一、引言

　　將等離子體用于處理各類污染物具有處理流程短、效率高、適用范圍廣等特點，尤其是對于多氯聯(lián)苯類(PCB)、氟里昂類等難消解含鹵化合物及生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)、農(nóng)藥、醫(yī)院等的特殊廢棄物處理，常規(guī)的燃料熱源技術(shù)的處理效率常不能達(dá)到國際規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)(PCB的消解效率必須大于99.9999%)，并且更高毒性的多氯二苯并二(PCDDs)  與多氯二苯并呋喃(PCDFs)  的二次污染問題日益引起人們的重視。等離子體既可用于處理廢氣又可用于處理廢水、固體廢物、污泥、甚至放射性廢物。本章主要介紹等離子體處理固體危險廢物，如醫(yī)療垃圾等。

　　二、等離子體火炬處理固體廢物的工作原理

　　(一)等離子體的概念

　　等離子體是物質(zhì)存在的第四態(tài)，它是氣體電離后形成的，是由電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體，它具有宏觀尺度內(nèi)的電中性與高導(dǎo)電性。等離子體是極活潑的反應(yīng)性物種，使通常條件下難以進(jìn)行或速度很慢的反應(yīng)變得快速，尤其有利于難消解污染物的處理。

　　在人工生成等離子體的方法中，氣體放電法比加熱的辦法更加簡便高效，諸如熒光燈、霓虹燈、電弧焊、電暈放電等等。圖1是氣體通過加熱或放電形成等離子體的示意圖。

　　圖1 等離子體形成示意圖

　　(二)等離子體的分類

　　按粒子的溫度等離子體可分為兩大類，熱平衡等離子體(或熱等離子體) 與非熱平衡等離子體(或冷等離子體)，如圖2所示。

　　冷等離子體的特征是它的能量密度較低，重粒子溫度接近室溫而電子溫度卻很高，電子與離子有很高的反應(yīng)活性。相對地，熱等離子體的能量密度很高，重粒子溫度與電子溫度相近，通常為10000K  至20000K 的數(shù)量級，各種粒子的反應(yīng)活性都很高，本文后面所提到的等離子體如未特別說明即指熱等離子體。

　　圖2 等離子體的分類

　　(三)等離子體的產(chǎn)生方法

　　熱等離子體的產(chǎn)生方法，它包括大氣壓下電極間的交流(AC)與直流(DC)放電、常壓電感耦合等離子體、常壓微波放電等。下面介紹微波等離子體炬(microwave  plasma torch)：

　　圖3 微波等離子體火炬的工作原理示意圖

　　如圖3是所示，微波等離子體炬(MPT)是一種開放結(jié)構(gòu)的等離子體源，是由金欽漢等于1985年首先提出來，目前實驗室常用的微波源是2.45GHz，MPT炬管是一個直接耦合的同軸波導(dǎo)微波諧振腔，腔內(nèi)存在著固定的電場和磁場分布，而這種特定的能量分布維持了等離子體放電，將一段同軸線一端短路，另一端開路，就構(gòu)成了同軸諧振腔。MPT炬管的內(nèi)管和中管是相連通的終端短路活塞的存在使其成為一個同軸微波諧振腔，同軸諧振腔有三種耦合方式：直接耦合，電容耦合和電感耦合。直接耦合又稱為電導(dǎo)耦合，其方法是在同軸腔外導(dǎo)體上開孔，將同軸傳輸線(天線)的內(nèi)導(dǎo)體直接連接導(dǎo)同軸腔的內(nèi)導(dǎo)體上，MPT炬管就是采用的這種方式。當(dāng)炬管頂端到調(diào)諧活塞端面的距離是λ/4的奇數(shù)倍時(一般為3λ/4)，頂端的電場為最強(qiáng)，就可在頂端形成和維持等離子體。圖4是電子科技大學(xué)高能所的微波等離子體火炬系統(tǒng)，微波的工作頻率為2.45GHz，磁控管產(chǎn)生的微波通過波導(dǎo)系統(tǒng)、三端調(diào)配和短路活塞耦合到同軸傳輸線(天線)，并在離內(nèi)管端口幾厘米的地方形成特定的電磁場分布，從而使空氣等工作氣體電離形成等離子體火炬，圖中的等離子體火炬的火焰長度只要幾厘米，它的主要應(yīng)用是金剛石薄膜、材料的表面改性、化學(xué)分析、納米材料制備、廢物處理等。

