高功率脉冲技术在环保领域的应用

高功率脉冲技术在环保领域的应用张永民张硕一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性二、催化剂失活与再生高功率脉冲技术是当代高新技术的支撑学科之一；它以慢的方式储存能量，然后，借助各种开关的快速切换实现脉冲压缩、功率放大、用很短的时间、很高的强度以单个脉冲或受控的重复脉冲形式，将高功率电磁能量瞬间释放给负载。各种高功率负载以不同的物理原理将高功率电磁能量转换为所需要的能量形式，在可控的区域形成极端的物理环境（高能量密度、高功率），实现一般功率下所不能实现的功能。高功率脉冲技术介绍等离子体辐射X射线激光离子束电子束EMP、超宽带微波辐射微波负载脉冲传输与阻抗匹配脉冲储能(脉冲成形、压缩、传输)初级储能初级能源脉冲功率系统sns负载电热炮

高能激光武器电磁炮

激光聚变电源ms-ms水中冲击波

随着化学工业的发展，在工业生产和人类生活中引入许多有机毒物，对人类的生产生活带来了严重的危害。例如：在印染、医药、化工、造纸、酿造等行业产生的大量高浓度有机废水经达标排放后，仍含有多种难以降解的有机毒物，并在水环境中残留，具有一定的生物积累性和“致癌、致畸、致突变”的毒性，已给水环境带来严重威胁。毒物是指在一定条件下，经生物体吸收后，引起生物机体功能性或器质性损害的化学物质。目前，已有超声波处理、光催化氧化、电催化氧化、膜生物反应器和化学催化氧化等治理新技术的研发，指导重点污染行业实施清洁生产。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性

以强电磁脉冲或电离辐射降解有毒难降解有机污染物是一个新的技术方向，尚未得到有效的发展。因大功率纳秒脉冲产生装置或设备的工业化水平较低，脉冲电磁、电离辐射降解有机污染物的应用不够广泛。

有毒难降解有机污染物（如化石燃料中的有机硫和有机氮、二恶英、农药、染料等）引起的环境污染已成为21世纪影响人类生存与健康的重大题目。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性

二恶英(dioxin)是指含有二个或一个氧键连结两个苯环的一类含氯有机化合物的总称，也即是氯代二苯并二恶英(polychlorinateddibenzo-p-dioxins)，简称PCDDs和氯代二苯并呋喃(polychlo-rinated

dibenzofurans），简称PCDFs的统称，其严格的学术名称应该是聚氯化二苯二恶英。氯原子取代数目不同而使PCDD和PCDF各有八个同系物(它们的化学结构相似，性质也具有一定的相似性)，每个同系物随氯原子取代的位置不同又存在众多异构体，总共210种，其中75种氯代二苯并二恶英和135种氯代二苯并呋喃。实际上，环境中的二恶英以混合物形式存在。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性PCDFs由2个氧原子联结2个被氯原子取代的苯环。每个苯环上的氢原子都可以被1～4个氯原子取代，由于取代的位置和数量的不同可形成210种异构体(PCDDs有75种、PCDFs有135种)

。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性

二恶英有两种形态：挥发性的气体二恶英和颗粒状的固态二恶英。它们在环境中都能长时间存在，且随着氯化程度的增强，PCDD／Fs的溶解度和挥发性减小。二恶英仅在有机溶剂中溶解，水几乎不能溶解。容易生成的温度是180—400℃，分解温度在700℃以上。在人与动物体内及受3lOnm左右紫外线照射时缓慢分解，在脂肪中高度分解。对酸、碱稳定，土壤吸着性高，挥发性低。自然环境中的微生物降解、水解及光分解作用对二恶英分子结构的影响均很小。例如，TCDD(四氯二苯异二恶英，共有22个异构体)具有很低的蒸发压，25℃时仅为2.3×10-4Pa，熔点3O5℃，在水中的溶解度仅为0.2g／L，且热稳定性好，即使温度高达700℃也不会分解。

