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污水废气治理

文章来源:宝马娱乐在线_宝马线上娱乐2011_宝马线上娱乐官网2011 发布者:宝马娱乐在线_宝马线上娱乐2011_宝马线上娱乐官网2011 发布时间:2013-09-26 14:14:13
第12部分 SQU 异味处理技术原理

机构性描述

SQU 是指共振量子协同技术,其核心原理是"基 于低功率光诱发的分子快速反应"(Low Dencity Light Induce fast Molecular Reaction)。该技术由三个基本单元组成,每个单元本身已经具有相当的除臭与氧化能力,同时,当三个单元以某种方式耦合,且耦合方式符合共振条件时,会发生协同作用,使得性能效果得到极大提高,实验证明一般可得到几万倍到几十万倍的效果。

第一单元——增压器技术单元:基于高能电子激发原 理(简称 A 技术)

该技术是由本公司专用的"三交面放电"电子激发器,与其他"DBD"不同,本技术具有效率极高,目标物产率大,受温湿度影响小等特点。通过高能电子激发器,产生大量活性基团,与污染物进行复杂的物理化学反应,产生高浓度的引发剂、氧化剂、萃灭剂。在到达下一工艺之前,可以消除部分污染物。通过扩散过程,达到均匀相,进入下一工艺。由于该技术的过程过分复杂,例如仅 SO2、NH3 的反应方程就有 78 个之多,在一篇文章中无法尽述,故略解释其基本过程如下:

基于臭氧的氧化技术已经是成熟的技术,但是由于臭氧的分解速率较低,时间常数较大,一般可以达到 5 个小时,所以在气体处理中,无法进行有效地动力学设计,要达到 90% 的污染物去除效率,需要极大的功率。同时,也需要反应器有极大的体积,以保证反应时间,这就是普通的等离子体反应器极其昂贵的原因。

本技术并非以臭氧的简单氧化,或者以臭氧分解产物 - 羟基做单一氧化剂的所谓"高级氧化技术",臭氧及其他产物,仅仅是反应过程的一个参与者,需要进一步的过程才会发挥作用。虽然会有部分氧化作用,理论计算表明,对污染物的去除率在本过程中不会超过 30%。

第二单元——量子激发器技术(简称 B 技术)

现代科学研究表明,气味在由于物质的两个特性所决定,一为物质的分子量,例如碳环随碳数目的增加,其气味逐渐减弱,达到 18 个碳时,就没有气味了。二为特定的分子团,称为发臭团,例如羟基等。某些物质例如 H  2S 本身就是发臭团。基于此,如果能够将发臭团分解或者断开与基座的链接,则物质失去气味。即我们不需要分解整个分子,只需要分解发臭团。

又根据物理学的基本常识,能量差别过大的粒子之间不会进行能量传递,也就是不吸收,所以针对不同污染物,需要不同的波长。通过调控光子能量,即可高效的除去污染分子。例如针对 CS 2 需要 183nm,SO2需要 207nm,NH3 需要 175nm 等。对于发臭团,也有一个最优波段,我们通过调校紫外光源,使得对发臭团具有选择性吸收,就可以将发臭物质"激发"。

处于激发态的物质,具有极大的化学活性,现代 科学表明,一方面,激发态物质的电子轨道处于高 n 态,

其原子半径很大(例如,氢原子的最高 n 值可达 630,其半径已经超过气体分子的间距),所以碰撞概率提高很大,另外,分子构型也会发生变化,提高碰撞概率。对于氧化物质和被氧化物质同时施加激发,则发生所谓的"协同"效应。个别情况下,有可能达到 106 倍。按照我们的方案,反推算得到的倍数为 80000 倍。由于气体对于该波段的吸收是选择性的,所以具有极其安全的特性,即只产生我们所需要的效果,没有副产品和副作用,是真正"绿色"技术。该过程在合适的参与物比例下,通过合适功率激发,即可达到 99% 的污染物去除效率。

反应步骤:

其基本过程为链反应,该过程中化学反应仍然极 其复杂。

大致包括三类反应,即链引发反应、自由基传递 反应和链终止反应。

例如:

