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熱脫附作為一種非燃燒技術(shù)，污染物處理范圍寬、設(shè)備可移動、修復(fù)后土壤可再利用，特別是對含氯有機(jī)物，非氧化燃燒的處理方式可以避免二噁英的生成，廣泛用于有機(jī)污染物污染土壤的修復(fù)。
“目前，污染土壤傳統(tǒng)熱脫附技術(shù)為滾筒式熱脫附。新興熱脫附技術(shù)包括流化床式熱脫附、微波熱脫附技術(shù)和遠(yuǎn)紅外線熱脫附。
到目前為止，歐美等國家有關(guān)熱脫附修復(fù)污染土壤的研究較為深入，國內(nèi)處于起步階段。因此，有必要對國內(nèi)外學(xué)者所做的熱脫附技術(shù)修復(fù)污染土壤工作進(jìn)行總結(jié)，以便為我國污染土壤修復(fù)領(lǐng)域的工作者提供一定的參考依據(jù)，以期推動熱脫附技術(shù)修復(fù)污染土壤的工程化應(yīng)用。
1 熱脫附技術(shù)特點(diǎn)
熱脫附是將污染物從一相轉(zhuǎn)化為另一相的物理分離過程，在修復(fù)過程中并不出現(xiàn)對有機(jī)污染物的破壞作用。通過控制熱脫附系統(tǒng)的溫度和污染土壤停留時間有選擇的使污染物得以揮發(fā)，并不發(fā)生氧化、分解等化學(xué)反應(yīng)。
“熱脫附技術(shù)具有污染物處理范圍寬、設(shè)備可移動、修復(fù)后土壤可再利用等優(yōu)點(diǎn),特別對PCBs這類含氯有機(jī)物,非氧化燃燒的處理方式可以顯著減少二英生成。
2 熱脫附技術(shù)適用性與適用范圍
美國環(huán)保署(EPA)發(fā)布的《場地清理處理技術(shù)：年度狀態(tài)報(bào)告(第12版)》中，給出了在1982~ 2005年美國超級基金所開展的場地修復(fù)項(xiàng)目中技術(shù)的采用情況，如圖1所示。
圖1 超級基金場地修復(fù)項(xiàng)目中的技術(shù)采用情況
從圖1中可以看出，共有69個項(xiàng)目采用了熱脫附技術(shù)，占到了8%的比例。該報(bào)告中還指出了熱脫附技術(shù)已被成功用于下列污染物相關(guān)的污染場地修復(fù)項(xiàng)目中：多環(huán)芳烴、其它非鹵代半揮發(fā)性有機(jī)物、苯系物、其它非鹵代揮發(fā)性有機(jī)物、有機(jī)農(nóng)藥和除草劑、其它鹵代半揮發(fā)性有機(jī)物、鹵代揮發(fā)性有機(jī)物、多氯聯(lián)苯?？梢郧宄乜吹?，熱脫附技術(shù)的主要適用范圍是半揮發(fā)性和揮發(fā)性的有機(jī)污染物，包括多環(huán)芳烴、有機(jī)農(nóng)藥和殺蟲劑、多環(huán)芳烴等。
3 熱脫附技術(shù)研究現(xiàn)狀
傳統(tǒng)上采用滾筒式熱脫附技術(shù)。近年來，興起了微波熱脫附和遠(yuǎn)紅外線熱脫附。
3.1 滾筒式熱脫附技術(shù)
Chern等研究表明，滾筒式熱脫附技術(shù)對于去除土壤中的揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)污染物非常有效。溫度、停留時間、揮發(fā)性、載流氣體流速是影響解吸效果的主要參數(shù)，溫度越高、停留時間越長，則污染物的去除效率越高。加熱時間20分鐘，溫度分別為100、200、150和250℃時， 1-十二烷、1-十六烷、萘、蒽的去除效率達(dá)到98%。
北京建工修復(fù)、杭州大地等兩家污染土壤修復(fù)企業(yè)引進(jìn)了兩臺國外熱脫附設(shè)備。清華大學(xué)蔣建國教授課題組在國內(nèi)研發(fā)出了滾筒式逆向熱脫附技術(shù)，開發(fā)了國內(nèi)*臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的逆向熱脫附系統(tǒng)(申請?zhí)?01010598161.7.)。