一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性

大量研究表明，很低浓度的PCDD／Fs对动物可表现出致死效应。人体暴露在很低浓度的PCDD／Fs环境中。可引起皮肤痤疮、头痛、失聪、忧郁、失眠、内分泌紊乱、生殖及免疫机能失调等。并可导致染色体损伤、心力衰竭等。其最大危险是具有不可逆的致畸、致癌、致突变“三致”毒性。PCDD／Fs是迄今为止发现过的最具致癌潜力的物质(致癌毒性是曲霉素的10倍、3，4一苯并芘的数倍)。国际癌症研究中心已将其列人人类一级致癌物。科学家们甚至担心人类的进化是否会被这类物质而终止。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性

在PCDD／Fs众多异构体中。其毒性可相差1,000倍。有17种2，3，7，8位置被氯取代的化合物毒性最明显；其中又以2，3，7，8一四氯二苯对二氧芑(简称TCDD)毒性为最大。大致相当于沙林的10倍、氰化钾的1000倍、砒霜的900倍；其皮肤接触毒性是DDT农药的20,000倍。摄入毒性是DDT农药的4000倍。PCDD／Fs是目前世界上毒性最强的剧毒化合物。1盎司(28.35g)就足以置100万人于死地。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性化学键(Chemicalbond)键长(Bondlength)/(10-12m)键能(Bondenergy)/(kJ/mol)化学键(Chemicalbond)键长(Bondlength)/(10-12m)键能(Bondenergy)/(kJ/mol)B—F-644N—H101389B—O-515N—N145159Br—Br229193N═N125456C—B156393N≡N110946C—Br194276N—O146230C—C154332N═O114607C═C134611Na—Br250367C≡C120837Na—Cl236412C—Cl177328Na—F193519C—F138485Na—H189186C—H109414Na—I271304C—I214240O—H98464几种化学键的键长键能一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性化学键(Chemicalbond)键长(Bondlength)/(10-12m)键能(Bondenergy)/(kJ/mol)化学键(Chemicalbond)键长(Bondlength)/(10-12m)键能(Bondenergy)/(kJ/mol)C—N148305O—O148146C═N135615O═O120498C≡N116891P—Br220272C—O143326P—Cl203331C═O120728P—H142322C═O(CO2)-803P—O163410C—P187305P═O138585C—S182272P—P-213C═S156536Pb—O192382C═S(CS2)-577Pb—S239346C—Si186347Rb—Br294381Cl—Cl199243Rb—Cl279428几种化学键的键长键能一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性化学键(Chemicalbond)键长(Bondlength)/(10-12m)键能(Bondenergy)/(kJ/mol)化学键(Chemicalbond)键长(Bondlength)/(10-12m)键能(Bondenergy)/(kJ/mol)Cs—I337337Rb—F227494F—F140153Rb—I318319H—H75436S—H135339H—Br142366S—O-364H—Cl127431S═O143-H—F92565S—S207268H—I161298S═S189-I—I266151Se—H147314K—Br282380Se—Se232-K—Cl267433Se═Se215-K—F217498Si—Cl-360K—I305325Si—F-552Li—Cl202469Si—H-377Li—H239238Si—O-460Li—I238345Si—Si-176几种化学键的键长键能一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性C-Cl键的键长(Bondlength)177/(10-12m)；C-Cl键的键能(Bondenergy)328/(kJ/mol)；C-O键的键长143/(10-12m)，键能为326/(kJ/mol)

C═O键的键长12010-12m，键能为728/(kJ/mol)

C-C键的键长154/(10-12m)，键能为332/(kJ/mol)

C═C键的键长134/10-12m，键能为611/(kJ/mol)

C≡C键的键长120/10-12m，键能为837/(kJ/mol)N-N键的键长145，125，110

/(10-12m)；N-N键的键能159，456，946/(kJ/mol)

；与二噁英分子相关的几种化学键的键长键能一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性降解二恶英的毒性主要措施是断裂C-Cl键，也可断裂C-O键，或断裂C-C键致苯环开裂；1eV=1.60217653×10-19J，1J=6.25×1018eV；1mol质量中有6.02×1023个分子；单个二恶英分子的一个C-Cl键的键能为：54.67×10-20J，3.41eV；单个二恶英分子的一个C-O键的键能为：54.67×10-20J，3.38eV；单个二恶英分子的一个C-C键的键能为：54.67×10-20J，3.45eV；N—N的键能为26.5×10-20J，1.65eVN≡N的键能为156.7×10-20J，9.85eV一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性

