核輻射技術(shù)在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用

1、 核輻射技術(shù)在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用 摘要 本文首先介紹了核輻射技術(shù)的基本概念，然后討論了電子束輻照和射線輻照在工業(yè)廢水，廢氣及於渣處理的機(jī)理及其應(yīng)用，說(shuō)明了輻射技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中具有其它技術(shù)和方法不可替代的作用，指出了輻射技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中存在的問(wèn)題和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞 環(huán)境保護(hù) 核輻射技術(shù) 環(huán)境污染治理 射線 電子束 正文 核輻射是原子核從一種結(jié)構(gòu)或一種能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)或另一種能量狀態(tài)過(guò)程中所釋放出來(lái)的微觀粒子流。核輻射可以使物質(zhì)引起電離或激發(fā)，故稱為電離輻射。電離輻射又分直接致電離輻射和間接致電離輻射。直接致電離輻射包括質(zhì)子等帶電粒子。間接致電離輻射包括光子、中子等不帶電粒子。核輻射主要

2、是、三種射線：射線是氦核，射線是電子，這兩種射線由于穿透力小，影響距離比較近，只要輻射源不進(jìn)入體內(nèi)，影響不會(huì)太大。射線的穿透力很強(qiáng)，是一種波長(zhǎng)很短的電磁波。 污染物的輻射處理方法是利用射線及快速電子對(duì)環(huán)境污染物進(jìn)行輻照。輻照時(shí)體系可產(chǎn)生物理化學(xué)效應(yīng)，化學(xué)效應(yīng)及生物學(xué)效應(yīng)等。核輻射技術(shù)在處理環(huán)境污染物應(yīng)用面廣，可用高能射線對(duì)燃燒廢氣、生活污水和工業(yè)廢水消化污水及固體廢物等進(jìn)行處理都已取得良好效果。輻射能有效地的降解三廢中的有機(jī)物；殺死廢物中的有害病毒，有害微生物；提高污泥的沉降和過(guò)濾性能；節(jié)省大量能源。輻射不會(huì)帶來(lái)二次污染，安全可靠，特別對(duì)于那些常規(guī)方法難以處理的污染物具有重要意義。一、核輻射技

3、術(shù)在治理環(huán)境廢水中的應(yīng)用 廢水處理主要有下面的四個(gè)方面：1降低廢水中的生化需氧量f BOD)和化學(xué)需氧量(COD)o2使廢水更穩(wěn)定，使難以降解的化合物轉(zhuǎn)變成比較容易被生物或化學(xué)氧化的形式降解。3消滅廢水中的病菌，病毒及有害微生物，設(shè)法破壞有毒化合物。4改善廢水中固體成分(污泥)的處理和運(yùn)輸。用輻射方法可以完全解決上面的問(wèn)題，達(dá)到治理環(huán)境污染的目的。 采用射線或者加速電子對(duì)污染物進(jìn)行處理時(shí)，一方面，高能射線可以與污染物直接作用，引起它們分解和改性；另一方面，高能射線可以與介質(zhì)(水和空氣)發(fā)生作用產(chǎn)生一系列的自由基、離子、水合電子及離子基等，這些粒子具有相當(dāng)高的活性，能與污染物發(fā)生氧化或還原作用造

4、成有機(jī)物的降解。通常情況，在高能射線輻照下，純水會(huì)發(fā)生如下反應(yīng) 注：式中括號(hào)內(nèi)是G值，它的定義是每吸收1000V射線能量所生成產(chǎn)物的分子數(shù)另外， 通過(guò)改變輻照反應(yīng)體系和條件 ( 如氧氣濃度、 p H、微量添加物等) ，可控制主要輻照產(chǎn)物的產(chǎn)額，繼而使反應(yīng)朝著所需的方向進(jìn)行。 對(duì)于廢水中的有機(jī)污染物的降解反應(yīng)一般以氧化反應(yīng)為主，保持較高的氧氣含量，可有效提高氧化性自由基( 如 OH? ) 的產(chǎn)額，同時(shí)抑制還原性物質(zhì)( 如 H?、e) 的產(chǎn)生。 Pi k a e v等利用 射線對(duì)含酚廢水進(jìn)行處理試驗(yàn)，考察了氧氣 輻照劑量率(單位時(shí)間中的輻照劑量 ) 等參數(shù)的影響。結(jié)果表明，廢水中含有氧氣時(shí)，酚的分

