污染土壤场地的微波修复技术****(1301111556)********学院，北京 100871 摘要：微波热修复污染土壤是将微波加热技术应用于土壤修复，是一种较新的土壤修复技术， 目前尚处于实验研究阶段本文简述了微波热修复污染土壤技术的修复机理、影响因素、装 置设备，并以 Abramovitch 等人的研究为例探讨了微波修复污染土壤的效果 关键词：微波，污染土壤，热修复Abstract：Thermal-remediation of contaminated soil with microwave energy is a new method to remediate contaminated soils, and now is in bench-scale research. This paper reviewed in brief the mechanisms, influencing factors and apparatus of thermal-remediation with microwave energy, and discussed the remediation effect of thermal-remediation, taking Abramovitch 's research as an example.Key words：microwave energy, contaminated soil, thermal-remediation随着斯德哥尔摩公约的履行以及化工企业结构的调整我国大量重污染化工 企业相继搬迁和关闭形成许多污染严重的有机污染场地(Zhang et al., 2009),污染 场地一般具有污染强度大,污染物毒性高，需要快速修复的特点(谷庆宝,2005),被 污染的土壤通过地表水和地下水造成二次污染或经挥发对大气造成污染 ,或经 食物链进入人体,危害人体健康。
同时土壤中污染物还会与复杂的土壤组成物发 生一系列物理、化学及生化作用 ,致使一些污染物残留在土壤中,这些残留物往往 需要一个较长的降解时间(陈晶中等, 2003；戴树桂等, 2001)因此 ,土壤污染 治理技术的研究和应用已经引起人们普遍的关注目前用于有机污染场地的修复技术主要包括土壤气相抽提 /生物通风、热解 析技术、化学焚烧法和生物治理方法,但这些方法都有各自的缺陷,如成本高、 修复时间长、修复范围小、造成二次污染等,因此 ,寻找一种适用范围广,快捷 有效,经济可行,操作灵活的治理方法势在必行20世纪40年代以来,微波加 热技术取得了很大发展,由于其快捷有效的加热方式在环境污染治理中也正逐步 得到应用近年来人们将其应用到污染土壤的修复,利用其独特的加热机理,高 效快捷的加热效果处理污染土壤,使土壤中的污染物得以收集、破坏或固定,从而达到治理的目的1 微波土壤修复技术的基本原理1.1 微波加热原理MW (Microwave, MW)就是波长很短的电磁波，其波长为1 mm到1m之间(频 率300-300000 MHz)一般来说，介质在MW场中的加热就是基于离子传导和偶 极子转动这两种机理，离子传导介质对离子电磁场中可离解离子移动的阻碍而产 生热效应(Shibata et al., 1996; Baghurst et al., 1991),偶极子转动是介质处于电场 中时发生极化现象，产生了类似摩擦的作用，使极性的分子获得能量，MW加热 过程中，这两种机理的MW能耗散同时存在(Zlot et al., 1995; Jassie et al., 2001)。
