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[技术盘点]热脱附去除土壤中有机污染物
  • 发布日期:2017-12-25      浏览次数:1736
    •     热脱附作为一种非燃烧技术,污染物处理范围宽、设备可移动、修复后土壤可再利用,特别是对含氯有机物,非氧化燃烧的处理方式可以避免二噁英的生成,广泛用于有机污染物污染土壤的修复。

         “目前,污染土壤传统热脱附技术为滚筒式热脱附。新兴热脱附技术包括流化床式热脱附、微波热脱附技术和远红外线热脱附。

          到目前为止,欧美等国家有关热脱附修复污染土壤的研究较为深入,国内处于起步阶段。因此,有必要对国内外学者所做的热脱附技术修复污染土壤工作进行总结,以便为我国污染土壤修复领域的工作者提供一定的参考依据,以期推动热脱附技术修复污染土壤的工程化应用。

         1 热脱附技术特点

          热脱附是将污染物从一相转化为另一相的物理分离过程,在修复过程中并不出现对有机污染物的破坏作用。通过控制热脱附系统的温度和污染土壤停留时间有选择的使污染物得以挥发,并不发生氧化、分解等化学反应。

         “热脱附技术具有污染物处理范围宽、设备可移动、修复后土壤可再利用等优点,特别对PCBs这类含氯有机物,非氧化燃烧的处理方式可以显著减少二英生成。

          2 热脱附技术适用性与适用范围

          美国环保署(EPA)发布的《场地清理处理技术:年度状态报告(第12版)》中,给出了在1982~ 2005年美国超级基金所开展的场地修复项目中技术的采用情况,如图1所示。

      图1 超级基金场地修复项目中的技术采用情况

          从图1中可以看出,共有69个项目采用了热脱附技术,占到了8%的比例。该报告中还指出了热脱附技术已被成功用于下列污染物相关的污染场地修复项目中:多环芳烃、其它非卤代半挥发性有机物、苯系物、其它非卤代挥发性有机物、有机农药和除草剂、其它卤代半挥发性有机物、卤代挥发性有机物、多氯联苯。可以清楚地看到,热脱附技术的主要适用范围是半挥发性和挥发性的有机污染物,包括多环芳烃、有机农药和杀虫剂、多环芳烃等。

         3 热脱附技术研究现状

          传统上采用滚筒式热脱附技术。近年来,兴起了微波热脱附和远红外线热脱附。

          3.1 滚筒式热脱附技术

          Chern等研究表明,滚筒式热脱附技术对于去除土壤中的挥发性和半挥发性有机污染物非常有效。温度、停留时间、挥发性、载流气体流速是影响解吸效果的主要参数,温度越高、停留时间越长,则污染物的去除效率越高。加热时间20分钟,温度分别为100、200、150和250℃时, 1-十二烷、1-十六烷、萘、蒽的去除效率达到98%。

          北京建工修复、杭州大地等两家污染土壤修复企业引进了两台国外热脱附设备。清华大学蒋建国教授课题组在国内研发出了滚筒式逆向热脱附技术,开发了国内*台具有自主知识产权的逆向热脱附系统(申请号201010598161.7.)。

          3.2 流化床式热脱附技术

          流化床技术具有优点:

          1)污染土壤在悬浮状态下与流体接触,流-固相界面积大,利于非均相反应。

          2)土壤颗粒在流化床内混合激烈,颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致,床层与内浸换热表面间的传热系数很高,全床热容量大,热稳定性高。

          3)气体与土壤颗粒之间传热、传质速率也较其他接触方式为高。

          4)操作弹性范围高,单位设备生产能力大,设备结构简单、造价低,符合工程化需要。

          Joong Kee Lee等采用流化床热脱附技术修复石油污染土壤。分别考察了间歇式进料和连续进料情况下石油污染土壤的热脱附效率。研究表明,间歇式进料情况下,温度300℃,时间30min,热脱附效率达到99%以上;连续式进料情况下,300℃以上,进气量与进料量的比值对于热脱附效率影响不大。