第三单元——光反应器技术:光化学原理(简称C技术)

该单元对于未反应物质,进行二次激发,可以将处理效果达到 99.9%。

如果前一单元是高能激发,则该单元属于低能激发,主要是针对不同物质的波段选择,目前技术下无法用一种元件来实现。

本单元的另一目的,就是尾气分解。由于臭氧是高能氧化剂,对于近地面大气是有害物质,会引发多种连锁反应,同时对周围腐蚀性极强,对人体也是有害的,所以,需要将其分解,使得排气孔附近臭氧含量达到卫生标准。

另一个还处于保密阶段的技术原理就是电磁搅拌作用,经仔细设计的表面波反应器投射出特定的电磁波。对发臭团及臭氧进行电磁搅拌,极其有利于提高化学反应速度。

动力学描述

以上分步描述设备个部分的功能,下面从反应动力学解释其工作过程。

第三单元——光反应器技术:光化学原理(简称C技术)

该单元对于未反应物质,进行二次激发,可以将处理效果达到 99.9%。

如果前一单元是高能激发,则该单元属于低能激发,主要是针对不同物质的波段选择,目前技术下无法用一种元件来实现。

本单元的另一目的,就是尾气分解。由于臭氧是高能氧化剂,对于近地面大气是有害物质,会引发多种连锁反应,同时对周围腐蚀性极强,对人体也是有害的,所以,需要将其分解,使得排气孔附近臭氧含量达到卫生标准。

另一个还处于保密阶段的技术原理就是电磁搅拌作用,经仔细设计的表面波反应器投射出特定的电磁波。对发臭团及臭氧进行电磁搅拌,极其有利于提高化学反应速度。

定义:臭氧及其产物与污染物进行化学反应,其反应速率为 v1。当使用某种紫外线辐照污染物时,其反应速率为 v2。如果将两个工艺加到同一个反应器则反应速率 >(v1+v2),该现象叫做"协同效应"。协同效应虽然增加了反应速率,但增加倍数有限。当我们控制多个紫外线的频率及其功率,使之满足某个比例,同时控制臭氧的浓度,则在其他因素参与下,会与某种分子结构例如"发臭团"产生大倍数的协同效果。 我们称满足这种比例的多种紫外线符合"共振条件"。由于多种紫外线包括了远紫外与真空紫外在内的十几个波段,所以统称为"光量子"。应用以上原理开发的废气处理技术被称为"共振光量子与臭氧及产物协同效应"技术,简称"共振量子协同"技术。

其基本原理在于光化学技术中的共振激发、链反应、臭氧氧化及高级氧化等。以下分叙之:

首先是臭氧氧化,已有 100 年的应用历史了,但是最近由于臭氧发生器技术的突破性进展才得到广泛应用,其原理也已经得到阐述。其后续产物例如羟基的氧化性也得到充分研究,被称为高级氧化技术。由于其仅次于氟的氧化电位,所以广泛应用于水的处理和废气的处理中。

光量子的作用目前研究的并不充分,对"协同效应"的机理研究也无重大进展。除利用 185nm 波段产生低浓度臭氧外,似乎无其他应用,特别是低强度的紫外光,很少单独用于化学反应,这与紫外激光的情形恰好相反,绝大多数的研究成果都是"唯像"的。

"共振量子协同"技术的机理研究与此类似,但以下几点是已经被证实了的。

1.激发态原子的反应截面增加。例如,处于里伯德态的类氢原子,其轨道半径与 n2 成正比。同时处于里伯德态的电子几乎没有穿透作用,与自由电子类似,所以其碰撞截面极大,化学反应活性极高。

2.被激发的分子,其构型会发生变化,增加了反应截面。

3.臭氧吸收某种紫外(254nm)后会分解,但其分解速率又与另一种紫外线有关。实验发现有一个最优值存在。在此最优状态下,臭氧具有最大化学活性和最高动力学常数。

4.污染物的某些结构对应一个最优吸收条件,称为共振吸收。例如:针对 CS2 需要 183nm,SO2 需要 207nm,NH3 需要 175nm 等。控制光量子的能力就可以使得污染物被最大激发。

