微波技術應用于固體廢棄物處理系統

引言

　　微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發熱。而對金屬類東西，則會反射微波。近幾年來，微波的高效發熱特性的進一步開發，使得它的應用從傳統的通訊領域轉向催化化學、材料加工、污染控制等領域。其中，在污染控制領域，特別是在工業污泥、醫療垃圾、廢舊輪胎、電子垃圾以及建筑垃圾等固體廢棄物的處理方面取得了較大的進展。

　　1　微波加熱的原理

　　1.1　微波加熱的機理

　　在微波加熱的過程中，微波能轉化為熱能的機理有2種，即偶極子轉動機理和離子傳導機理。

　　偶極子轉動機理是由微波輻射引起物體內部的分子相互摩擦而產生熱能。自然界的介質都是由一端帶正電荷、另一端帶負電荷的分子（或偶極子）組成。在自然狀態下，介質內的偶極子作雜亂無章的運動和排列，當介質處于電場中時，其內部重新進行排列，變成了有一定取向、有規則排列的極化分子。當電場方向以一定頻率交替變化時，介質中的偶極子的極化取向也以同樣頻率轉變，在轉變過程中，因分子間相互摩擦、碰撞而產生熱能。電場變化頻率越快，偶極子轉動的頻率也就越快，產生的熱效應越強，而微波波段電磁場頻率高達108數量級，所以在微波輻射下，偶極子轉動產生的熱量相當可觀，從而使體系在很短的時間內達到很高的溫度。偶極子轉動產生的加熱效率取決于介質的馳豫時間、溫度和黏度。

　　離子傳導機理是指可離解離子在電場中產生導電移動，由于介質對離子的阻礙而產生熱效應。離子傳導產生的加熱效率取決于離子的大小、濃度、電荷量和導電性。

　　1.2　微波加熱的特點

　　傳統加熱是利用傳導和對流方式進行的，首先加熱容器，容器將熱量傳導到物體表面，然后熱量由表面傳遞到物體內部，從而獲得熱平衡條件，因此加熱需要較長時間。而加熱環境一般不可能嚴格地絕熱封閉，長時間加熱，就可能向環境散發大量熱量。而微波加熱通常在全封閉狀態下進行，微波功率以光速滲入物體內部，及時轉變為熱能，避免了長時間加熱過程中的熱散失，并且可對物體內外部進行“整體”加熱，因此，與傳統的加熱方式相比，微波加熱具有效率高、速度快、能耗低等特點。

　　2　微波技術在固體廢棄物處理中的應用

　　2.1　工業污泥的處理

　　工業污泥是油和含固體碎屑的水的乳化物，全球每年產生的含油污泥多達幾十億噸，常規的處理工藝是：加熱破乳—離心分離—填埋。由于加熱破乳時常常使用破乳添加劑，因此產生的殘留物很難處理，脫油后需要填埋處理的殘渣量大，填埋費用高。美國開發了鋼廠含油淤泥的微波脫油技術，該技術是將含油和金屬的污泥與添加劑混合，然后在一個流動系統中接受微波輻照10min,最后通過離心分離，分離出固體物質（主要是Fe、FeOx）、油和水。分離出的固體可重新用作煉鋼原料，油可作燃料出售。研究表明，該微波破乳脫油系統的處理速度比常規的脫油系統快30倍，處理系統的體積可節省90%,大幅度降低了需要填埋處理的固體廢渣，降低了填埋費用，采用微波脫油處理該鋼廠污泥，處理費用比常規處理方法降低10倍。

　　此外，以污水處理廠產生的污泥為原料，采用微波輻照可制備污泥活性炭。也有將污水處理廠初沉池和二沉池的混合污泥烘干，用磷酸溶液活化后，再采用400W的微波輻照260s,成功制得污泥活性炭，該活性炭的碘值為517.4mg/g。用制得的污泥活性炭處理TNT廢水，處理效率略高于粉狀商品活性炭。