3.2 流化床式熱脫附技術(shù)
流化床技術(shù)具有優(yōu)點(diǎn)：
1)污染土壤在懸浮狀態(tài)下與流體接觸，流-固相界面積大，利于非均相反應(yīng)。
2)土壤顆粒在流化床內(nèi)混合激烈，顆粒在全床內(nèi)的溫度和濃度均勻一致，床層與內(nèi)浸換熱表面間的傳熱系數(shù)很高，全床熱容量大，熱穩(wěn)定性高。
3)氣體與土壤顆粒之間傳熱、傳質(zhì)速率也較其他接觸方式為高。
4)操作彈性范圍高，單位設(shè)備生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、造價低，符合工程化需要。
Joong Kee Lee等采用流化床熱脫附技術(shù)修復(fù)石油污染土壤。分別考察了間歇式進(jìn)料和連續(xù)進(jìn)料情況下石油污染土壤的熱脫附效率。研究表明，間歇式進(jìn)料情況下，溫度300℃，時間30min，熱脫附效率達(dá)到99%以上;連續(xù)式進(jìn)料情況下，300℃以上，進(jìn)氣量與進(jìn)料量的比值對于熱脫附效率影響不大。
3.3微波熱脫附技術(shù)
微波熱脫附是zui近興起的一種熱脫附技術(shù)。不同于一般的常規(guī)加熱方式，微波輻射能穿透土壤、加熱水和有機(jī)污染物使其變成蒸汽從土壤中排出，其能量以電磁波的形式傳遞，具有的轉(zhuǎn)換效率。此法適用于清除揮發(fā)和半揮發(fā)性成分，并且對極性化合物特別有效。目前僅處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。利用微波能量不僅能使反應(yīng)時間大為減少，在某些情況下，還能促進(jìn)一些具體反應(yīng)。在短短幾分鐘之內(nèi)，無機(jī)氧化物與其它一些物質(zhì)的混合物可以迅速達(dá)到1200-1300℃。因此，可以在一密封系統(tǒng)內(nèi)利用微波迅速升至高溫，將土壤中的多氯聯(lián)苯之類的氯代有機(jī)芳烴分解。利用微波能量熱解六氯苯、2,2,5,5-四氯聯(lián)苯的2,2 ,4,4,5,5 一六氯聯(lián)苯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在向土壤中加入Cu2O或Al粉末，并加入濃度為10 mol/L的NaOH溶液后，芳烴分解速率更快。
從微波修復(fù)污染土壤的機(jī)理來看，現(xiàn)存的土壤污染物都能夠經(jīng)微薄加熱而得以去除，只是去除高低的問題。關(guān)鍵是如何發(fā)揮微波德zui大功效將其用于治理和修復(fù)污染土壤。這就需要研究其主要影響因素：污染物的介電常數(shù)、土壤的理化特性和吸波介質(zhì)。
3.4 真空強(qiáng)化遠(yuǎn)紅線熱脫附技術(shù)
隨著對熱脫附技術(shù)研究和應(yīng)用的不斷深入，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)熱脫附技術(shù)能耗較高，并且土壤顆粒內(nèi)部的有機(jī)污染物不易脫附出來。這些不足是由于傳統(tǒng)熱脫附技術(shù)均是通過熱風(fēng)直接和污染接觸，熱量從外到內(nèi)傳遞所致。而遠(yuǎn)紅外線加熱是從土壤顆粒內(nèi)部向外加熱，直接結(jié)果就是顆粒內(nèi)部的污染物容易脫附，整體熱脫附效率較高，同時耗能較低。從物理學(xué)角度，在密閉空間內(nèi)抽真空，可以降低密閉空間體系中土壤有機(jī)污染物的沸點(diǎn)，在較低的溫度下，就可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的脫附。圖2為遠(yuǎn)紅外線熱脫附機(jī)制示意圖。
