高溫自蔓延技術在環境保護領域中的應用
摘要：高溫自蔓延技術具有反應溫度高、能量利用效率高、處理過程快速、不需要大設備和設施投入等特點,已在環境保護和污染控制領域得到了廣泛的關注及研究。本文回顧了近20 年來高溫自蔓延技術在環境保護領域應用的研究狀況,主要從以下4 個方面進行綜述: (1) 高溫自蔓延技術在固體廢物處理、處置中的應用; (2) 高溫自蔓延技術在高放廢物固化、穩定化中的應用; (3) 高溫自蔓延技術在有機污染控制過程中的應用; (4) 高溫自蔓延技術合成環境功能材料的應用等。文中著重介紹了高溫自蔓延技術在各應用領域所取得的理論和工程實踐成果,特別是近年來機械誘發自蔓延、全廢物型自蔓延和自蔓延廢物處理流水線等技術在廢物處理和資源回收領域的應用。此外,還指出了環保高溫自蔓延研究領域的不足并展望了今后的發展趨勢。
關鍵詞：高溫自蔓延 廢物處理處置 高放廢物 有機氯污染物 環境催化劑
高溫自蔓延反應( self2propagating hightemperature synthesis , SHS ) , 又稱為燃燒合成(combustion synthesis ,CS) ,是一類一經引發即可快速自動擴展到整個反應空間的高溫化學反應[1 ] 。1967年,前蘇聯科學院化學物理研究所的Merzhanov 等在研究鈦和硼的混合粉坯燃燒時,發現了一種凝聚態物質新的燃燒模式,即“固體火焰”,這是高溫自蔓延理論和燃燒合成技術研究的開端[2 ,3 ] 。發現之初,SHS 屬于前蘇聯獨有的一種秘密軍工技術。20 世紀80 年代后,SHS 進入國際化的開放式發展階段,在材料、冶金和化工領域得到了廣泛的應用[4 ,5 ] 。SHS 有著常規技術無法比擬的優點,如利用SHS 可以在常規條件下合成熔點超過2 000 —3 000K的高純難熔碳化物、氮化物、硅化物、硼化物和復相陶瓷[6 —8 ] ;SHS 燒結技術可以制備強度為傳統材料1. 5 —3 倍的高孔隙率材料[9 ,10 ] ; SHS 熱壓技術還可以制備相對密度超過0. 995的硬質合金[11 ,12 ] 。SHS離心法制備的陶瓷內襯復合鋼管使用壽命達到普通碳鋼管道的10 倍以上[13 ] 。
高溫自蔓延技術在環保領域的應用是一個較新的方向。與傳統處理方法相比,自蔓延工序少、流程短、工藝簡單、升降溫速度快(103 —106 ℃Pmin) ,一經引燃可自發快速進行,無需對其進一步提供任何能量。特別需要指出的是SHS 可以實現小型原地即時處理,因此在廢物高溫處理方面有獨特的優勢。20 世紀80 年代末,前蘇聯研究人員最先將SHS 技術用于合成人工礦物固化高放廢物[14 ,15 ] 。20 世紀90 年代,Orru 等[16 ] 將自蔓延技術推廣到工業有毒廢物的處理。隨后,Sannia 等[17 ] 利用自蔓延法處理鋅電解廠產生的固體廢物。Porcu 等則利用自蔓延工藝處理石棉[18 ] 。Coccol 等[19 ] 還研究了利用自蔓延反應降解和處理高毒有機芳香烴類物質。近20 多年來,高溫自蔓延反應理論及高溫自蔓延技術在環保領域的應用處于快速發展的階段[20 ] 。從研究的深度和廣度來看,俄羅斯、法國、意大利、日本學者在該方面的研究工作處于國際前列,而在國內,只有少數學者從事環保領域高溫自蔓延技術的研究工作。基于以上原因,我們認為有必要系統介紹高溫自蔓延技術在環保領域的最新研究進展,以促進國內同行對此領域的關注。本文首先簡要介紹了自蔓延技術的反應特性和基本原理,然后詳細綜述了近20 年來自蔓延技術SHS 在固體廢物、放射性廢物、有機污染物處理處置及合成功能材料等環保領域的主要發現和成果,并指出了今后自蔓延技術在環保領域的發展方向。
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