相对于传统加热方式，MW加热具有自己独特的优点传统方法的加热方式 通过热传导和对流的方式将热量由表面传到内部，耗时较长，由于容器是热的不 良导体，只有热源附近的物料才可以达到容器外部的加热温度MW在全封闭状 态下以光速渗入物体内部，能进行 整体 加热，不存在温度梯度，加热速度快(王 鹏,2003)1.2 微波土壤修复机理由于土壤特别是干燥土壤的介电损耗系数小，不容易吸收微波，而土壤中的 许多污染物，特别是有机物多为非极性化合物，也不容易吸收微波，故常常通过 添加吸波介质如水、炭颗粒、石墨、磁性纳米颗粒等，增强污染土壤体系对微波 的吸收和传能力，而污染物在受热后就会挥发、分解或被固定，从而使污染土壤 被修复微波修复主要通过以下三种机理去除污染物1.2.1挥发作用土壤含水时 ,水会快速吸收微波而成为热源，使土壤体系的温度迅速达到并 且维持在100 °C左右，同时将热传递给土壤及其中的污染物(Punt et al., 1999; Zdzlsla et al., 1998)，这一过程非常迅速，污染物与水几乎同时受热并随水蒸气挥 发出来并且污染物的蒸汽压和扩散系数会随着温度的升高而升高，从而增加污 染物在气相的分布(孙磊等， 2004)，促进污染物随水蒸汽的挥发。
对于半挥发 性污染物可采取多级蒸馏法，即重复加水、重复微波辐照(王鹏， 2003)1.2.2 分解作用当土壤中污染物为半挥发、难挥发污染物时，为增强土壤对微波的吸收能力 和热传导能力，常常加入炭屑、石墨粉、磁性材料等介电性能更好的吸波介质， 或加入酸、碱液及其它电解质溶液来增强土壤的介电常数(Jones et al., 2002 ) 这一过程中土壤体系的温度可以达200°C以上，在吸波介质周围的土壤温度可能 更高污染物可能被分解成易挥发的小分子或被炭化，随土壤中的水汽而挥发， 或被载气带出1.2.3 固定作用当吸波介质具有很好的吸波及传热能力时，整个污染土壤体系在接受微波辐 照时，可以达到很高的温度，如在土壤中加入铁丝、铁钉、炭棒、金属棒时，能 较好地吸收微波使周围土壤均匀受热，并且可以传导到棒底端几厘米处的土壤， 产生足够高的温度使土壤玻璃化，这个过程就像在土壤中插入电极，产生电流使 土壤玻璃化一样污染物特别是有机物可能被炭化，或是氧化 -还原、分解、自 身压缩等变成小分子这些小分子、部分污染物大分子及重金属离子可能进入土 壤黏土矿物晶格层间而被固定，并进一步被玻璃化的土壤包裹，最终固 定于土 壤(Rudolph et al., 1999)。
某些中间产物如含氧和含氯分子还可能经历孤电子转移 并通过化学键与黏土八面体晶格边缘Al3+作用而被固定(Rudolph et al., 1998) 这一过程温度可以超过1000C，对土壤有一定的破坏作用但对于土壤中持久 性、疏水性、非极性的有机污染物和重金属的修复效果较好2 微波修复技术特点微波辐照技术与其他修复技术的比较见表 1(周启星等， 2004)表 1 微波修复与其他修复技术比较修复技术优点缺点适用范围化学林洗法（1）易操作（1）对土壤类型要求严格( 1 )多孔隙、易渗透土壤（2）容易引起二次污染( 2)重金属、 易挥发卤代有机 物 以及非卤代有 机物污染土壤（2）费用合理（1）操作简便（1）耗时( 1 )粘土含量高的土壤电动法（2）对现有景观、建筑等影（2）土壤 PH 发生变化( 2)重金属及易挥发卤代有机物（如响小三氯乙烯）污染土壤微生物法（1）成本低速率慢、周期长( 1 )对土壤类型无特殊要求（2）适合大面积土壤的修复( 2)有机污染物污染土壤（1）快速高效（1）温度过高会破坏土壤( 1 )对土壤类型无特殊要求微波修复（2）环境友好有机质( 2)重金属、 挥发及半挥发有机污（2）成本过高染物污染土壤3 微波设备微波技术在其它领域，如污水处理（徐有生）、材料工程等都已有工程应用， 国内工业微波设备的发展已具有相当的规模，相关工业的微波技术，其配套设备 也已工业化，但是微波土壤的相关修复设备目前在国内外研究较少。
