核技术在环境保护中的应用

摘要:核技术对环境保护起着积极的作用,具有巨大的应用潜力。本文论述了辐射技术在环境治理方面的应用现状,分析了核技术与环境科学结合过程中出现的问题,对其应用前景进行了展望,并提出了一些建议。

关键词:核技术;环境保护;辐射技术

1前言

自从1896年贝克勒尔发现天然放射性以来,核科学已经走过了百年有余的历史。核科学的出现使得人们能够从一个新的微观层次更深刻地了解物质结构。在20世纪,核科学技术得到了空前的发展,在工业、农业、医学、环境保护等方面得到广泛应用,对人类社会进步产生了巨大的影响。

从应用的角度讲,核技术主要包括射线和粒子束技术与放射性核素技术。前者主要涉及核分析技术、辐射加工与离子束加工、无损检测、工业核仪表、核医学成像、肿瘤放疗和辐射诱变育种技术等;后者则主要包括放射性核素测年、放射性核素示踪和放射性药物。在环境保护中能加以利用的主要有辐射加工与离子束加工技术、核分析技术和放射性核素示踪技术,涉猎范畴较广。本文主要对在环境治理领域应用较为广泛的辐射技术进行讨论。

2辐射技术在环境治理中的应用现状

用于辐射处理的高能射线一般包括电子束、γ射线、X射线三种。利用高能射线与污染物及介质的相互作用,产生一系列自由基、离子及水合电子,由于这些粒子具有相当高的活性,能够与环境污染物发生反应,从而达到去污的目的。

在环境保护方面,辐射技术是三废处理的有力手段,也是对核能的一种和平利用。它具有处理能力强,不添加任何化学物质,避免二次污染的特点,在污染物净化方面具有巨大的应用潜力,可以从水、气、固三个方面进行讨论。

2.1在水处理方面的应用

辐射技术在水处理方面的应用可以分为两类,一类是对饮用水的处理。关于该方面的工作,许多国家开展了广泛的研究,并且已逐步发展到商业应用规模。巴西于1996在巴西原子能研究所建立了一套大规模电子加速器水处理的示范装置,主要用于饮用水中三卤甲烷的去除;奥地利建成了一座电子辐射的中试工厂,用于饮用自来水的二级净化;德国利用钴-60对井水进行处理,防止生物污染;我国从80年代后期也开展了一些研究工作,如云桂春就γ辐射对饮用水的消毒效应进行了一定的探讨。

另一类是对生活污水和各类型工业废水的处理。由于在高能放射线的照射下,水分子会生成一系列具有很强活性的辐解产物,如OH、H、H2O2等,当这些产物与水中的有机物发生反应时,可以使它们分解、改性或氧化,因此可明显消除城市污水中的TOC、BOD和COD,并灭活污水中的病原体。美国利用钴-60对高分子量聚丙烯酰胺废水进行净化处理,已经达到商业化应用的阶段。目前美国已有半生产性的辐射处理废水厂40 多座,处理后的水质几乎各项指标都优于常规处理法。日本也曾利用钴-60辐射垃圾渗滤液,分解有机毒物质;挪威使用电子束对废水进行消毒;俄罗斯曾利用加速器来改善生态环境,净化被橡胶生产废水污染的地下水。

除此之外,辐射还可以使得合成洗涤剂大量分解,失去发泡能力,并能对废水中的苯酚、农药、氰化物和有机溶剂进行降解处理,含有染料的废水也可以用辐射法进行分解和除色。

2.2在大气污染物治理方面的应用

在该方面的应用主要集中在电子束技术方面。电子束作为辐射类型的一种,适用范围广泛,正在成为大气污染物治理的重要手段之一。

电子束辐照烟气脱硫脱硝技术是一种较为成熟、已经实现商业化运行的烟气处理方法。该方法能够同时脱除烟气中二氧化硫和氮氧化物气体,同常规的烟气脱硫技术相比,技术的前瞻性较好,能适应未来治理氮氧化物污染的要求。一般采用烟气降温增湿、加氨、电子束辐照和副产物收集的工艺流程。烟气在电子束辐照下产生多种活性基团,这些活性基团氧化烟气中的SO2和NOx,氧化后的产物与注入的氨气反应,最终生成硫酸铵和硝酸铵微粒及其复合物,既脱除了烟气中的SO2和NOx,又可以获得作为化肥的副产物,一举两得。

中国工程物理研究院环保中心以赵君科、毛本将为首的课题组对电子束辐照烟气脱硫脱硝技术进行了长期深入的研究,在四川省科学城热电厂建造了烟气处理量(1.2-2)×104Nm3/h的工业中试装置,进行了模拟北京京丰热电公司实际工况烟气的工艺参数试验研究,完成了水蒸气/氨活化在工业中试装置上的应用,采用烟气脱硫脱硝除尘一体化装置替代脉冲放电等离子体反应器和副产物收集装置的方法来解决管道副产物沉积、堵塞问题。除此之外,该课题组还完成了电子束辐照烟气脱硫工程防腐研究,根据电子束脱硫技术的工艺特点提出有针对性的防腐措施,解决电子束烟气脱硫装置的腐蚀问题,有效降低防腐蚀工程造价。该装置为电子束辐照烟气脱硫脱硝工业化技术的研究和开发提供了良好的试验条件和实验手段,同时说明我国已基本掌握电子束辐照烟气脱硫脱硝工业化中试技术,并且在副产物收集技术和设备方面独具特色。