　　微波等離子體的參數(shù)：

　　工作頻率： 2450±50MHz 輸出功率： 1.0-2.0kW

　　工作范圍： 100 Torr 至大氣壓 波導(dǎo)接口： BJ-26

　　微波等離子體炬設(shè)備組成：

　　磁控管提供能源 微波能從波導(dǎo)諧振腔引出

　　微波傳輸系統(tǒng) 噴嘴

　　微波等離子體火炬作為處理醫(yī)療垃圾系統(tǒng)可行性還值得進(jìn)一步研究，因為它不僅可以利用等離子體火炬沖擊、分解垃圾，還可以利用微波高效的熱作用進(jìn)行醫(yī)療垃圾的熱解，達(dá)到高效的廢物處理。

　　圖4 微波等離子體炬實物照片

　　二、等離子體技術(shù)在環(huán)境污染物處理上的應(yīng)用

　　(一)等離子體技術(shù)處理廢物的特點

　　利用大功率等離子體處理危險有害的廢棄物和一般的焚燒方式大不一樣，等離子體火炬的中心溫度可高達(dá)攝氏2～3萬度，火炬邊緣溫度也可達(dá)到3千度左右。當(dāng)高溫高壓的等離子體去沖擊被處理的對象時，被處理物的分子、原子將會重新組合而生成新的物質(zhì)，從而使有害物質(zhì)變?yōu)闊o害物質(zhì)，甚至能變?yōu)榭稍倮玫馁Y源。因此等離子體廢物處理是一個廢料分解和再重組過程，它可將有毒有害的有機(jī)、無機(jī)廢物轉(zhuǎn)成有價值的產(chǎn)品。等離子體高溫分解特性是：第一，溫度越高產(chǎn)生的分子的分子量越小;且C/H比越高，炭沉積為煙灰;第二，高溫分解的許多產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)隨溫度降低而降低。炭，氫，氯在300○C左右容易形成致癌物質(zhì)：二氧(雜)芑，呋喃等，由于等離子體在處理廢物時溫度高，不易形成致癌物質(zhì)，所以可以達(dá)到“零排放”。

　　等離子體分解有機(jī)廢物可得到氫氣及一氧化碳，并可通過一個附屬設(shè)備提取。它們可以用作化學(xué)原料去生產(chǎn)其它產(chǎn)品，如聚合物或其他化學(xué)產(chǎn)品。氫氣是十分有價值的商業(yè)氣體，可應(yīng)用在多種制造日用品的工藝中，例如：氨及塑料、藥物、維生素、食油等。它亦可為燃料電池提供能量。燃料電池被廣泛認(rèn)為是未來解決污染問題的潔凈能源。從無機(jī)廢物中得到的可再用的產(chǎn)品包括可用于冶金工業(yè)的合成金屬，可用于建筑及研磨材料的玻璃狀的硅石。

　　幾乎所有廢料均可被等離子體處理并轉(zhuǎn)換成有用的產(chǎn)品。等離子體火炬處理廢物有如下特點：

　　a. 可以處理有毒、有害危險及非危險廢物，包括有機(jī)的、無機(jī)的、氣體、液體及固體。

　　b. 能夠完全地、安全地將有毒廢料轉(zhuǎn)化成無毒且有使用價值的產(chǎn)品。

　　c. 符合最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，減容率高。

　　許多有毒有害的物質(zhì)是不能焚燒的，例如PCBs、農(nóng)藥、殺蟲劑等等，而使用等離子系統(tǒng)則可以安全地處理并且可以隨時起動和停機(jī)，而等離子設(shè)備的減容量非常高，其它處理設(shè)備做不到的。正因為如此，用電量方面較多，這是造成運行成本較高的主要原因，因焚燒爐的減容量最大90%，以處理量1000噸/日為例，每天要有100噸的含有重金屬的底灰須填埋或再經(jīng)等離子系統(tǒng)處理(日本就專為焚燒爐的底灰處理購置了等離子系統(tǒng))。

