微波技术在环境保护领域的应用
微波技术起源于20世纪30年代，最初应用于通讯领域。微波技术在通讯以外的使用可追溯到20世纪50年代，而它在环境保护领域的应用则鲜有探讨。直到最近十几年间，人们才开始注意到微波技术应用在环境保护领域的潜力，现已成功地用于废气、废水、固体废弃物的处理及环境监测等方面，该技术在环境保护领域具有广泛的应用前景。
1 微波技术在环境保护领域的应用
1.1 用于废气处理
废气中的污染物主要指NOx、SO2、重金属、碳微粒等，这些物质对人类和整个生态环境危害极大。利用微波技术能处理废气中的SO2和NOx，同时还能有效地收集废气中的碳微粒。
废气中除SO2和NOx外，还有大量的N2、H2O、CO2和O2，这些物质能被5~20eV之间的电子能电离和激发，形成活性基[1]。微波这种高频电磁波具有高能性，可激发和电离N2、H2O、CO2、O2，形成·OH、·O2H、N·、O·、H·活性基和自由电子。·OH、·O2H、O·又与SO2和NO2和NOx反应生成SO3和NO2。因此，可以利用微波的高性能直接处理SO2和NOx。如：D.Martin[2]利用2.45GHz微波直接处理燃煤废气中的SO2和NOx，在微波辐射作用下形成的活性基与SO2和NOx结合，生成SO3和NO2,在水中形成H2SO4和HNO3，达到处理目的。
此外，在微波辐射下可采用一种易吸收微波射频（RF）能的物质为还原剂，处理废气中的SO2和NOx。RF能是一种能量存在的形式，它可提高化学反应的速度和效率，由于这种物质易吸收RF能，在RF能量场中温度会迅速升高，在气相和固相之间形成很高的温度梯度，而且随着RF能加快反应速度，这种物质夺取气相氧化物中的氧速度也加快，使氧化物还原成单质[3]。如美国Cha公司和怀俄明州大学联合用微波脱除燃煤锅炉烟气中的SO2和NOx。采用易吸收微波射频能的活性炭为还原剂，在RF能量场的作用下，不仅成功地使SO2还原成单质硫，NOx还原成保护气N2，碳转化为CO2，而且脱硫率达到95%以上[4]。
采用微波技术进行脱硫脱硝，没有传统湿式石灰/石调用法存在的二次污染、设备腐蚀、工艺复杂、效率低等问题，与电子束法相比投资小、装置简单、能耗低。因此，微波技术处理SO2和NOx必将在天然气、石油化工等领域赢得广阔的市场。
烟气中的碳微粒由于粒径极小，约为0.01~0.2μm，能长期悬浮于空气中，易于通过呼吸系统而沉积于人体肺泡内，极具致癌作用。国外正在研究一种采用微波加热收集碳微粒的收集器，当碳微粒积聚到一定程度时，可自动燃烧掉，收集器对碳微粒的滤除效果达到60%~90%，由于碳微粒能自动燃烧可免去人工收集的麻烦[5]。碳微粒收集器的废气净化效果非常明显，对当前柴油车的废气污染治理具有重要意义，结合我国当前的技术水平，很有必要进行研制开发和推广应用。
1.2 用于污水处理
污水中含有大量的有机污染物、无机污染物、污泥等，这些物质可对环境产生严重的污染。利用微波的加热特性，可将微波技术有效地用于污染。利用微波的加热特性，可将微波技术有效地用于污泥、有机污染物的处理及有机絮凝剂的制备。