同时该课题组还在电子束辐照处理有机气体方面进行了一定的探索。褚海林等对甲苯有机废气进行静态实验,采用Tedlar气体袋作为反应容器,发现在约850 keV,10 kGy电子束的辐照下,初始质量浓度为1000-3000 mg/m3的甲苯去除率可以达80%。他们还以动态实验考察了有机物的初始质量浓度、吸收剂量(5-40 kGy)、湿度等因素对甲苯去除率的影响,同时初步考察了电子束同时处理多组分污染物的处理效果。在剂量为10 kGy,甲苯质量浓度480 mg/m3的情况下,其去除率为87.5%, SO2与NO也同时被去除,去除效率分别达到94%和78%。

国外一系列的实验研究也证明电子束处理有机废气可以达到较好的去除效果,在挥发性有机物的处理方面显示出良好的技术优势。

Do-Hung Han等人发现苯、甲苯、乙苯在初始浓度2000ppm、10kGy 的剂量下,其分解率分别仅为2%、25%、10%;在二甲苯的异构体中,分解率由大到小排序为:邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯。Jo-Chun Kim等人重点研究影响甲苯去除率的因素,除了剂量和初始浓度的影响之外,加入水蒸气后可以使甲苯去除率有10-20%的增加;Chmielewski A.G等人研究了辐照分解火电厂燃煤烟气中的多环芳烃类有机物,当烟气流量达到1000m3/h,剂量为7kGy,气体湿度为6.5%(V/V)时,加入氨后,多环芳烃类有机物的去除率可以从40%上升到98%,SO2和NOx的去除率分别达到89%和72%。

2.3在治理固体废弃物方面的应用

作为废水处理的副产物,污泥中通常含有致病的细菌、寄生虫,但污泥经γ射线辐照灭菌后,可作为良好的肥料和土壤改良剂直接在农田中使用。德国、美国已建造了每天处理量达1500吨的污泥辐照处理装置,获得比堆肥更好的效果;日本曾用辐照法处理木屑、废纸、稻草等, 通过糖化与发酵而得到酒精; 美国则采用对这类纤维素加酸后辐照处理的方法得到葡萄糖, 其回收率高达56%;用高能射线还能对废弃的塑料进行回收利用,如聚四氟乙烯等高分子材料,在辐照条件下能够降解成为蜡状粉末,从而被回收利用,日本已将该项技术投入生产;利用低温等离子技术还能对城市生活垃圾进行焚烧,达到较高的焚烧温度,从而避免二英等有毒物质的产生。

3核技术在环境科学应用中应注意的几点问题

当前国家的科技政策是以经济建设为核心,以社会需求为背景,确定主要的资助领域和方向。环境和资源是国家重点基础研究规划所确定的资助领域之一,核技术与环境科学研究的结合正是体现和顺应了国家这一科技政策的走向,因此很有发展前景。但是实现这一结合也并非一蹴而就,需要注意以下问题:

(1)核科学技术作为科学研究领域中一种重要的支撑手段,必须与环境研究领域中的前沿和热点问题相结合,进入环境研究的主流,确定明确的研究目标,奠定深厚的基础,集中多种核科学技术手段共同解决交叉领域中的问题,提高核技术在交叉领域中的地位。

(2)注意加强研究成果向生产的转化,形成强大的核技术环境产业。我国核技术产业化的发展情况不太理想, 目前大部分能够应用于环境污染治理的核技术产品只停留在小规模的实验室产品阶段, 核仪器设备缺乏产业化的生产渠道,没有形成系列化与规模化生产,使得产品缺乏竞争力,无法与国外同类产品相提并论,无法将先进的技术转化为生产力。为解决这一问题,国家应逐步在资金和政策上给予扶持,这对我国核技术产业化的健康发展而言是必不可少的。

(3)高素质人才的培养问题。对从事核技术在环境科学中应用的研究者而言,既要求他们具备坚实的核技术基础理论,又必须了解环境科学领域发展的主要问题和最新动向,成为二者交叉领域的内行,这样才能比较全面地了解所交叉领域的情况,清醒认识到核科学技术在环境科学研究中能够提供怎样的帮助,实现怎样的目的,做到有的放矢。所以加强核技术和环境科学双料人才的培养刻不容缓,应当实施一系列激励政策,鼓励高素质环境人才从事核技术,充实科研力量。

4结语

近几十年来,核科学技术在环境科学研究中的应用已经取得可观的效果,在环境监测、三废治理等方面均面临巨大的机遇。但是与其他技术相比,也存在成本昂贵、技术复杂、需要依赖大型设备、工业化推广困难等缺点,同时与环境学科交叉的深度和广度不够,很难独挡一面,更难占有不可替代的位置。针对这一实际情况,必须深入分析,研讨对策,确定核技术在环境科学中的现实发展战略。相信核技术在环境科学中的应用将日趋繁荣,有着广阔的发展前景。

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