5.  链反应需要引发、萃灭、过桥等多种辅助剂型,合理控制辅助剂型显然可以增加反应速率。

6.   以上几种情况下,每一种的增益常数设为 Ai,则综合增益为 A=∏Ai。

显然,乘法性质的增益,具有很大的数值。一般简单的控制就能获得近千倍的增益,高效的控制会得到几十万倍的增益。一般臭氧的半衰期为 16 小时,10 万倍的增益意味着秒级时间,这就是可以在秒级时间内处理污染物的动力学原理。

从分子碰撞截面的构成来看,若定义 S 为碰撞截面,则:

S=k×r×n1×n2/l

其中:

k:动力学系数,对于固定的反应,为常数

r:分子几何截面,取决于最外层价电子的主量子数,以及分子的构型。

n:反应分子密度。

l:自由程,取决于气体压力、温度、密度等条件。

从本工艺的作用来看,第一单元增加了 n1 的值;第二单元增加了 r 的值,减少了 l 的值。由于公式中完全是乘法关系,所以其碰撞截面是以乘法的指标增加,特别是 l,近于零时截面无限增大,即无需碰撞,直接接触。

学反应速率设为 J,则 :J=S×P/t

p:碰撞反应概率,取决于价电子的化学电位和激发程度。

t:氧化剂的半衰期,例如臭氧分子分解的速率。

第二和第三单元都增加了 P 的值,减少了 t 的值,所以可以显著提高反应速率。

反应速率的增加,实际上对于反应动力学而言,可以减小系统体积,降低系统阻力,显然就能降低能耗,提高处理效率。

我们知道,不同的电磁波段对于分子而言,具有不用的作用。例如红外对于分子具有振动作用,微波段对于分子具有转动作用,高速转动的极性分子其碰撞截面和反应速率都会有很大的提高,所以通过激发器的多波段特征,可以有效的增加反应截面和反应速率。

工程应用

一般化学反应分为气 - 气反应,气 - 液反应,气 - 固反应。

显然,反应速度当属气 - 气反应最快,气 - 液反应次之,而气 - 固反应最慢。原因在于气 - 气反应是直接取决于碰撞截面,是正比关系。而气 - 液反应需要传质,但液体内部则是高碰撞的,所以虽然小于气 - 气反应,但大于气 - 固反应。气 - 固反应局限于固体 表面,因此反应速度最慢。

基于此,本技术的所有氧化剂都是气态,因此较之吸附法、吸收法、生物法等,其反应速度显然不在一个数量级。

首先是风机功耗,由于无需传质,所以阻力极小。

其次无须添加药剂,所以运行成本仅为电费。

最后由于反应速率极高,因此装置体积较小,造价较低。

关于选择性问题:

实验表明,共振量子协同技术对于"发臭团"似乎具有特殊的亲和性,其反应速率与臭氧与污染物的反应顺序似乎并不吻合。理论上,臭氧应该按照"链烯烃>胺>酚>多环芳香烃>醇>醛>链烷烃"的顺序发生反应,但是在共振量子协同技术中,化学反应顺序是按照"官能团"被激发的难易程度反应的。这可能是由于臭氧反应首先会采取亲电反应的方式,所以首先与"官能团—例如发臭团"发生反应,而很少与苯等发生加成反应。已经发现如下事实:共振量子协同技术处理气味分子更加有效,比处理其他废气有更快的速度。

关于氧化深度问题:

最简单的"发臭团"靶向氧化需要较小的功率,但对于有毒有害"基团"的氧化需要较大的功率。如果需要对整个有机分子完全氧化成二氧化碳和水,是不经济的。较大的功率不仅无助于"更洁净"的效果,而且由于将大分子攻击成碎片,会引发一系列不可控的中间体。特别的,对于苯系物,一般的氧化产物是苯甲酸,而不是二氧化碳和水。重要的是,对于痕量物质的氧化,其化学反应动力学常数肯定很小,如果要求完全氧化,则需要极其庞大的反应器,这在工程上难以实现。

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