微波热修复有机物污染场地土壤技术进展

Vol.33No.12015年2月微波热修复有机物污染场地土壤技术进展MicrowaveIntroducedThermalRemediationTechnologiesofOrganicContamiAbstract:Thispaperhascriticalreviewedpreviousresearchoforremediationofsoilcontaminatedbyorganiccontaminants.Eachoftwotechnologies,decontamination.Thispaperhasalsodiscussedsixparametetionprocess.Intheend,thispaperaswellputsforwardseveralssearchofmicrowaveintroducedsoilremediationtechnology.Keywords:soil;organiccontaminants;hydrocarbon;microwave;thermalremedi0引言物质的内部。能量传递方式具有穿透性和选择1微波加热原理的频率为0.3～300GHz,常用加热工作频率在900MHz和2.45GHz左右(2)。能够与电磁波中的电场或磁场相互反应，并能够储存和/或消耗电磁波能量的物质，称为介电物质。而通过介电物质与电磁波反应的加热方式也称为介电加热。针对物质与微波的相互作用，可以把物质分为3类，即微波的吸收质、绝缘质和反射质，分别对应的是微波能量的吸收、穿透和反射。微波加热土壤时，基于偶极(偏振)极化的加热最为显著。当分子中存在极性结构，并外加方第1期易辰博：微波热修复有机物污染场地土壤技术进展·117·向变化的电场时，该结构倾向于随着电场变化转动，转动过程中克服分子间作用力做功而产生热量。导电机理在微波能向热能转化的过程中，也起着重要的作用。其原理为电荷随着变化的电场运动，并克服物质的电阻做功而产生热量。其最佳热能转化频率较微波工作频率低!3]。常用语描述物质介电加热性质的参数有介电常数(ε')以及介电损耗因子(ε”),分别表述了电容的形式储存电磁波能量的性能，以及将电磁波能量转化为热能的能力。功率密度(PowerDensity)表述的是单位体积下物质转化微波能所产生的热能功率P₄=2mfe₀e"IEI¹其中，P₄为功率密度(W/m³);εo=8.854×10~”F/m为真空条件下的介电常数；ε"为介电损耗因根据能量守恒得出：其中：P为功率(kW);Q.为转化的热能(kJ);t为T和T₀分别为加热后温度和初始温度(℃)。由式(1)和式(2)可得出式(3):其中p为物体密度(kg/m³)。由此可见，物体在微波中的加热速率与介电损耗因子正相关，与物体热容负相关。微波透入深度，定义为微波穿透至物体内部该深度时，能量将至初始的1/e,(0.368),根据Lambert-Beer定律，可得出透入深度D,为式(4)当介电损耗因子远大于介电常数时，式(4)可简化为式(5),误差率小于10%。值得注意的是，根据微波透过深度定义可以看出，虽然大部分微波能量在透入深度以内被吸收转化为热能，但是仍有部分微波能量透过该深度层。为保证微波加热的均匀性，一般保证其加2微波辅助土壤有机物污染土壤修二次世界大战之后，微波热能得到了广泛的应用。从20世纪80年代末开始，微波热能辅助技术在土壤修复领域的研究也逐渐展开[5。微波对有机物污染土壤的加热和修复过程根据温度曲线和介电性质变化趋势分析(5有以下几种可能：有机物污染土壤主要成分可分为土壤基质、水分、水溶离子以及有机污染物。当污染物自身具有极性时，能够被微波选择性加热直至去除。而当污染物不具有极性时，加热和修复过程又可以分为3个主要阶段[6-”]。第1阶段为室温至100℃左右，在这个阶段，土壤中水分子因具有较强极性，能够大量吸收微波能并转化为热能。土壤温度快速升高，挥发性有机物(VOCs)随着加热过程大量去除。水溶离子根据导电原理也能起到一定的吸波作用，但在微波频率范围内对土壤整体介电性质影响不显著。第2阶段为100℃至300～400℃阶段，随着水分的蒸发，土壤的介电性质减弱，介电损耗因子降至低位水平。土壤的加热速率急剧下降。然而可能是由于结合水的作用[9-0,土壤仍能够被缓慢的加热，直到吸收转化的微波能与散失的热能达到平衡，此时土壤的终温能够达到150～250℃[6-7],局部温度可能更高。挥发性有机物(VOCs)和部分半挥发性有机物(Semi-VOCs)被去除。第3阶段，土壤中局部温度达到有机污染物热解炭化的起始温度，所产生的炭化物质依据其导电性能，将微波能转化为热能，土壤升温后，炭化程度加深，介电性质随之加强[⁸-II],土壤整体介电损耗因子在300～400℃开始迅速增大，加热速率随之显著提高。土壤中的有机污染物被固化为炭化物质或在高温时分解，氧化。当污染物炭化性质较弱，过程温度又无法达到修复目的时，添加微波吸收质往往被用于辅助加热，然而其混合过程限制修复技术向原位化发展，添加剂回收难也一定程度影响了修复过程的经济性。现有的研究根据不同的温度范围和去除机理微波对有机污染物土壤的热修复技术主要集中在微波辅助热脱附和微波辅助热分解2.1微波辅助热脱附技术微波辅助热脱附技术是以微波能量作为热源，通过提高土壤温度，增强有机污染物的挥发2015年第33卷2015年第33卷为挥发性以及半挥发性有机物(VOCs和Semi-汽气提技术[。大部分研究使用的加热设备为600～1000W范的对二甲苯!)。Kawala和Atamanczuk对200g土样进行了40min加热后完全去除了其中所含的100g十三烷Aciemo等人对干重250g的土壤加热10min后，原有2000ppm的萘去除率达到85%。刘爱宝等人对120g土样加热20min后，原有300ppm氯丹去除率达到85%以的研究中还使用一根长0.7m天线，将600W的微波能量散布于含32kg三氯乙烯的土床中(直径1m,深度0.9m)。