核輻射技術在環境污染治理中的應用

2023-02-13 20:21:49 admin

核輻射技術在環境污染治理中的應用

摘要

本文首先介紹了核輻射技術的基本概念，然后討論了電子束輻照和γ射線輻照在工業廢水，廢氣及於渣處理的機理及其應用，說明了輻射技術在環境保護中具有其它技術和方法不可替代的作用，指出了輻射技術在環境保護中存在的問題和發展方向。

關鍵詞

環境保護核輻射技術環境污染治理 γ射線電子束

正文

核輻射是原子核從一種結構或一種能量狀態轉變為另一種結構或另一種能量狀態過程中所釋放出來的微觀粒子流。核輻射可以使物質引起電離或激發，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。核輻射主要是α、β、γ三種射線：α射線是氦核，β射線是電子，這兩種射線由于穿透力小，影響距離比較近，只要輻射源不進入體內，影響不會太大。γ射線的穿透力很強，是一種波長很短的電磁波。

污染物的輻射處理方法是利用γ射線及快速電子對環境污染物進行輻照。輻照時體系可產生物理化學效應，化學效應及生物學效應等。核輻射技術在處理環境污染物應用面廣，可用高能射線對燃燒廢氣、生活污水和工業廢水消化污水及固體廢物等進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濾性能；節省大量能源。輻射不會帶來二次污染，安全可靠，特別對于那些常規方法難以處理的污染物具有重要意義。

一、核輻射技術在治理環境廢水中的應用

廢水處理主要有下面的四個方面：

1．降低廢水中的生化需氧量f BOD)和化學需氧量(COD)o

2．使廢水更穩定，使難以降解的化合物轉變成比較容易被生物或化學氧化的形式降解。

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)的處理和運輸。

用輻射方法可以完全解決上面的問題，達到治理環境污染的目的。

采用γ射線或者加速電子對污染物進行處理時，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(水和空氣)發生作用產生一系列的自由基、離子、水合電子及離子基等，這些粒子具有相當高的活性，能與污染物發生氧化或還原作用造成有機物的降解。通常情況，在高能射線輻照下，純水會發生如下反應

注：式中括號內是G值，它的定義是每吸收1000V射線能量所生成產物的分子數

另外，通過改變輻照反應體系和條件 ( 如氧氣濃度、 p H、微量添加物等) ，可控制主要輻照產物的產額，繼而使反應朝著所需的方向進行。

對于廢水中的有機污染物的降解反應一般以氧化反應為主，保持較高的氧氣含量，可有效提高氧化性自由基( 如 OH? ) 的產額，同時抑制還原性物質( 如 H?、e) 的產生。 Pi k a e v等利用 γ射線對含酚廢水進行處理試驗，考察了氧氣輻照劑量率(單位時間中的輻照劑量 ) 等參數的影響。結果表明，廢水中含有氧氣時，酚的分解率可大大加快，酚分解的產額 G也大幅度提高；另外酚分解的產額G隨輻照劑量率的增大而減小。

Ha s h i mo t o等研究了電子柬對工業含蒽醌染料廢水進行輻照脫色、降解處理。結果表明，芳香環的脫色、降解程度隨氧含量增加而增加，而氧含量達 2 5 ％時，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有關，輻照劑量相差 2個數量級，一般在 1 0 Gy以上。

P i k a e o等還曾用 γ射線對含氰廢水進行處理，研究了輻照劑量率、氧濃度、氰化物濃度等因素的影響，得出在靜態條件及流動體系中，約2 k Gy的輻照劑量可使濃度為 2 6 mg ／ 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物，結果表明，在稀水溶液中CN 的輻解是由輻射的間接效應引起的，他們還進一步研究了水中雜物存在時對 CN分解效果的影響。

