辐射技术在固体废物处理中的应用

辐射技术在固体废物处理中的应用摘要：近年来，随着人类生产、生活方式发展的多样化，环境污染和生态恶化问题日益严重，直接威胁着人类社会、经济与自然环境的和谐发展，引起了国内与国际社会的广泛关注。然而，环境污染物质的组分越来越复杂，国内外对这些污染物允许排放的标准也趋于严格化。随着核技术应用的不断发展，辐射技术在治理环境污染方面显示出巨大的应用潜力。基于此，本文主要对辐射技术在固体废物处理中的应用进行分析探讨。关键词：辐射技术；固体废物处理；应用前言固体废物是指在生产、生活和其它活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态物质。固体废物包括生活垃圾、工业固体废弃物、农业废弃物、医疗废物和交通运输垃圾等。辐照处理的固体废物大致可以分为两大类；一类是辐照处理可以回收的高分子固体废物，如废橡胶和塑料等；另一类就是辐照处理需要消毒的废物，如城市污水污泥、生物医学废物、国际空港和海港的垃圾等。1固体废物的辐照消毒处理电离辐射（如电子束和γ射线）具有较高的能量（高于50eV），能直接或间接地导致分子的电离和激发。固体废物表面吸附的水在受到射线辐照后吸收能量会产生辐射分解，生成初生态•OH、•H等活性很强的自由基，这些自由基能与有机化合物发生反应（自由基化合和自由基转移过程）导致其降解。细菌和病原体是由有机复合物构成的，所以辐照可以有效地将它们杀死。1.1医疗废物和港口垃圾的处理医疗废物和国际空港、海港的垃圾是产生量大且难处理的两大类固体废弃物。医疗废物即从医院、医疗中心和诊所的医疗服务中产生的临床废物，包括手术、包扎残余物、生物培养、动物实验残余物、传染性废物、废水处理污泥等。这些废物除含有大量的致病菌、病毒外，还含有化学药品甚至重金属化合物，还有大约20%的塑料（比如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等）。如果燃烧，会产生有毒气体产物。为了防止在处理这种废物时有传染疾病的危险，可通过辐照对医疗废物进行消毒。国际空港和海港的垃圾含有大量的食物碎屑、塑料、纤维素等成分，可能存在潜在的动物传染病病原体（如口蹄疫、猪的传染性水疱病、非洲猪热病等），所以许多国家制订了专门处理这种“国际废物”的规章制度。加拿大规定对港口垃圾要采用焚化或加热（大约100℃以上至少保持30min）的办法进行消毒杀菌，并且规定，储存和运输废物的容器在重复使用前必须进行清洗和消毒。国际废物消毒的一种可能替代方法是采用辐射技术。辐照装置可以设在空港区内进行自动辐射技术在固体废物处理中的应用摘要：近年来，随着人类生产、生活方式发展的多样化，环境污染和生态恶化问题日益严重，直接威胁着人类社会、经济与自然环境的和谐发展，引起了国内与国际社会的广泛关注。然而，环境污染物质的组分越来越复杂，国内外对这些污染物允许排放的标准也趋于严格化。随着核技术应用的不断发展，辐射技术在治理环境污染方面显示出巨大的应用潜力。基于此，本文主要对辐射技术在固体废物处理中的应用进行分析探讨。关键词：辐射技术；固体废物处理；应用前言固体废物是指在生产、生活和其它活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态物质。固体废物包括生活垃圾、工业固体废弃物、农业废弃物、医疗废物和交通运输垃圾等。辐照处理的固体废物大致可以分为两大类；一类是辐照处理可以回收的高分子固体废物，如废橡胶和塑料等；另一类就是辐照处理需要消毒的废物，如城市污水污泥、生物医学废物、国际空港和海港的垃圾等。1固体废物的辐照消毒处理电离辐射（如电子束和γ射线）具有较高的能量（高于50eV），能直接或间接地导致分子的电离和激发。固体废物表面吸附的水在受到射线辐照后吸收能量会产生辐射分解，生成初生态•OH、•H等活性很强的自由基，这些自由基能与有机化合物发生反应（自由基化合和自由基转移过程）导致其降解。细菌和病原体是由有机复合物构成的，所以辐照可以有效地将它们杀死。