1、1,微波催化技术在环境领域的研究,XXX,凯天环保集团研究院,2,主要内容,一、微波技术简介二、微波在废气废水治理领域的应用三、存在的问题四、发展方向,3,一、微波技术简介,4,4,微波技术,微波技术是近代科学技术发展 的重大成就之一,发展极为迅 速。世纪 年代微波开始 在化 学领域中得到广泛研究,并 取 得 了积极效果。而近十几年来人们已经注意到微波在环境保护领域的应用潜力。对微波加热机理及其特点,在废水、废气、固体废弃物的处理,环保材料的研制,环境监测等方面都进行了广泛的研究,我们对微波辐射技术的发展方向进行了展望,相信微波技术将会有广泛的应用前景,一旦工业化可以带来巨大的经济和社会效益。
2、,5,加热机理,微波是一种电磁能。可改变离子迁移和偶极子转动情况, 但不引起分子结构改变, 是非离子化的辐射能。一般来说, 介质在微波场中的加热有两种机理, 即离子传导和偶极子转动。在微波加热的实际应用中, 两种机理的微波能耗散同时存在。,选择性加热工作环境温度低穿透性加热、加热速度快加热过程简便易于自动控制高效节能的加热方式,特点,6,二、微波在废气废水治理 领域的应用,7,2.1 微波技术在大气污染治理中的应用2.2 微波技术在水污染治理中的应用,微波在环境领域应用,8,2.1 微波技术在大气治理中的应用,随着现代工业的发展, SO2、NOx的排放越来越多。大气中的SO2是形成酸雨的主要来
3、源, NOx会破坏臭氧层且能形成光化学烟雾,重金属和炭微粒等都对人类和整个生态环境带来极大危害,9,微波高能电离技术,原理：废气中除SO2和NOx外,还有大量的N2,H2O ,CO2和O2, 这些物质能被520 eV之间的电子能电离和激发,形成活性基。微波这种高频电磁波具有高能性,可激发和电离N2,H2O , CO2,O2,形成HO, HO2, N, H活性基和自由电。HO, HO2,O又与SO2和NOx反应生成SO3NO2。因此,可以利用微波的高能性直接处理SO2和NOx。,D. Martin利用2. 45 GHz微波直接处理燃煤废气中的SO2和NOx,在微波辐射作用下形成的活性基与SO2和
4、NOx结合,生成SO3和NO2,在水中形成H2SO4和HNO3,10,微波放电直接分解技术,利用微波形成的高频振荡 电磁场产生高能电子放电直接分解NO为N2和O2,微波放电装置,混合烟气,放电分解反应,11,2000 ppm NO, 2% O2, He 平衡气GHSV = 3600 h1.以Fe(20%)/NaZSM-5 为催化剂微波放电分解 NO在480达到70%转化率,12,原理,13,微波诱导还原技术,温度较高，1000 能耗高设备耐温要求高氧化产物对设备腐蚀性强工艺复杂、处理成本高,温度较较低，420以下 极大降低了能耗将SO2还原成S单质工艺简单增加了经济效益,14,以活性炭为还原剂
5、,活性炭表面的某些点位能与微波发生强烈的相互作用,使微波能转化为热能, 从而使表面点位选择性快速加热至很高温度。在这些点位附近发生微波诱导催化反应,Cha公司和怀俄明州大学使用该技术同时诱导还原SO2和NOX,达到95%以上脱硫率华北电力大学 600mg/m3NO、2000mg/m3SO2的模拟烟气在470 ，脱硫、脱硝率可达96%,15,以尿素或碳铵为还原剂,中山大学 微波-SCR技术研究模拟烟气：NOX、SO2和水蒸汽、空气混合(化学方法配置)，使用碳铵或尿素为NH3源和分子筛为载体,SO2 1500mg/m3 80 转化率NOx 170 mg/m3 82.35转化率,16,技术特点,装置
6、简单、一次性投资小、操作简单、使用寿命长由于不使用催化剂,不存在催化剂失活和中毒等问题烟气温度不受限制，只要选择合适的吸波物质作为载体或者强吸波性地还原剂（活性炭）任何烟气温度进去反应器均可将NOX还原为N2，将SO2还原成S单质，清洁技术，无二次污染使用活性炭（活性焦）为还原剂时，避免了传统NH3-SCR技术 带来的二次污染，和安全性问题，同时也避免了设备腐蚀问题脱硫工艺为干法脱硫，减少废水排放，同时副产物为经济价值高的S选择良好的吸波物质，可实现加热过程高效节能，同时加热过程简便易于自动控制,17,微波诱导氧化法活性炭吸附 - 微波辐射解吸法微波与其他技术的结合使用,2.2 微波技术在水污