5、解率可大大加快，酚分解的產(chǎn)額 G也大幅度提高；另外酚分解的產(chǎn)額G隨輻照劑量率的增大而減小。 Ha s h i mo t o等研究了電子柬對(duì)工業(yè)含蒽醌染料廢水進(jìn)行輻照脫色、降解處理 。 結(jié)果表明，芳香環(huán)的脫色 、降解程度隨氧含量增加而增加，而氧含量達(dá) 2 5 時(shí)，其脫色效果與用純氧鼓泡體系幾乎相同。 此外，研究還表明染料脫色、降解效果與染料自身性質(zhì) 有關(guān)， 輻照劑量相差 2個(gè)數(shù)量級(jí)， 一般在 1 0 Gy以上。 P i k a e o等還曾用 射線對(duì)含氰廢水進(jìn)行處理，研究了輻照劑量率、氧濃度 、氰化物濃度等因素的影響，得出在靜態(tài)條件及流動(dòng)體系中，約2 k Gy的輻照劑量可使?jié)舛?為 2 6 mg

6、 L的含氰廢水中的氰完全分解。殷敬文等曾研究不同劑量、不同 CN 濃度下氰化物的分解及其分解產(chǎn)物，結(jié)果表明，在稀水溶液中CN 的輻解是由輻射的間接效應(yīng)引起的，他們還進(jìn)一步研究了水中雜物存在時(shí)對(duì) CN分解效果的影響。 輻射技術(shù)還可用于含重金屬離子廢水的處理 ，S c h me l l i n g I 、 Ma h n a z等分別利用電子束和射線對(duì)含 Pb 和 Hg的廢水進(jìn)行處理 。 研究表明， 金屬離子在輻照產(chǎn)生的水合電子和氫原子作用下，可被還原為低價(jià)或單質(zhì)金屬，并從溶液中沉淀出來(lái)。 因此， 在 此情況下， 輻射反應(yīng)以還原反應(yīng)為主， 通過(guò)限制氧氣 含量而降低 OH的產(chǎn)額， 提高 H和 e 。的

7、產(chǎn) 生量，同 時(shí)使用乙醇作為?OH 自由基的消除劑，以阻止金屬 被重新氧化。 當(dāng)使用劑量為3 k Gy時(shí)，濃度為0O 01 mg L 的Hg可完全去除； 而 0 0 01 mg L的 P b則較難去除，當(dāng)輻照劑量為4 0 k Gy時(shí)其去除率只有 9 6 。 然而，對(duì)于大部分工業(yè)廢水而言，單純依靠輻射處理所需的輻射劑量過(guò)高。 因此， 將該技術(shù)與常規(guī)水處理技術(shù)結(jié)合使用才具有更大的可行性。Sa k u mo t o 等研究認(rèn)為，輻射結(jié)合臭氧化處理含酚廢水可使去除率上升所需輻照劑量下降，兩者具有明顯協(xié)同效應(yīng)。還有人將常規(guī)吸附方法與輻射技術(shù)結(jié)合起來(lái)處理難降解廢水，利用輻射降解作用來(lái)對(duì)使用過(guò)的吸附劑進(jìn)行再

8、生，達(dá)到了較好的效果。 二、核輻射技術(shù)在治理固體廢物中的應(yīng)用 由于輻射技術(shù)具有優(yōu)良的殺菌效果，因此在港口糞便、醫(yī)院廢棄物、 城市垃圾和污泥消毒處理方面是最有效的方法之一。 甚至有人認(rèn)為輻射技術(shù)結(jié)合 其他技術(shù)如堆肥化、化學(xué)改性等對(duì)固體廢棄物進(jìn)行綜合改性是解決城市垃圾、污泥等固體廢棄物的最好出路。 醫(yī)療廢物和國(guó)際空港、海港的垃圾是產(chǎn)生量大且難處理的兩大類固體廢棄物。醫(yī)療廢物即從醫(yī)院、醫(yī)療中心和診所的醫(yī)療服務(wù)中產(chǎn)生的臨床廢物，包括手術(shù)、包扎殘余物、生培養(yǎng)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)殘余物、傳染性廢物、廢水處理污泥等。這些廢物除含有大量的致病菌、病外，還含有化學(xué)藥品甚至重金屬化合物，還有大約20%的塑料（比如聚乙烯、聚

9、丙烯、聚氯乙烯等）。如果燃燒，會(huì)產(chǎn)生有毒氣體產(chǎn)物。為了防止在處理這種廢物時(shí)有傳染疾病的危險(xiǎn)，可通過(guò)輻照對(duì)醫(yī)療廢物進(jìn)行消毒。 國(guó)際空港和海港的垃圾含有大量的食物碎屑、塑料、纖維素等成分，可能存在潛在的動(dòng)物傳染病病原體，國(guó)際廢物消毒的一種可能替代方法是采用輻射技術(shù)。輻照裝置可以設(shè)在空港區(qū)內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)和連續(xù)地工作，也可以由同一個(gè)輻照設(shè)施處理生物醫(yī)學(xué)廢物和港口垃圾，這種概念設(shè)計(jì)既可靠又經(jīng)濟(jì)，能夠滿足清潔環(huán)境的現(xiàn)代要求。 污泥是廢水處理過(guò)程中不可避免的副產(chǎn)物，最普通的廢水處理步驟是隔篩過(guò)濾、初級(jí)沉淀、生物處理、二級(jí)沉淀和殺菌。在生物處理前后的沉淀過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生污水污泥。污泥的產(chǎn)生量已經(jīng)達(dá)到了警戒水平，據(jù)估