          3.3微波热脱附技术

          微波热脱附是zui近兴起的一种热脱附技术。不同于一般的常规加热方式,微波辐射能穿透土壤、加热水和有机污染物使其变成蒸汽从土壤中排出,其能量以电磁波的形式传递,具有的转换效率。此法适用于清除挥发和半挥发性成分,并且对极性化合物特别有效。目前仅处于实验室研究阶段。利用微波能量不仅能使反应时间大为减少,在某些情况下,还能促进一些具体反应。在短短几分钟之内,无机氧化物与其它一些物质的混合物可以迅速达到1200-1300℃。因此,可以在一密封系统内利用微波迅速升至高温,将土壤中的多氯联苯之类的氯代有机芳烃分解。利用微波能量热解六氯苯、2,2,5,5-四氯联苯的2,2 ,4,4,5,5 一六氯联苯的实验结果表明,在向土壤中加入Cu2O或Al粉末,并加入浓度为10 mol/L的NaOH溶液后,芳烃分解速率更快。

          从微波修复污染土壤的机理来看,现存的土壤污染物都能够经微薄加热而得以去除,只是去除高低的问题。关键是如何发挥微波德zui大功效将其用于治理和修复污染土壤。这就需要研究其主要影响因素:污染物的介电常数、土壤的理化特性和吸波介质。

          3.4 真空强化远红线热脱附技术

          随着对热脱附技术研究和应用的不断深入,发现传统热脱附技术能耗较高,并且土壤颗粒内部的有机污染物不易脱附出来。这些不足是由于传统热脱附技术均是通过热风直接和污染接触,热量从外到内传递所致。而远红外线加热是从土壤颗粒内部向外加热,直接结果就是颗粒内部的污染物容易脱附,整体热脱附效率较高,同时耗能较低。从物理学角度,在密闭空间内抽真空,可以降低密闭空间体系中土壤有机污染物的沸点,在较低的温度下,就可以实现有机物的脱附。图2为远红外线热脱附机制示意图。

      图2 热风与红外线热脱附传热传质情况对比

          美国、台湾等地研究人员曾利用该技术处理有机物污染土壤,脱附效率在99.99%以上,但多是针对汽油、苯等低沸点、挥发性有机物污染土壤的修复,对沸点高、挥发性低的有机物污染土壤远红外热脱附修复研究甚少。清华大学蒋建国教授课题组在国内开展了该方面的研究,已经开发了一套实验室层面的真空强化远红外热脱附系统,并对八溴二苯醚等半挥发性有机物污染土壤进行了初步热脱附研究,发现效果良好。

         4 热脱附效率影响因素

          4.1 土壤含水率

          水在处理过程中的蒸发也需要燃料,所以过多的水分含量会提高操作费用。另外,水蒸气在尾气处理过程中也要同尾气和解吸下来的污染物一同进入处理设备进行处理,过大的水量会导致产废率较低。

          孙磊等发现热脱附处理五氯酚污染土壤时,在125 ℃情况下,污染土壤中PCP的残留量随含水量的增加(0~0.3~0.6 g˙g-1 )而降低,含水量达到一定程度后,PCP的残留量又随着土壤含水量的增加(0.6~1.2 g˙g-1)而增加。

          4.2 土壤粒径

          细质地土壤采用热脱附技术时,土壤随气流吹出滚筒,尾气处理系统超负荷运转,系统压力增大,降低整个系统的性能。从热传递角度来看,沙质土壤不容易聚集成大的颗粒,与传热介质接触表面积大,易采用热脱附技术。

          4.3 土壤渗透性

          土壤渗透性影响气态化的污染物导出土壤介质的过程,黏土含量高或结构紧实的土壤,渗透性比较低,不适合利用热脱附技术修复污染土壤。在渗透性较差的土层中,通常含水量较高,甚至达到水饱和状态,从而使相当一部分的有机物滞留于水层保护的土层中,不能受到周围流动气流的直接影响。因此,在采用热脱附法对挥发性和半挥发性污染土壤进行修复时,通常是对水不饱和土壤进行的。

          4.4 系统温度

          加热污染土壤能促进土壤中有机污染物的清除,但是温度过高,会对矿物的组成结构造成破坏。Lee j在对汽油污染的土壤进行流动床热脱附的研究中,将土壤的温度由20℃增高到900℃,在这样高的温度下,虽然污染物可以彻底的清除,但是土壤中的水分,甚至土壤中的有机质和土壤矿物中的碳酸盐都会因高温分解而挥发掉。因此,过高温度的加热修复对于环境样品的修复并不可取,在较低温度下,通过延长加热时问也可在一定程度上达到较好的修复效果。

          作者单位为清华大学环境学院。全文刊登在《环境工程》2012年第1期。

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