标准大气压条件下，均匀电场中空气击穿电压为30kV/cm。即，在此电场强度下，可致N2分子电离，即使考虑N2分子的键为N≡N三键，其键能为9.85eV。要断裂将能为3.41eV的C-CL键，可用12kV/cm以上的电场强度即可。

与加载到空气中的电场相比，降解二噁英的关键是如何为固体毒物加载脉冲高电压。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性电磁脉冲：脉冲高电压和脉冲强磁场，可采用脉冲高电压为待降解的污染物施加强电场，以场致电离的方式致分子键断裂，达到降解的目的。电离辐射：电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称，其种类很多，高速带电粒子有α粒子、β粒子、质子，不带电粒子有中子以及X射线、γ射线。实际应用中，以电子、X射线最有可能。200nm的紫外光子能量约为6eV，从有机物的分子键能数据可知，紫外光子即可致污染物的分子键断裂。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性高功率脉冲技术有两种方式可应用于降解有机毒物以直流高压加载到需要降解的固体毒物上，在降解的同时也会形成高压击穿，只能以脉冲形式加载。控制脉冲的宽度，在要形成击穿的瞬间，停止加载，是高场强仅应用于化学键的断裂，而不产生高压击穿。另外，辐射波电磁脉冲的效率较低，在一个有界波强势中，根据待降解材料的介电常数，设计与脉冲功率源匹配的负载，将源的电磁能量有效的应用到降解。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性一般产生等离子体辐射均采用高压放电获得，采用直流放电时，能量将通过放电等离子体通道以焦耳加热的模式耗散了。为此，自然科学基金前期研究了介质阻挡放电，期望放电等离子体通道不贯通以降低能量的耗散。

另一种方式是采用纳秒脉冲高压来获得放电等离子体，当高电压加载到负载后，形成放电等离子体，而在没有形成贯通的放电时，高压已经截止，在通过重复的放电有效利用放电能量。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性同轴线结构电场公式：

同轴结构的内外导体之间是极不均匀电场，可以在内导体周围局部产生很强的电场强度。以N2的击穿场强为列，在外导体直径20cm和外加50kV脉冲电压下，内导体直径必须大于0.6cm，才能使其周围的电场强度下降到N2的击穿场强30kV/cm以下。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性

当内导体半径很小时，导体周围的电场强度将导致内导体表面发生强烈的场致电子发射，所发射的电子致周围气体发生电离，形成等离子体电晕。电晕层扩大了内导体半径，直到电晕层外围的电场强度降低到气体击穿场强以下。

可以采用金属丝产生的强场电离待处理的污染气体，电离层外仍然不断发射电子电离外围的污染气体，达到降解的目的。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性

对于不适应电离的有毒物质，可采用石英管隔离。在石英管内装特定的气体，该气体在电晕层电离后发出特定谱的紫外光，紫外光透出石英管降解待处理的有毒有害物质。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性目前已有大功率的重复频率纳秒脉冲发生器，可以应用于有机有毒物质的降解处理。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性

在已有的脉冲功率驱动源驱动源上以各种物理原理设计各种脉冲功率负载，将脉冲电磁能量转换为需要的能量形式可以处理的有毒有害物质。一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性二、催化剂失活与再生催化剂种类：硅酸钠;加氢精制催化剂481-2B;加氢精制催化剂481-3;加氢精制催化剂;加氢转化催化剂;加氢转化催化剂T201;加氢转化催化剂T202;脱硫脱砷催化剂;脱砷催化剂;氧化锌脱硫剂T302;氧化锌脱硫剂T304;氧化锌脱硫剂;苯胺加氢催化剂;尾气净化催化剂;氧化铝载体TAC-01;渣油加氢保护剂;脱氧剂BH型;T305型氧化锌脱硫剂

Z112Y系列天然气一段转化催化剂

Z204型天然气二段转化催化剂CZ-4型天然气二段转化催化剂

CB-3型CO高温变换催化剂

CB-5型CO低温变换催化剂二、催化剂失活与再生

/docc/product/prodail.asp?auto_id=101&kind2=20型CO低温变换催化剂

J106-2Q型甲烷化催化剂

A110-1、A110-2型氨合成催化剂

二、催化剂失活与再生催化剂失活的定义在催化剂使用过程中反应活性（转化率）随运转时间而下降的现象称为催化剂失活（deactivation)或衰变（decay)。催化剂失活的原因三个方面：化学的原因受热（高温）机械的原因二、催化剂失活与再生类型原因结果化学的结焦金属污染毒物吸附表面积减少，堵塞表面积减少和催化活性降低活性位减少高温受热烧结非活性化合物的生成相转变和相分离活性组分的包埋活性组分的挥发表面积减少活性组分丧失和表面积减少催化剂组成改变，表面积减少活性位减少活性组分减少机械的颗粒破碎结污催化剂床层沟流，堵塞表面积减少二、催化剂失活与再生结焦