10、計(jì)每人每年大約產(chǎn)生 26 kg （干重）污泥。城市污泥有較高含量的水分、有機(jī)污染物和病原體，還含有相當(dāng)濃度的重金屬。污水污泥的適當(dāng)處理和處置是環(huán)境保護(hù)的重要部分。污泥中含有大量的能量與生物價(jià)值，是優(yōu)良的農(nóng)田肥料和土壤改良劑。但由于含有大量病原體而不能直接利用。堆肥化、巴氏消毒或化學(xué)處理等常規(guī)的方法處理效果均不十分理想，難于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。輻射技術(shù)可以克服常用處理方法的缺點(diǎn)，輻射處理過(guò)的污水沉積物得到的肥料與以污水熱處理法得到的肥料十分相似，但是各種原始水樣在沉積時(shí)形成的淤泥的體積比運(yùn)到消毒工廠的污水體積要小12 個(gè)數(shù)量級(jí)， 因此需要非常低的輻射功率。輻射技術(shù)是目前國(guó)際上普遍認(rèn)為很有前途的污泥處理方

11、法， 放射源和電子束輻照均可用于污泥的處理。輻射處理污泥的優(yōu)點(diǎn)是：能殺死污泥中的病菌和病毒，消毒效果比熱處理可靠；不破壞污泥中的有機(jī)氮化物，不會(huì)減少污泥的肥力和產(chǎn)生難聞臭味（巴氏熱處理法中氮損失較多，污泥的肥力下降）； 能防止污泥中的雜草種子發(fā)芽， 但不會(huì)影響正常種子的發(fā)芽；處理溫度較低（2530 ），減少對(duì)工廠設(shè)備的腐蝕； 可以氧化有毒的和危險(xiǎn)的有機(jī)污染物（如殺蟲(chóng)劑、除草劑、多氯聯(lián)苯等），把難于生物降解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為容易降解的化合物；輻照后的污泥具有良好的脫水性能，可省去化學(xué)絮凝劑和一些相應(yīng)的設(shè)備；污泥經(jīng)輻照滅菌后，可作為肥料直接在農(nóng)田使用。 俄羅斯物理動(dòng)力研究所設(shè)計(jì)出一種利用快中子反應(yīng)堆處理

12、生活和工業(yè)垃圾的新技術(shù)，可以從垃圾處理中得到金屬、建筑材料、化工產(chǎn)品、電力和熱力。該技術(shù)是通過(guò)在包有不銹鋼雙層外殼的核反應(yīng)堆中加砌一個(gè)燒垃圾的爐子來(lái)實(shí)現(xiàn)。在爐中要不斷加入少量的煤來(lái)保爐內(nèi)高溫，爐溫可以達(dá)到 1500，此溫度下所有的垃圾都會(huì)被汽化。向爐子中定期裝入生活和工業(yè)垃圾，垃圾掉入吹氧的高溫渣缸中，易燃部分迅速汽化和燃燒，礦物質(zhì)部分在渣中熔化，金屬由于密度較大在熔化后沉入底部。將金屬定期鑄成鑄件用于加工金屬制品；爐渣用于加工建筑材料；爐子及爐內(nèi)高溫氣體由反應(yīng)堆的不銹鋼雙層外殼之間循環(huán)的液體鈉來(lái)冷卻，升溫后的液體鈉（高達(dá)500 ）可為驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)的蒸汽發(fā)生器供熱。試驗(yàn)表明這套裝置可處理生活

13、和工業(yè)垃圾2×104t/a，發(fā)電功率為5 kW/a，能夠?qū)崿F(xiàn)自給有余。 三、核輻射技術(shù)在治理大氣污染物中的應(yīng)用 輻射處理是去除廢氣中的NOX 和 SO2 的最有效方法 ,用時(shí)還得到了有用的肥料。在輻射過(guò)程中 ,空氣中的氧和水分被分離生成 O、 OH、 HO2 等氧化能力很強(qiáng)的活性粒子。這些粒子與 SO2、 NOX 發(fā)生反應(yīng) ,生成硫酸和硝酸,被收集器收集起來(lái)。如果在反應(yīng)過(guò)程加入少量的氨 ,不僅可以提高廢氣去除率 ,還得到了硫酸銨和硝酸銨的復(fù)鹽 ,是有用的肥料。對(duì)于煙道氣凈化 ,入射電子束的能量大部分被煙道氣中的主要成分 N2、 O2、 H2O、 CO2、 SO2、 NOX 等基質(zhì)氣體

