微波电磁场诱导土壤中苯系物脱附及分解技术研究

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我国土壤调查公告表明,有机污染在土壤污染中占有较大比例。随着河北省内大量污染企业关闭、搬迁,遗留的有机污染土壤急需进行高效治理。热修复技术是目前有机污染土壤的主要修复方式,但该技术存在温度高、能耗大且修复土壤丧失原有利用价值的问题,因此对热修复技术的优化成为当前的热点研究方向。微波加热因其特性受到广泛关注,本研究为探究微波热脱附有机污染土壤的最佳工艺,提高热脱附的效率,选择甲苯为典型污染物,探索均匀分布的甲苯污染土壤的人为配置方案,研究微波热解甲苯的最佳功率、热解时间、含水率和土层厚度的规律;对比常规和微波加热对甲苯去除率的影响要素,通过分析两种加热方式下的反应动力学和活化能,探讨甲苯在电磁场中的热脱附机理;同时基于微波热脱附甲苯的单因素实验结果,对微波设备进行仿真优化,得到以下主要结论:(1)微波诱导苯系物的单因素实验。研究结果表明:当设定微波连续功率2000W,含水率为17%,热解时间24 min,土层厚度可达到9 cm时,土壤中苯系物的去除率最高可达到97.82%。(2)微波及常规热脱附对比实验研究。研究结果表明:温度110℃时,微波对甲苯的去除率超过90%,常规加热仅为74%。常规加热会导致土壤有机质大量损失,其有机质的损失量比微波加热时质量损失多25.23%。土壤中有机质的含量与阳离子交换量呈正相关,常规加热造成有机质大量损耗使得土壤阳离子交换量急剧减少,土壤的持水保肥能力下降。因此,相较常规加热,微波对土壤的理化性质影响较小,不会破坏土壤理化性质,可二次利用。(3)基于一级反应动力学在不同温度下对微波和常规热脱附动力进行拟合,计算其反应活化能。结果表明:微波热脱附甲苯的活化能12.813 kJ·mol-1,常规热脱附甲苯的活化能为13.792 kJ·mol-1,说明微波比常规加热的能耗低。(4)基于单因素实验数据结果开展电磁场仿真优化研究,利用电磁仿真软件模拟土壤摆放位置、土层厚度、加热时间对微波温度场分布的影响,结果表明,土壤在加热仓内部紧靠后方腔体壁时,温度最高。土层厚度和加热时间都会影响土壤的加热温度,且其温度变化趋势与单因素实验中污染物去除趋势基本一致。
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