微波水处理技术.

微波水处理技术成员：陈欣宇毛斌微波微波是指波长在1mm～1000mm、频率在300MHz～300GHz范围之间的电磁波,因为它的波长与长波、中波与短波相比来说,要“微小”得多,所以它也就得名为“微波“了。微波有着不同于其他波段的重要特点,它自被人类发现以来,就不断地得到发展和应用。19世纪末,人们已经知道了超高频的许多特性,赫兹用火花振荡器得到了微波信号,并对其进行了研究。但赫兹本人并没有想到将这种电磁波用于通信,他的实验仅证实了麦克斯韦的一个预言———电磁波的存在。微波的发展第二次世界大战后,微波技术进一步迅速发展,不仅系统研究了微波技术的传输理论,而且向着多方面的应用发展,并且一直在不断地完善。我国开始研究和利用微波技术是在20世纪70年代初期,首先是在连续微波磁控管的研制方面取得重大进展,特别是大功率磁控管的研制成功,为微波技术的应用提供了先决条件。20世纪80年代,我国开始生产微波炉,到目前为止,已经发展有家用微波炉、工业微波炉等系列产品,产品质量接近或达到世界先进水平。随着科学技术的迅猛发展,微波技术的研究向着更高频段———毫米波段和亚毫米波段发展。微波是一种高频电磁波，波长范围在1mm-1m之间，频率0.3GHz-300GHz。具有许多类似光的特性，比如在空气中以光速沿直线传播，地球同步轨道高度大约36000公里，微波1/8秒即可到达，几乎没有时间延迟。微波武器主要由高功率发射机，大型高增益天线和瞄准，跟踪，控制等系统组成。微波能量密度达到0.01微瓦/平方厘米，-1微瓦/平方厘米时，可使相应波段雷达瘫痪，达到10瓦/平方厘米--100瓦/平方厘米时，可烧毁任何此波段的电子元器件。并且还可以无视防御和装甲直接杀死内部的工作人员。微波武器可用于攻击卫星、弹道导弹，巡航导弹、飞机、舰艇、坦克、通信系统以及雷达、计算机设备，尤其是指挥通信枢钮、作战联络网等重要的信息战的节点和部位。使目标遭受物理性破坏，并丧失作战效能，其破坏的程度达到不能修复的程度。微波在水处理中的应用穿透性选择性加热物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。热惯性小微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度快。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。似光性和似声性非电离性微波的量子能量还不够大，不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键（部分物质除外：如微波可对废弃橡胶进行再生，就是通过微波改变废弃橡胶的分子键）。再有物理学之道，分子原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因而微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件信息性直接辐照法是指把废水直接放在微波场中照射。使用微波辐射技术，建立了邻苯二甲酸二辛醋生产废水处理工艺。在微波辐射功率为5OOW，辐射处理5min的工艺条件下，废水的COD由648mg/L降至70.1mg/L,COD去除率为89.2%，废水的pH对处理效果几乎没有影响。直接辐射法林莉等分别以中等浓度氨氮的焦化生化处理外排水和含高浓度氨氮的焦化蒸氨废水为处理对象，采用微波技术进行脱氮处理研究。结果表明:对于初始浓度为331mg/L的生化外排水，当pH值11时，微波处理3min后氨氮浓度降为6mg/L;对于初始浓度为1350mg/L的高浓度蒸氨废水，当pH值为11时，微波处理5min后氨氮浓度降至54mg/L。该研究为中高浓度氨氮废水处理提供了新思路。SatoshiHorikoshi等采用微波技术降解经Ti02悬浮液光降解后的罗丹明一B染料。由于微波辐照大大加快了反应过程中形成轻基游离基，提高了Ti02的表面活性，从而促进了对罗丹明一B染料的降解效率。活性炭吸附法处理污水中的有机污染物常用的一种方法是活性炭吸附法，但吸附后的活性炭表面有机物却难以处理。研究表明:利用微波加热解吸可消解污水中的有机物。活性炭吸附法是指先将污染物吸附到活性炭表面，然后将活性炭滤出，置于微波场中辐射，使污染物降解，同时使活性炭再生并有利于有机物的消解和回收利用。两种方法有何缺陷呢？