輻射技術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γ射線對含 Pb 和 Hg的廢水進行處理。研究表明，金屬離子在輻照產生的水合電子和氫原子作用下，可被還原為低價或單質金屬，并從溶液中沉淀出來。因此，在此情況下，輻射反應以還原反應為主，通過限制氧氣含量而降低 OH的產額，提高 H和 e 。的產生量，同時使用乙醇作為?OH 自由基的消除劑，以阻止金屬被重新氧化。當使用劑量為3 k Gy時，濃度為0．O 01 mg ／ L 的Hg可完全去除；而 0 ． 0 01 mg ／ L的 P b則較難去除，當輻照劑量為4 0 k Gy時其去除率只有 9 6 ％。

然而，對于大部分工業廢水而言，單純依靠輻射處理所需的輻射劑量過高。因此，將該技術與常規水處理技術結合使用才具有更大的可行性。Sa k u mo t o 等研究認為，輻射結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，兩者具有明顯協同效應。還有人將常規吸附方法與輻射技術結合起來處理難降解廢水，利用輻射降解作用來對使用過的吸附劑進行再生，達到了較好的效果。

二、核輻射技術在治理固體廢物中的應用

由于輻射技術具有優良的殺菌效果，因此在港口糞便、醫院廢棄物、城市垃圾和污泥消毒處理方面是最有效的方法之一。甚至有人認為輻射技術結合其他技術如堆肥化、化學改性等對固體廢棄物進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。

醫療廢物和國際空港、海港的垃圾是產生量大且難處理的兩大類固體廢棄物。醫療廢物即從醫院、醫療中心和診所的醫療服務中產生的臨床廢物，包括手術、包扎殘余物、生培養、動物實驗殘余物、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，還含有化學藥品甚至重金屬化合物，還有大約20%的塑料（比如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等）。如果燃燒，會產生有毒氣體產物。為了防止在處理這種廢物時有傳染疾病的危險，可通過輻照對醫療廢物進行消毒。國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，可能存在潛在的動物傳染病病原體，國際廢物消毒的一種可能替代方法是采用輻射技術。輻照裝置可以設在空港區內進行自動和連續地工作，也可以由同一個輻照設施處理生物醫學廢物和港口垃圾，這種概念設計既可靠又經濟，能夠滿足清潔環境的現代要求。

污泥是廢水處理過程中不可避免的副產物，最普通的廢水處理步驟是隔篩過濾、初級沉淀、生物處理、二級沉淀和殺菌。在生物處理前后的沉淀過程中都會產生污水污泥。污泥的產生量已經達到了警戒水平，據估計每人每年大約產生 26 kg （干重）污泥。城市污泥有較高含量的水分、有機污染物和病原體，還含有相當濃度的重金屬。污水污泥的適當處理和處置是環境保護的重要部分。污泥中含有大量的能量與生物價值，是優良的農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、巴氏消毒或化學處理等常規的方法處理效果均不十分理想，難于實現工業化。輻射技術可以克服常用處理方法的缺點，輻射處理過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形成的淤泥的體積比運到消毒工廠的污水體積要小1～2 個數量級，因此需要非常低的輻射功率。輻射技術是目前國際上普遍認為很有前途的污泥處理方法，γ 放射源和電子束輻照均可用于污泥的處理。輻射處理污泥的優點是：①能殺死污泥中的病菌和病毒，消毒效果比熱處理可靠；②不破壞污泥中的有機氮化物，不會減少污泥的肥力和產生難聞臭味（巴氏熱處理法中氮損失較多，污泥的肥力下降）； ③能防止污泥中的雜草種子發芽，但不會影響正常種子的發芽；④處理溫度較低（25～30 ℃），減少對工廠設備的腐蝕； ⑤可以氧化有毒的和危險的有機污染物（如殺蟲劑、除草劑、多氯聯苯等），把難于生物降解的物質轉化為容易降解的化合物；⑥輻照后的污泥具有良好的脫水性能，可省去化學絮凝劑和一些相應的設備；⑦污泥經輻照滅菌后，可作為肥料直接在農田使用。