1.1医疗废物和港口垃圾的处理医疗废物和国际空港、海港的垃圾是产生量大且难处理的两大类固体废弃物。医疗废物即从医院、医疗中心和诊所的医疗服务中产生的临床废物，包括手术、包扎残余物、生物培养、动物实验残余物、传染性废物、废水处理污泥等。这些废物除含有大量的致病菌、病毒外，还含有化学药品甚至重金属化合物，还有大约20%的塑料（比如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等）。如果燃烧，会产生有毒气体产物。为了防止在处理这种废物时有传染疾病的危险，可通过辐照对医疗废物进行消毒。国际空港和海港的垃圾含有大量的食物碎屑、塑料、纤维素等成分，可能存在潜在的动物传染病病原体（如口蹄疫、猪的传染性水疱病、非洲猪热病等），所以许多国家制订了专门处理这种“国际废物”的规章制度。加拿大规定对港口垃圾要采用焚化或加热（大约100℃以上至少保持30min）的办法进行消毒杀菌，并且规定，储存和运输废物的容器在重复使用前必须进行清洗和消毒。国际废物消毒的一种可能替代方法是采用辐射技术。辐照装置可以设在空港区内进行自动和连续地工作，也可以由同一个辐照设施处理生物医学废物和港口垃圾，这种概念设计既可靠又经济，能够满足清洁环境的现代要求。1.2污泥的处理堆肥化、巴氏消毒或化学处理等常规的方法处理效果均不十分理想，难于实现工业化。辐射技术可以克服常用处理方法的缺点，辐射处理过的污水沉积物得到的肥料与以污水热处理法得到的肥料十分相似，但是各种原始水样在沉积时形成的淤泥的体积比运到消毒工厂的污水体积要小1～2个数量级，因此需要非常低的辐射功率。辐射技术是目前国际上普遍认为很有前途的污泥处理方法，γ放射源和电子束辐照均可用于污泥的处理。辐射处理污泥的优点是：①能杀死污泥中的病菌和病毒，消毒效果比热处理可靠；②不破坏污泥中的有机氮化物，不会减少污泥的肥力和产生难闻的臭味（巴氏热处理法中氮损失较多，污泥的肥力下降）；③能防止污泥中的杂草种子发芽，但不会影响正常种子的发芽；④处理温度较低（25～30℃），减少对工厂设备的腐蚀；⑤可以氧化有毒的和危险的有机污染物（如杀虫剂、除草剂、多氯联苯等），把难于生物降解的物质转化为容易降解的化合物；⑥辐照后的污泥具有良好的脱水性能，可省去化学絮凝剂和一些相应的设备；⑦污泥经辐照灭菌后，可作为肥料直接在农田使用。2高分子固体废物的辐照回收处理电子束或γ射线辐照可以诱发高分子聚化合物的C—C键发生断裂而分解，辐射诱发降解获得了气态、液态和固态产物的小分子，它们可用做适当合成物的原材料。同时辐照还可以使分子发生交联，从而改变了高分子化合物的各种性质（如辐照过的聚乙烯具有较好的抗热性，是很好的电线绝缘包皮材料）。利用辐射技术与高分子材料相互作用的特点，可以对高分子固体废物进行回收再利用。2.1废塑料废塑料是一种难降解的固体废物，其合理有效的处置一直是个棘手的问题。如聚四氟乙烯（PTFE），用生化法不能将其分解，机械破碎也比较困难。如果用高温处理还会产生大量有毒的氟化物。辐射技术可以诱发塑料降解，解决了废塑料处理的难题。在20世纪五六十年代就完成了辐射诱发塑料降解的早期研究。日本曾利用γ射线辐照与加热联用的方法，再以机械破碎后，得到分子量不同的聚四氟乙烯蜡状粉末，可作为优良的润滑剂和添加剂。氯化聚乙烯在使用时会放出百倍的氯乙烯，因而被某些国家禁止使用。但经一定剂量γ射线照射后，不产生氯乙烯，从而扩大了使用面。2.2废橡胶辐射技术可用于橡胶的硫化和废旧橡胶的脱硫化。辐射处理主要是利用橡胶对电子束和γ射线独有的敏感性，使废旧橡胶发生化学链解聚，从而改善它们的加工性能和耐用性能。采用辐射手段回收来自旧轮胎的橡胶是一种成熟的方法。辐射技术回收橡胶的过程一般是先把旧轮胎切割成小碎片，然后再用高能电子束或γ射线进行辐照，辐照后橡胶的大分子网络结构分解，力学性能发生改变。将射源和电子束辐照均可用于污泥的处理。