具体实例介绍微波技术深度处理焦化废水昆钢煤焦化有限公司安宁分公司硝化-反硝化污水处理系统（A-A-0工艺系统）于2001年10月建成投产，系统处理后的出水挥发酚、氰化物、氨氮等污染物指标均优于国家标准，但出水色度较高，COD平均浓度指标接近国标临界值，未能达到生产回用的水质要求。每年经A-A-0工艺处理外排的焦化废水约为2×106m3，对环境水体造成一定污染。为此，昆钢开发了微波技术处理焦化生化出水工艺系统，处理后的焦化废水全部在昆钢内回用，实现了焦化生产废水“零排放”微波技术处理焦化废水的作用机理物质发生化学反应的前提是分子必须发生有效碰撞和反应物分子具备足够大的能量。由于相互碰撞的分子价电子云之间存在强烈的静电排斥力，只有能量足够大的分子在碰撞时才能以能量足够大的动能克服价电子云之间的排斥力。在微波对其吸波物质穿透振荡时，有效地减少相互碰撞的分子价电子云的静电排斥力，从而克服价电子云之间的排斥力，使原有化学键的断裂和新化学键的形成获得强大的外能量作用。微波可使分子平均能量升高，在所有分子普遍获得能量的基础上，更多的分子成为活性分子，这就增加了活性分子的百分数，使单位时间内有效碰撞次数显著增加。介质通过微波场，可以提高分子碰撞的概率，增加分子的碰撞能量和碰撞时间，改变分子能量的类型和碰撞的方位，从而加快化学反应速度。离子传导机理:离子传导是电磁场中可离解离子的导电移动，离子移动形成电流，由于介质对离子的阻碍而产生热效应。溶液中所有的离子起导电作用，但作用大小与介质中离子的浓度和迁移率有关。因此，离子迁移产生的微波能量损失取决于离子的电荷量、大小和导电性，并受溶液分子与离子之间相互作用的影响。微波的热效应偶极子转动机理:当物质被置于微波场中，物质中的微观粒子可产生四种类型的极化，即电子极化、原子极化、界面极化和偶极转向极化，其中对于物质的加热偶极转向极化起主导作用。微波辐照液体发生化学反应时，由于液体分子内电荷分散于两端，正负电荷的分布不均使液体分子产生瞬间偶极，瞬间偶极影响着液体分子的极性，液体分子的极性又影响着化学反应过程中系统温度的上升程度及速率。当微波辐照反应系统时，溶剂分子吸收微波提供的能量，无规则运动加剧，液体温度随即升高，系统中物质和混合速度和反应速度也因此而加快。微波作用的非热效应机理微波的热效应己被广泛地应用于各个领域，在水处理方面也有颇多实例。但也有研究表明，微波作用有时比起传统的加热方式并没有产生更好的效果在一些化学反应中增加了副反应的发生，而针对某些反应微波起到了明显的加强作用。因此，诸多现象说明微波辐照作用不仅具有众所周知的“热效应”，也存在着鲜为人知的“非热效应”，即微波作用的选择性、不均一的能量效应试验流程微波-Fenton预处理抗生素废水本文对间歇式微波一enton法预处理抗生素废水进行了实验研究，选择了COD和可生化性作为本次实验的主要水质指标，分析了单因素下微波功率、初始pH、反应时间、七水合硫酸亚铁投加量、双氧水投加量和微波辐照时间对COD去除率和可生化性的影响。结果表明，对于COD为22000mg/L的高浓度抗生素废水，采用微波一fenton技术可以使废水COD去除率达到27.33%，可生化性从0.12提高至0.419，废水的可生化性明显升高。微波-活性炭联用对焦化废水中氨氮和COD的同时去除研究采用动态循环系统，反应器中加入一定量活性炭，并保持其中的水量为100mL，进水流量为12mL/min，同时向水中曝气，曝气量为1L/min。原水在反应器中的水力停留时间约为8min，通过溢流的方式出水。待微波处理10min后于取样口开始取样，进行NH3一N和COD浓度的连续测定。对于NH3-N的去除，不加活性炭时去除率可达81．2%，随着活性炭用量的增加处理效果呈下降趋势，其原因主要有两点:一是活性炭浮在废水表面，阻碍了氨气的逸出;二是由于活性炭会暂时性吸附水中的NH3-N，导致NH3-N难以去除试验结果表明:随着微波功率的增加，NH3去除率显著上升，此结果与己有的研究结果一致。同时，COD的去除率也逐渐上升。这是因为随着微波功率的提高，活性炭表面的“热点”数量会相应增加，有利于有机污染物的高温降解。当微波功率为560W时，生化外排水同时脱氮除COD的效果均达到最佳值。选择560W为微波辐射的最佳功率。可见，随着微波辐射时间的延长，水样的NH3—N和COD的去除率逐渐上升，但上升幅度不大。当微波时间为5min时，COD和NH3—N去除率分别达到52.7%和57.6%，再增加微波辐射时间，处理效果相差不大。