圖2 熱風(fēng)與紅外線熱脫附傳熱傳質(zhì)情況對比
美國、中國臺灣等地研究人員曾利用該技術(shù)處理有機(jī)物污染土壤，脫附效率在99.99%以上，但多是針對汽油、苯等低沸點(diǎn)、揮發(fā)性有機(jī)物污染土壤的修復(fù)，對沸點(diǎn)高、揮發(fā)性低的有機(jī)物污染土壤遠(yuǎn)紅外熱脫附修復(fù)研究甚少。清華大學(xué)蔣建國教授課題組在國內(nèi)開展了該方面的研究，已經(jīng)開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)室層面的真空強(qiáng)化遠(yuǎn)紅外熱脫附系統(tǒng)，并對八溴二苯醚等半揮發(fā)性有機(jī)物污染土壤進(jìn)行了初步熱脫附研究，發(fā)現(xiàn)效果良好。
4 熱脫附效率影響因素
4.1 土壤含水率
水在處理過程中的蒸發(fā)也需要燃料，所以過多的水分含量會提高操作費(fèi)用。另外，水蒸氣在尾氣處理過程中也要同尾氣和解吸下來的污染物一同進(jìn)入處理設(shè)備進(jìn)行處理，過大的水量會導(dǎo)致產(chǎn)廢率較低。
孫磊等發(fā)現(xiàn)熱脫附處理五氯酚污染土壤時，在125 ℃情況下，污染土壤中PCP的殘留量隨含水量的增加(0～0.3～0.6 g˙g-1 )而降低，含水量達(dá)到一定程度后，PCP的殘留量又隨著土壤含水量的增加(0.6～1.2 g˙g-1)而增加。
4.2 土壤粒徑
細(xì)質(zhì)地土壤采用熱脫附技術(shù)時，土壤隨氣流吹出滾筒，尾氣處理系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)壓力增大，降低整個系統(tǒng)的性能。從熱傳遞角度來看，沙質(zhì)土壤不容易聚集成大的顆粒，與傳熱介質(zhì)接觸表面積大，易采用熱脫附技術(shù)。
4.3 土壤滲透性
土壤滲透性影響氣態(tài)化的污染物導(dǎo)出土壤介質(zhì)的過程，黏土含量高或結(jié)構(gòu)緊實(shí)的土壤，滲透性比較低，不適合利用熱脫附技術(shù)修復(fù)污染土壤。在滲透性較差的土層中，通常含水量較高，甚至達(dá)到水飽和狀態(tài)，從而使相當(dāng)一部分的有機(jī)物滯留于水層保護(hù)的土層中，不能受到周圍流動氣流的直接影響。因此，在采用熱脫附法對揮發(fā)性和半揮發(fā)性污染土壤進(jìn)行修復(fù)時，通常是對水不飽和土壤進(jìn)行的。
4.4 系統(tǒng)溫度
加熱污染土壤能促進(jìn)土壤中有機(jī)污染物的清除，但是溫度過高，會對礦物的組成結(jié)構(gòu)造成破壞。Lee j在對汽油污染的土壤進(jìn)行流動床熱脫附的研究中，將土壤的溫度由20℃增高到900℃，在這樣高的溫度下，雖然污染物可以*的清除，但是土壤中的水分，甚至土壤中的有機(jī)質(zhì)和土壤礦物中的碳酸鹽都會因高溫分解而揮發(fā)掉。因此，過高溫度的加熱修復(fù)對于環(huán)境樣品的修復(fù)并不可取，在較低溫度下，通過延長加熱時問也可在一定程度上達(dá)到較好的修復(fù)效果。
作者單位為清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院。全文刊登在《環(huán)境工程》2012年第1期。
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