14、吸收 ,導(dǎo)致母體分子電離和破碎 ,形成活性物質(zhì) ,如:OH-、O2 -、 NH-2 等自由基 ,有水時(shí)可使 SO2 和 NOX 分別氧化生成 H2 SO4 和 HNO3。輻照前在煙道氣中預(yù)先加入化學(xué)計(jì)量的氨 ,使酸轉(zhuǎn)化為粉末狀的氨鹽 ,由于這些氨鹽以固體顆粒形式存在 可以通過(guò)靜電沉降等方法收集起來(lái)。多級(jí)輻射可以獲得更高的去除效率。電子束干法除塵( EDBS)凈化煙道氣技術(shù) ,不僅可以同時(shí)去除 SO2、NOX ,還可以清除其他污染物 ,其最產(chǎn)物能用作化肥 ,不產(chǎn)生需要處理的泥漿和沉渣 ,因而不會(huì)產(chǎn)生污染物的處置問(wèn)題。電子束輻照技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn): (1)同時(shí)去除SO2 和 NOX ,清除效率高;

15、(2)由于是干法處理技術(shù) ,無(wú)需廢水處理; (3)反應(yīng)生成可利用的副產(chǎn)品; (4)無(wú)需催化劑; (5)比傳統(tǒng)方法更經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)是:電能需求大 ,電子束劑量需求高 ,輻照后氣溶膠的過(guò)濾等。另外,電子束輻照方法能有效凈化其他工業(yè)廢氣 ,如:易揮發(fā)的有機(jī)物(VOCS) ,汽車(chē)尾氣 ,有氣味、有毒的氣體及焚燒爐的廢氣等。當(dāng)然 ,電子束處理污染廢氣的技術(shù)涉及到許多不同的物理化學(xué)機(jī)制,如:能量吸收 ,氣相反應(yīng) ,顆粒形成 ,氣固相的相互影響等。綜上所述 核輻射技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用已顯示了巨大的潛力， 可用于廢氣、廢水、固體廢棄物以及環(huán)境難降解有毒有機(jī)物的處理，并顯示出了卓越的應(yīng)用前景。 高能電子束的可控性

16、好，反應(yīng)速率快較適于處理流量較大的廢氣污染，并已在國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，仍需解決的問(wèn)題主要是電子加速器本身的造價(jià)和耐久性。而射線的穿透能力較強(qiáng)，適合于處理密度和厚度較大的介質(zhì)，可方便地實(shí)現(xiàn)廢水和固體廢棄物等的降解。射線推廣應(yīng)用的主要問(wèn)題在于源室的 造價(jià) 較高和輻射劑量較低，從而使反應(yīng)時(shí)間偏 長(zhǎng)，難以進(jìn)行大批量處理 。 然而對(duì)于常規(guī)方法難以處理的難降解有毒物質(zhì)，采用輻射處理方法，具有較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。此外，在輻射處理過(guò)程中，為了降低所需的輻射劑量，應(yīng)當(dāng)采取與其他常規(guī)技術(shù)如催化技術(shù)、敏化技術(shù)等相結(jié)合的方法。 近幾十年來(lái)，核科學(xué)技術(shù)在環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用已經(jīng)取得可觀的效果，在環(huán)境監(jiān)測(cè) 、三廢

17、治理等方面均面臨巨大的機(jī)遇 但是與其他技術(shù)相比，也存在成本昂貴 技術(shù)復(fù)雜 需要依賴型設(shè)備 工業(yè)化推廣困難等缺點(diǎn)，同時(shí)與環(huán)境學(xué)科交叉的深度和廣度不夠，很難獨(dú)擋一面，更難占有不可替代的位置 針對(duì)這一實(shí)際情況，必須深入分析，研討對(duì)策，確定核技術(shù)在環(huán)境科學(xué)中的現(xiàn)實(shí)發(fā)展戰(zhàn)略 相信核技術(shù)在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用將日趨繁榮，有著廣闊的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)【1】 吳明紅，包伯榮輻射技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用【M】北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.13【2】包伯榮, 吳明紅, 羅文蕓, 等.輻射技術(shù)在廢水及污泥處理中的應(yīng)用【J】. 核技術(shù), 1996,12(19): 759 - 765.【3】張艷君. 輻照技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的

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