目前国内外 微波修复技术多集中于实验室小试研究，所用微波设备多为家用微波炉或改装的 家用微波炉，形式上各有差别，下面以华中科技大学陈静课题组所用微波加热装 置作简要介绍微波修复装置如图1所示，微波箱体前面设有开口，门上安装有把手⑥，门 内即是微波加热腔体⑦，此处是微波反应部分;箱体的顶部右上角装有监测 窗口②;箱体两侧各装有两微波磁控管⑤和电动机④;箱体一角装有风扇③以降低 微波作业时腔体、磁控管的温度从而保护微波磁控管 ;微波发生器后侧装有尾气 吸收室①，用于挥发/半挥发性污染气体的收集，气体吸附室内装有GAC等吸附 剂，经吸附处理后的剩余尾气直接外排，为防止微波泄漏，整个装置外包有金属 防护层，防护层上有凹凸状排气散热口位于微波箱体表面上部有装置运行控制器②，控制器上设有开关和加热时间、温度设置按钮，用于控制微波发生器的开启关闭和加热时间SiC柱顶部装有红外探测仪（如图2所示），监测土壤表面温度将土样放置于SiC容器中（注意：不能压实），设定处理时间，结束后将 SiC 容器从保温套中取出，于空旷处冷却至室温，取样分析图 1 微波加热装置 图 2 红外探测仪4 影响因素研究从微波修复污染土壤的机理来看，现存的土壤污染物都能够经微波加热而得 以去除，只是去除率高低问题。
关键是如何发挥微波的最大功效将其用于治理和 修复污染土壤这就需要认真地研究其影响因素，总结起来主要有以下几方面 : 污染物的介电常数、土壤的理化特性和吸波介质4.1 污染物的介电常数通常该常数可由物质的极性大小反映，一般极性越大其介电常数也越大，从 而对微波能量的吸收也更充分（Gabriel et al.,1998）,因此相对非极性化合物来说, 微波辐照更适于处理极性化合物Kawala等（Kawala et al., 1998）对比50 m g/ g 土壤的硝基苯（极性化合物,介电常数为 35 . 74） 和正十三烷（ 非极性化合物, 介 电常数为 2）的微波修复修复在相同的条件下进行,结果发现硝基苯污染土壤 的升温速率更快：辐照20min后即达18 0°C,而正十三烷污染土壤达到相同温度 时则需40 min,这也决定了完全去除正十三烷所耗时间是硝基苯的1倍4.2 土壤的理化性质土壤的含水率、含盐量、有机质含量会影响土壤的介电常数,而土壤的孔隙、 孔径、透气性会影响污染物的扩散有研究表明有机质含量高的黏土比砂土容易 吸收微波（Punt et al., 1999; Zdzlsla et al., 1998）。
水分的影响主要体现在两方面： 一是增大了土壤体系的介电常数; 二是水的 挥发加速了污染物的迁移邵芸等（邵芸等, 2002）研究发现土壤的介电常数 与 其含水量几乎成线性关系增长还有学者研究了低温减压条件下用微波净化甲苯 和对二甲苯的土壤他们发现 , 低温减压条件下, 甲苯和对二甲苯不会分解 , 而 当土壤含水量为 3 % (质量分数) 时,这些有机物的挥发速率会增加几倍然而关于水分的定量研究问题目前还未达成统一孙磊等(孙磊等，2004) 研究发现在低含水量时, 污染物在土壤中的残留量随含水量增加而降低, 当含水 量达到一定程度后, 其残留量又随土壤含水量增加而增加但也有研究结果显示 出不同的结论, 即低含水量时,两者正相关, 而到达一定程度时, 其残留量稳定在 一个范围内(Liu et al., 2006)4.3 吸波介质吸波介质的影响主要表现在有无介质及介质的种类不同的吸波介质有着不 同的介电常数, 因而会表现出不同的吸波效果, 目前在微波加热修复土壤研究中 所用到的吸波介质主要有颗粒活性炭、 石墨纤维、铅笔芯、 铁丝、 金属及金 属氧化物粉末(如铝粉、Cu2O粉末、M nO2粉末)。
研究发现，铅笔芯较铁丝、 石墨纤维吸波效果好(Ab。