俄羅斯物理動力研究所設計出一種利用快中子反應堆處理生活和工業垃圾的新技術，可以從垃圾處理中得到金屬、建筑材料、化工產品、電力和熱力。該技術是通過在包有不銹鋼雙層外殼的核反應堆中加砌一個燒垃圾的爐子來實現。在爐中要不斷加入少量的煤來保爐內高溫，爐溫可以達到 1500℃，此溫度下所有的垃圾都會被汽化。向爐子中定期裝入生活和工業垃圾，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；爐子及爐內高溫氣體由反應堆的不銹鋼雙層外殼之間循環的液體鈉來冷卻，升溫后的液體鈉（高達500 ℃）可為驅動汽輪發電機的蒸汽發生器供熱。試驗表明這套裝置可處理生活和工業垃圾2×104t/a，發電功率為5 kW/a，能夠實現自給有余。

三、核輻射技術在治理大氣污染物中的應用

輻射處理是去除廢氣中的NOX 和 SO2 的最有效方法 ,用時還得到了有用的肥料。在輻射過程中 ,空氣中的氧和水分被分離生成 O、 OH、 HO2 等氧化能力很強的活性粒子。這些粒子與 SO2、 NOX 發生反應 ,生成硫酸和硝酸,被收集器收集起來。如果在反應過程加入少量的氨 ,不僅可以提高廢氣去除率 ,還得到了硫酸銨和硝酸銨的復鹽 ,是有用的肥料。對于煙道氣凈化 ,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 等基質氣體吸收 ,導致母體分子電離和破碎 ,形成活性物質 ,如:OH-、O2 -、 NH-2 等自由基 ,有水時可使 SO2 和 NOX 分別氧化生成 H2 SO4 和 HNO3。輻照前在煙道氣中預先加入化學計量的氨 ,使酸轉化為粉末狀的氨鹽 ,由于這些氨鹽以固體顆粒形式存在可以通過靜電沉降等方法收集起來。多級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 ,不僅可以同時去除 SO2、NOX ,還可以清除其他污染物 ,其最產

物能用作化肥 ,不產生需要處理的泥漿和沉渣 ,因而不會產生污染物的處置問題。電子束輻照技術具有以下優點: (1)同時去除SO2 和 NOX ,清除效率高; (2)由于是干法處理技術 ,無需廢水處理; (3)反應生成可利用的副產品; (4)無需催化劑; (5)比傳統方法更經濟。缺點是:電能需求大 ,電子束劑量需求高 ,輻照后氣溶膠的過濾等。另外,電子束輻照方法能有效凈化其他工業廢氣 ,如:易揮發的有機物(VOCS) ,汽車尾氣 ,有氣味、有毒的氣體及焚燒爐的廢氣等。當然 ,電子束處理污染廢氣的技術涉及到許多不同的物理化學機制,如:能量吸收 ,氣相反應 ,顆粒形成 ,氣固相的相互影響等。

綜上所述

核輻射技術在環境保護中的應用已顯示了巨大的潛力，可用于廢氣、廢水、固體廢棄物以及環境難降解有毒有機物的處理，并顯示出了卓越的應用前景。

高能電子束的可控性好，反應速率快較適于處理流量較大的廢氣污染，并已在國內外實現了工業化應用，仍需解決的問題主要是電子加速器本身的造價和耐久性。而γ射線的穿透能力較強，適合于處理密度和厚度較大的介質，可方便地實現廢水和固體廢棄物等的降解。γ射線推廣應用的主要問題在于源室的造價較高和輻射劑量較低，從而使反應時間偏長，難以進行大批量處理。然而對于常規方法難以處理的難降解有毒物質，采用輻射處理方法，具有較好的技術和經濟可行性。此外，在輻射處理過程中，為了降低所需的輻射劑量，應當采取與其他常規技術如催化技術、敏化技術等相結合的方法。

近幾十年來，核科學技術在環境科學研究中的應用已經取得可觀的效果，在環境監測、三廢治理等方面均面臨巨大的機遇但是與其他技術相比，也存在成本昂貴技術復雜需要依賴型設備工業化推廣困難等缺點，同時與環境學科交叉的深度和廣度不夠，很難獨擋一面，更難占有不可替代的位置針對這一實際情況，必須深入分析，研討對策，確定核技術在環境科學中的現實發展戰略相信核技術在環境科學中的應用將日趨繁榮，有著廣闊的發展前景。

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