在经过75h加热后，三氯乙烯去除率约为59%:。Chien使用4m长的天线，将2kW的微波能量散布于炼油厂场地深4m,直径1m的土床内。经过3.5h的加热后，碳链长度6-9的有机污染物去除效率在24%~94%之间“。土样处理量明显提高，但处理时间900mm),分别对含有1%和2%有机污染物的的500s后，2种土样的有机物去除率分别达到了85%和95%[9。该研究通过提高输入功率与土少的处理时间。戴博文等人将修复规模扩大至400kg/h,在土样经过18kW微波加热20min后，苯酚去除率达74%;石油烃去除率为91.29%,而对含124.4ppm多环芳烃的25g土样加热40s值能够将处理时间大为缩短至1min以下。商辉等使用类似的实验设置，对20g含油16%石油污剂用于辅助微波加热。Li等人在使用800W多模设备对混5%重量分数活性炭颗粒的土样进行加热10min后，土样中的石油烃去除率达到了加剂的上样密封装于由微波绝缘体制成的容器过5-25min的加热后多氯联苯分解率达到71%的反应容器。Abramovith等人将6g含有1mg/g多氯联苯1254的土样混以20mg的石墨纤维和750W多模微波设备，将混有1g活性炭颗粒，W多模微波设备对添加了20%活性炭颗粒的3g解率达90%以上24]。壤层中。在使用4kW多模微波设备对1kg硝基酚、六氯苯初始含量为500mg/kg的土样加min后，污染物去除率达到90%以上。使用微波收质作为添加剂或者反应器皿材料用于辅助加模微波设备对25g重油污染土壤进行微波加热时发现，约3000ppm的多环芳烃在40s的加热后去除率可达92%,重油热解炭化过程产物起到丁慧在使用30kW微波设备对20kg石油污泥进行热解时也发现，添加5%的石油污泥热解残渣达到99.84%,而不添加热解残渣达到除油率97%所需时间为300minl²6]。时，2种反应可能同时或者分阶段的产生作用。除了上述2种微波辅助土壤修复技术以外，还存率，类似的反应设置也适用于促进液相反3影响因素研究度的电场，根据式(1)得出较高的功率密度。值能够缩短土壤中对二甲苯的脱附时间[2]。Rob-inson等人发现提高微波功率能够获取更高的多环芳烃的脱附率。Li等人发现在相同加热时能够提高加热速率以及土壤终温[。土壤中的水分是土壤中主要的微波吸收质，耗因子值仅为0.004,而当水含量为14%时，介电损耗因子值增至2.51。值得注意的是水含量于土壤介电性质之间并非线性关系”,水分与土壤收能力远大于结合水。从Robinson等人的研土壤的介电损耗因子也随之迅速降低。从温ment)作用，进而增强了污染物的去除效果。Kawala的研究中土壤床所测温度为70℃,而对加热区域内十三烷(沸点，234℃)的去除率超过95%。George等人发现通过增加土壤水分的间(2)。然而过量的水分需要消耗额外的能量用于加热以及蒸发，转而降低了微波能使用效添加微波吸收质辅助加热也常见于研究中，果。Liu和Yu的研究表明增加活性炭颗粒添加间更短9]。波加热过程的影响上。Kawala等人研究发现相理中发现，土壤的介电损耗因子在400℃以上有明显的升高趋势，加热速率也有显著提高。丁收质辅助加热26]。其原理可能是重油热解过程热能[]。小趋势[]。其原因可能是微波能量主要被表层均一的(见1微波加热原理、式(4)、式(5))。Robinson等人研究发现当土壤床深度为10cm根据式(5)的计算得出所测土壤微波透入深度在超过100℃后，透入深度可达1m。4结论升角度来看，由于对微波加热设备理解较为薄弱，参考文献：waveHeating[M].London:InstitutionofElectricalEnginecrs,1998.ing[M].London;PeterPeregrinusLadonBehalfofthePressofMITandJohnWiley,1954,62(2):204-withmicrowaveenergy[J].MaterialsScienceandEn-gineering,2000,A287:153-158.ofhazardouswastes;remediationofsoilscontaminatedbynon-volatileorganicchemicalslikedicrowavePowerEE,1992,27:54-6decontaminationofsoil[JmediationfromVOCs.1;pects[J].AicheJournal,2003,49(7):1909-1921.tionofpolyaromatichydrocarbonsfromcontaminatedsoilusingmicrowaveheating[J].SeparationandPuri-ficationTechnology,2009,69:249-2wavedielectriebehaviorofwetsoil-partⅡ:dielectricmixingmodes[J].IEEETransactionsofGeoscienceandRemoteSensing,1985,23(1):35-46.ofDielectricconstantofboundcationsofmicrowaveremotesensing[J].PlectromagneticResearch,2002,PIER35:251-269.forrapidcokemakingusingmicrowavezation[J].EnvironProg,1992,11:216-219.[13]刘爱宝，孙文全，王世强，等.微波辐照技术修复氯丹污染土壤[J].化工环保，2013,33(4):285-288.[14]ChienYi-Chi.Fieldstudyofinsiturtroleumhydrocarboncontaminmicrowaveenergy[J].Journal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