　　存在的問題：

　　由于設(shè)備的特殊性，其制造成本較高，用電運營成本高。但如在大規(guī)模運營中可以收回氫氣，這是當(dāng)今和今后最需要的清潔能源，而且價值很高。下面三式是等離子體處理廢物時的主要反應(yīng)式。

　　2C+O2=2CO+58.86kcal/mol

　　C+H2O=CO+H2-28.36kcal/mol

　　CO+H2O=CO2+H2+10.41kcal/mol

　　(二)等離子體火炬處理固體廢物的應(yīng)用

　　等離子體火炬，尤其是電弧等離子體火炬在醫(yī)療垃圾的應(yīng)用已經(jīng)開始，美國、日本、加拿大等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)進(jìn)行等離子體處理廢物的研制和商品化進(jìn)程已經(jīng)進(jìn)行幾年時間，并已經(jīng)開始了商品化應(yīng)用。

　　下面是微波等離子體火炬處理固體廢物的應(yīng)用設(shè)想，利用它可處理:城市固態(tài)垃圾、淤泥、工業(yè)固廢以及液態(tài)有機(jī)垃圾等。等離子體分解有機(jī)廢物可得到氫氣及一氧化碳，并可通過一個附屬設(shè)備提取。它們可以用作化學(xué)原料去生產(chǎn)其它產(chǎn)品，如聚合物或其他化學(xué)產(chǎn)品。氫氣是十分有價

　　圖5 等離子體處理廢物的系統(tǒng)框圖

　　值的商業(yè)氣體，可應(yīng)用在多種制造日用品的工藝中，例如：氨及塑料、藥物、維生素、食油等。它亦可為燃料電池提供能量。燃料電池被廣泛認(rèn)為是未來解決污染問題的潔凈能源。從無機(jī)廢物中得到的可再用的產(chǎn)品包括可用于冶金工業(yè)的合成金屬，可用于建筑及研磨材料的玻璃狀的硅石。

　　圖5是等離子體處理廢物的流程示意圖，在等離子體熱處理系統(tǒng)中，主要設(shè)備是兩臺等離子體火炬，即第一氣化室和第二氣化室。

　　在處理廢物時，垃圾首先被切碎并注入第一氣化器(如圖5所示等離子體熱處理系統(tǒng))。工作溫度在1800-1900K，300KW。減容比高：90%甚至95%以上。產(chǎn)生的等離子體火炬可以很快使有機(jī)物分解成一氧化碳和氫，無機(jī)物則變?yōu)椴Ａ畹墓枋?/span>

　　第二氣化室(圖5中的加力燃燒室)等離子體火炬可對第一氣化室中合成氣體中的一些殘留微粒和一些碳?xì)浠衔镌龠M(jìn)一步進(jìn)行分解處理。

　　通過第二氣化室處理后的混合氣體經(jīng)過凈化系統(tǒng)后，成為只含H2和CO的混合氣體，加力燃燒室在1000○C溫度環(huán)境下對H2和CO的混合氣體進(jìn)一步進(jìn)行處理，以確保無有害的混合物產(chǎn)生，比如二氧芑和呋喃等，最后排放到空氣中。當(dāng)然也可以取消加力燃燒室而利用這些混合氣體去驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。

　　在第一氣化器中垃圾的無機(jī)物部分熔化成玻璃狀的無污染的爐渣如圖6，爐渣可安全用于建筑材料，根據(jù)不同的用途，爐渣可復(fù)原為各種形式。

　　圖6 第一氣化室處理后的玻璃化爐渣

　　三、等離子體處理廢物的前景

　　與其他有競爭力的廢物處理過程相比，熱等離子體處理廢物比較昂貴。而在一些特殊類型的有毒廢物處理問題上熱等離子體處理具有獨特的優(yōu)勢，因此等離子體主要用于焚燒爐難于處理的廢物，包括被污染的陶瓷廢物、高熔點金屬、需要治理的含有毒揮發(fā)成分的廢氣等。

　　等離子體進(jìn)行廢物處理的主要缺點在于以電力作為能源，經(jīng)濟(jì)成本高。此外，與傳統(tǒng)廢物處理方式相比，等離子體過程具有更多的過程控制參數(shù)，從而在過程控制中要求自動化程度很高?？磥韺τ谶@種大規(guī)模的設(shè)備仍然缺乏一個堅實的工程基礎(chǔ)。