7、染治理中的应用,方法：,18,敏化剂+hvecb-+hvb+,微波催化反应阶段,氧化降解反应阶段,有机物+OHH2O+CO2,反应机理,19,优点实用范围广、处理效率高、极少有二次污染、氧化速率快缺点需要高温、高压, 对于难降解氧化的有机物, 条件则更为苛刻, 不适应实际的工业生产,湿式氧化法,优点 设备占地面积小 操作简单 运行费用低 高效 节能,微波催化湿式氧化法,实验装置图,20,格栅,集水池,高位水槽2,微波反应器,沉淀池,过滤池,清水,高位水槽1,一号添加剂,二号添加剂,微波废水处理工艺流程图,21,废水经 Fe- C预处理, 曝气氧化后, 取A、B、C 水样 微波功率为 630W,
8、 辐照时间 10 m in，H2 O2，TiO2(敏化剂),1.难降解有机废水,实际废水的处理效果,22,2.炼油废水,微波功率 630W, 辐照时间 15min，Fenton试剂，活性炭（吸波物质）,COD 去除率78. 85%,23,3. 氨氮废水,100mL垃圾渗滤液水样的氨氮含量为 32mg/L，改性沸石480W下氨氮去除率可达到92.11%,24,单位污水处理投资强度低；占地面积小；污水处理工程可大也可小型分散化（堵住污染源头）；污水处理工艺流程短；污水中污染物降解物化反应迅速；单位污水处理综合能耗低；单位污水处理运行费用低；污水中污染物清除彻底；污水处理进程不受环境温度及原污水污染
9、物浓度的影响；污水处理过程中可根据需要随意开停；实现水的可持续利用及使污水资源化和水的循环经济；杀灭污水中病原体；把已被污染了的江河池塘湖泊水转化为工业的农业的安全绿色用水。,技术特点,25,三、存在的问题,26,烟气中含有的金属氧化物颗粒对微波场控温系统产生的负效应无法避免微波设备的泄露防护问题：过量的微波辐射对人的神经系统、心血管系统生殖系统、晶状体和视网膜等器官有一定的伤害。目前没有完善的计算微波场温度分布模型微波加热与物质介电特性有密切联系，而介电特性又与物质形状、组成、体积和湿度等多种因素有关，会对微波场温度分布产生较大影响国家NOX，SO2排放标准的严格化导致微波脱除效率有待提高副
10、产物S的存在形式，若温度过低，以固态形式存在则会堵塞还原剂孔道，反应器中S颗粒无法清除,（1）微波技术在废气治理中的问题：,27,（2）微波技术在废水治理中的问题：,28,四、发展方向,29,废气方面：,完备各种材料介电参数和微波加热的机理的深入研建立加热过程的数学模型，掌握微波炉腔内的温度分布以便控制微波泄漏和降低能耗；设计、制造和使用微波设备时，加强微波泄漏的安全防护，提高加工控制和操作过程的自动化开发完善的微波反应器，辅助设施如冷却水系统的建立，同时加强谐振腔的开发、设计，实现微波场的均匀分布，避免局部累积过热损坏设备开发高活性的催化剂，提高微波诱导还原脱硫脱硝反应的效率，达到国家排放标
11、准设计微波反应器内部炉腔结构，实现可清理腔内固态副产物,30,废水方面：催化剂是微波诱导氧化工艺的核心, 而催化剂的性质和寿命直接 影响到它的使用价值。因此研究经济、高效的催化剂是今后研究的一个重点。 催化剂的选择要求: 必须能快速与微波发生作用并被激活 耐高温、耐酸碱腐蚀 损耗小、使用寿命长 可连续使用易于分离逐步降低水处理的能耗, 合理利用出水的热能, 降低水处理成本研究和完善有关材料的电介性质的参数,设计合理有效的反应器, 对微波连续处理废水的稳定性及其工艺参数进行研究, 逐步实现微波水处理技术的产业化。将微波技术与其他技术相结合处理传统方法难以处理的高浓度COD废水、难降解的有机废水、氨氮废水等。如微波-光催化氧化法等。,31,谢 谢！,