辐射处理污泥的优点是：①能杀死污泥中的病菌和病毒，消毒效果比热处理可靠；②不破坏污泥中的有机氮化物，不会减少污泥的肥力和产生难闻的臭味（巴氏热处理法中氮损失较多，污泥的肥力下降）；③能防止污泥中的杂草种子发芽，但不会影响正常种子的发芽；④处理温度较低（25～30℃），减少对工厂设备的腐蚀；⑤可以氧化有毒的和危险的有机污染物（如杀虫剂、除草剂、多氯联苯等），把难于生物降解的物质转化为容易降解的化合物；⑥辐照后的污泥具有良好的脱水性能，可省去化学絮凝剂和一些相应的设备；⑦污泥经辐照灭菌后，可作为肥料直接在农田使用。2高分子固体废物的辐照回收处理电子束或γ射线辐照可以诱发高分子聚化合物的C—C键发生断裂而分解，辐射诱发降解获得了气态、液态和固态产物的小分子，它们可用做适当合成物的原材料。同时辐照还可以使分子发生交联，从而改变了高分子化合物的各种性质（如辐照过的聚乙烯具有较好的抗热性，是很好的电线绝缘包皮材料）。利用辐射技术与高分子材料相互作用的特点，可以对高分子固体废物进行回收再利用。2.1废塑料废塑料是一种难降解的固体废物，其合理有效的处置一直是个棘手的问题。如聚四氟乙烯（PTFE），用生化法不能将其分解，机械破碎也比较困难。如果用高温处理还会产生大量有毒的氟化物。辐射技术可以诱发塑料降解，解决了废塑料处理的难题。在20世纪五六十年代就完成了辐射诱发塑料降解的早期研究。日本曾利用γ射线辐照与加热联用的方法，再以机械破碎后，得到分子量不同的聚四氟乙烯蜡状粉末，可作为优良的润滑剂和添加剂。氯化聚乙烯在使用时会放出百倍的氯乙烯，因而被某些国家禁止使用。但经一定剂量γ射线照射后，不产生氯乙烯，从而扩大了使用面。2.2废橡胶辐射技术可用于橡胶的硫化和废旧橡胶的脱硫化。辐射处理主要是利用橡胶对电子束和γ射线独有的敏感性，使废旧橡胶发生化学链解聚，从而改善它们的加工性能和耐用性能。采用辐射手段回收来自旧轮胎的橡胶是一种成熟的方法。辐射技术回收橡胶的过程一般是先把旧轮胎切割成小碎片，然后再用高能电子束或γ射线进行辐照，辐照后橡胶的大分子网络结构分解，力学性能发生改变。将其作为原料与其它组分混合便可用于新轮胎的生产。2.3纤维素纤维素是棉花、木材和农产品秸杆的主要成分，普遍存在于城市废物与农业废物中。纤维素是由重复的葡萄糖单元组成的长链线性分子，经γ射线辐射后引起链断裂，产生还原性基团和酸性基团。纤维素的辐射降解存在后效应，即辐射终止后纤维素还会进一步发生降解。辐射剂量越大，后效应越严重，后效应会随着时间的延长而逐渐减小。3生活和工业垃圾的综合处理俄罗斯物理动力研究所设计出一种利用快中子反应堆处理生活和工业垃圾的新技术，可以从垃圾处理中得到金属、建筑材料、化工产品、电力和热力。该技术是通过在包有不锈钢双层外壳的核反应堆中加砌一个烧垃圾的炉子来实现。在炉中要不断加入少量的煤来保持炉内高温，炉温可以达到1500℃，此温度下所有的垃圾都会被汽化。向炉子中定期装入生活和工业垃圾，垃圾掉入吹氧的高温渣缸中，易燃部分迅速汽化和燃烧，矿物质部分在渣中熔化，金属由于密度较大在熔化后沉入底部。将金属定期铸成铸件用于加工金属制品；炉渣用于加工建筑材料；炉子及炉内高温气体由反应堆的不锈钢双层外壳之间循环的液体钠来冷却，升温后的液体钠（高达500℃）可为驱动汽轮发电机的蒸汽发生器供热。试验表明，这套装置可处理生活和工业垃圾2×104t/a，发电功率为5kW/a，能够实现自给有余。4其它除了电子束和γ射线外，质子等其它粒子在固体废物的处理方面也有应用，如用加速器产生的强束流质子可用于核废料处理、核燃料生产和以洁净的方式产生核能；用加速器产生的强束流轰击核废料，可以将其中的长寿命放射性元素转变为有用的或短寿命的元素。5结语料；炉子及炉内高温气体由反应堆的不锈钢双层外壳之间循环的液体钠来冷却，升温后的液体钠（高达500℃）可为驱动汽轮发电机的蒸汽发生器供热。试验表明，这套装置可处理生活和工业垃圾2×104t/a，发电功率为5kW/a，能够实现自给有余。4其它除了电子束和γ射线外，质子等其它粒子在固体废物的处理方面也有应用，如用加速器产生的强束流质子可用于核废料处理、核燃料生产和以洁净的方式产生核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