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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
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,特別對PCBs這類含氯有機物,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)項目中的技術(shù)采用情況
從圖1中可以看出，共有69個項目采用了熱脫附技術(shù)，占到了8%的比例。該報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)項目中：多環(huán)芳烴、其它非鹵代半揮發(fā)性有機物、苯系物、其它非鹵代揮發(fā)性有機物、有機農(nóng)藥和除草劑、其它鹵代半揮發(fā)性有機物、鹵代揮發(fā)性有機物、多氯聯(lián)苯?？梢郧宄乜吹剑瑹崦摳郊夹g(shù)的主要適用范圍是半揮發(fā)性和揮發(fā)性的有機污染物，包括多環(huán)芳烴、有機農(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：
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料和連續(xù)進料情況下石油污染土壤的熱脫附效率。研究表明，間歇式進料情況下，溫度300℃，時間30min，熱脫附效率達到99%以上;連續(xù)式進料情況下，300℃以上，進氣量與進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。目前僅處于實驗室研究階段。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，還能促進一些具體反應(yīng)。在短短幾分鐘之內(nèi)，無機氧化物與其它一些物質(zhì)的混合物可以迅速達到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)苯的實驗結(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 真空強化遠紅線熱脫附技術(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污染物的沸點，在較低的溫度下，就可以實現(xiàn)有機物的脫附。圖2為遠紅外線熱脫附機制示意圖。
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、揮發(fā)性有機物污染土壤的修復(fù)，對沸點高、揮發(fā)性低的有機物污染土壤遠紅外熱脫附修復(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)了一套實驗室層面的真空強化遠紅外熱脫附系統(tǒng)，并對八溴二苯醚等半揮發(fā)性有機物污染土壤進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入處理設(shè)備進行處理，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)超負荷運轉(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，甚至達到水飽和狀態(tài)，從而使相當(dāng)一部分的有機物滯留于水層保護的土層中，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)性污染土壤進行修復(fù)時，通常是對水不飽和土壤進行的。
4.4 系統(tǒng)溫度
加熱污染土壤能促進土壤中有機污染物的清除，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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