高温自蔓延技术在环境保护领域中的应用
摘要：高温自蔓延技术具有反应温度高、能量利用效率高、处理过程快速、不需要大设备和设施投入等特点,已在环境保护和污染控制领域得到了广泛的关注及研究。本文回顾了近20 年来高温自蔓延技术在环境保护领域应用的研究状况,主要从以下4 个方面进行综述: (1) 高温自蔓延技术在固体废物处理、处置中的应用; (2) 高温自蔓延技术在高放废物固化、稳定化中的应用; (3) 高温自蔓延技术在有机污染控制过程中的应用; (4) 高温自蔓延技术合成环境功能材料的应用等。文中着重介绍了高温自蔓延技术在各应用领域所取得的理论和工程实践成果,特别是近年来机械诱发自蔓延、全废物型自蔓延和自蔓延废物处理流水线等技术在废物处理和资源回收领域的应用。此外,还指出了环保高温自蔓延研究领域的不足并展望了今后的发展趋势。
关键词：高温自蔓延 废物处理处置 高放废物 有机氯污染物 环境催化剂
高温自蔓延反应( self2propagating hightemperature synthesis , SHS ) , 又称为燃烧合成(combustion synthesis ,CS) ,是一类一经引发即可快速自动扩展到整个反应空间的高温化学反应[1 ] 。1967年,前苏联科学院化学物理研究所的Merzhanov 等在研究钛和硼的混合粉坯燃烧时,发现了一种凝聚态物质新的燃烧模式,即“固体火焰”,这是高温自蔓延理论和燃烧合成技术研究的开端[2 ,3 ] 。发现之初,SHS 属于前苏联独有的一种秘密军工技术。20 世纪80 年代后,SHS 进入国际化的开放式发展阶段,在材料、冶金和化工领域得到了广泛的应用[4 ,5 ] 。SHS 有着常规技术无法比拟的优点,如利用SHS 可以在常规条件下合成熔点超过2 000 —3 000K的高纯难熔碳化物、氮化物、硅化物、硼化物和复相陶瓷[6 —8 ] ;SHS 烧结技术可以制备强度为传统材料1. 5 —3 倍的高孔隙率材料[9 ,10 ] ; SHS 热压技术还可以制备相对密度超过0. 995的硬质合金[11 ,12 ] 。SHS离心法制备的陶瓷内衬复合钢管使用寿命达到普通碳钢管道的10 倍以上[13 ] 。
高温自蔓延技术在环保领域的应用是一个较新的方向。与传统处理方法相比,自蔓延工序少、流程短、工艺简单、升降温速度快(103 —106 ℃Pmin) ,一经引燃可自发快速进行,无需对其进一步提供任何能量。特别需要指出的是SHS 可以实现小型原地即时处理,因此在废物高温处理方面有独特的优势。20 世纪80 年代末,前苏联研究人员最先将SHS 技术用于合成人工矿物固化高放废物[14 ,15 ] 。20 世纪90 年代,Orru 等[16 ] 将自蔓延技术推广到工业有毒废物的处理。随后,Sannia 等[17 ] 利用自蔓延法处理锌电解厂产生的固体废物。Porcu 等则利用自蔓延工艺处理石棉[18 ] 。Coccol 等[19 ] 还研究了利用自蔓延反应降解和处理高毒有机芳香烃类物质。近20 多年来,高温自蔓延反应理论及高温自蔓延技术在环保领域的应用处于快速发展的阶段[20 ] 。从研究的深度和广度来看,俄罗斯、法国、意大利、日本学者在该方面的研究工作处于国际前列,而在国内,只有少数学者从事环保领域高温自蔓延技术的研究工作。基于以上原因,我们认为有必要系统介绍高温自蔓延技术在环保领域的最新研究进展,以促进国内同行对此领域的关注。本文首先简要介绍了自蔓延技术的反应特性和基本原理,然后详细综述了近20 年来自蔓延技术SHS 在固体废物、放射性废物、有机污染物处理处置及合成功能材料等环保领域的主要发现和成果,并指出了今后自蔓延技术在环保领域的发展方向。
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