或称积碳，是指催化剂表面上生成含碳沉积物的过程；焦的形成是由结焦物在活性中心上的不可逆吸附引起的。表现为：（1）覆盖表面，减少表面积；（2）覆盖和包埋活性组分，降低活性；（3）堵塞孔道。结焦机理：酸结焦，脱氢结焦，离解结焦二、催化剂失活与再生酸结焦：烃类原料在固体酸催化剂上或固体催化剂的酸性部位上通过酸催化聚合反应生成碳质物质。

CnHm(CHx)y

脱氢结焦：烃类原料在金属和金属氧化物的脱氢部位上分解生成碳或含碳原子团。

CnHmyC离解结焦：一氧化碳或二氧化碳在催化剂的解离部位上解离生成碳。

二、催化剂失活与再生表现：1）分解并沉积在催化剂表面，封闭表面部位和孔；

2）自身的催化脱氢活性，促进结焦；

3）再生时的催化氧化作用，促进烧结；

4）熔融作用。金属污染的来源：进料中所含毒物杂质吸附于催化剂表面，损害催化剂活性和选择性。金属卟啉（porphyrins)络合物或非卟啉化合物，主要是V、Ni、Fe、Cu、Ca、Mg、Na、K等，含量ppm数量级。二、催化剂失活与再生中毒的程度：毒物与催化剂活性组分相互作用的性质和强弱。

可逆中毒：可以再生的、暂时性的中毒；

不可逆中毒：不可以再生的、永久性的中毒。中毒：催化剂所接触的流体中的少量杂质吸附在催化剂的活性位上，使催化剂的活性显著下降甚至消失，称之为中毒。使催化剂中毒的物质称为毒物。二、催化剂失活与再生（1）第V族和VI族元素具有未共享电子对的非金属化合物,即N、P、As、Sb和O、S、Se、Te的化合物（2）金属离子具有已占用的d轨道，并且d轨道上有与金属催化剂的空轨键合的电子。（3）不饱和化合物

分子中的不饱和键能提供电子与金属催化剂的d轨成键。二、催化剂失活与再生烧结：

粉状或粒状物料加热至一定温度范围时固结，导致微晶长大，孔减少，孔径分布发生变化，表面积减少，活性位数减少，催化剂活性下降。相转变和相分离：热和水热引起的活性相相变甚至结构破坏则常造成严重失活，或永久失活；二、催化剂失活与再生颗粒破碎：

催化剂在使用过程中应力的作用和组成、结构、孔结构的变化引起机械强度下降，颗粒破碎。结污（Fouling)

固体杂质碎屑在催化剂颗粒上的沉积，遮盖表面，堵塞孔道，甚至导致颗粒粘结。二、催化剂失活与再生现有的催化剂再生方法：烧焦再生（空气、氮气）超临界溶剂再生溶剂再生水蒸气再生二、催化剂失活与再生再生步骤：

烧焦－氧化去除催化剂表面的焦炭

氯化－通入有机氯化物，补充氯的损失，同时使金属铂转化为氯化铂，便于铂的再分散

氧化（更新）－使铂转化为氧化物，便于铂的固载化与分散

还原－通氢气还原，使铂还原为金属态，恢复活性二、催化剂失活与再生再生前后重整催化剂性能比较

性能新鲜催化剂烧焦后催化剂再生后催化剂比表面积/m2/g190124124铂平均晶粒度，nm5.014.55.0相对活性14036136二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生定向冲击波击碎了串接在金属筒上面的有机玻璃筒。

当冲击波峰值压力超过储层的疲劳强度时，且持续一定的时间，就会撕裂储层，在物体上造成裂隙，并随着作用次数的增加不断延伸，直至毁伤。二、催化