再处理的方式是较为合理的一种工程化技术思路，微波辅助降解煤化工污水中的类POPs物质的工艺技术与技术经济性值得大家合力去研究,工程化设计试验成功后必将为社会带来巨大