微波加热具不需传热、内外同热、没有热传递过程的热损失特点，与传统加热法相比，微波加热的热效率高。因此，在生产污水处理过程中，可采用微波加热来代替传统加热使污泥脱水和干燥。有研究表明，微波加热可用于机械脱水后的污水污泥处理，而且效果尤为显著。傅大放等[6]报道，把污水厂未经消化的污泥放入微波炉中加热45min，直接的效应是污泥含水率的降低。经过机械脱水后的污泥用微波进行干燥，含水率由75%降低到50%以下，处理成本低，而且时间短，设备简单。因此，将微波加热用于对污泥的干燥处理，在技术上是可行的，经济上与传统方法也有可比性，利用微波加热处理机械脱水后的污水污泥，不但可以实现污泥农肥化、袋装化，而且也为污水厂污泥的资源化利用探索出便捷、高效的新途径。
处理污水中有机污染物常用的一种方法是活性炭吸附法，但吸附后的活性炭表面有机物却难以处理。微波辐射能有效地解吸活性炭表面的有机物，使活性炭再生并有利于有机物的消解和回收再利用。有研究表明，利用微波加热解吸可消解污水中的有机物[7]。如G.CHIH等[8]采用低能度的微波辐射，可以对污水中及附在粒状活性炭表面的有机毒物三氯乙烯、二甲苯、萘以及碳氢化合物等进行解吸和消解，其最终分解率达100%，处理后的水质长期保持稳定。此外，微波加热解吸还可回收有机物。如A.Hamer和P.A.Puschner[9]研制了一种固定床式的微波加热解吸装置，用该装置研究了从活性炭高分子和沸石中解吸回收乙醇和有机脂。因此，采用微波解吸处理污水中的有机物，不仅可消解有机物，还可获得高质量的回收产物。
微波加热是利用介质的介电损耗而发热，在极短的时间内使介质分子达到极化状态，加剧分子的运行与碰撞。由于电磁能量是以波的形式辐射到介质内部，内外同时加热，加热无滞后效应，所以体系受热均匀。因此，利用微波加热可合成某些分子量均匀的物质，由于加热无滞后效应，可大大加快反应速度，缩短反应周期。据报道，李万捷等[10]利用微波辐射制备聚丙烯酰胺（PAM）。他们采用微波加热丙烯酰胺溶液，只需5min就可合成PAM，而且PAM对洗煤废水的处理效果与常规加热法相比，煤粉微粒的絮凝吸附能力强，絮团沉降速度快，清水回收率高，利用微波辐射法制备PAM絮凝剂，不仅时间短、效率高、反应灵敏，而且加热均匀，分子量分布均一，对洗煤废水的处理效果好。因此，用微波加热可完成替代常规加热来制备污水处理所需的有机絮凝剂。
1.3 用于固体废弃物的处理
采用微波技术能用废物制备活性炭。据报道[11~13]，利用微波内部加热，在微波辐照下用氯化锌法（将废物锯末及烤胶废料分别与氯化锌溶液混合浸渍12h），只需8min可生产锯末活性炭及烤胶废料活性炭，其操作性能、吸附容量超过市售一级活性炭，比工业用活性炭更加优越。微波辐照下用氯化锌法生产活性炭解决了传统氯化锌法的热能利用率低、劳动强度大的问题，具有节能快速、加热易控制、产物性能好等优点。因此，采用微波技术可高效地制取废物活性炭，变废为宝。
微波技术还要使建筑垃圾回收再利用。据报道[14]，美国的CYCLEAN公司采用微波技术可以100%地回收利用建筑垃圾，再生旧沥青路面料，其质量与新拌沥青路面料相同，而成本可降低1/3，同时节约了垃圾清运和处理等费用，大大减轻了城市的环境污染[15]。利用微波技术回收建筑垃圾，不仅解决了常规处理垃圾采用的堆肥、焚烧、填埋所造成的二次污染、投资大、占地面积大等问题，使废物资源化。
微波辐射能对某些固体废弃物进行干燥和杀菌处理。丁迎伟等[15]利用微波辐射干燥动物粪便作为农业肥料的利用效率，并可杀灭病原体，既增加了养殖业的收入，又减少了农业污染。Alschuler[16]把下水道排出的粪便放入微波炉内，经过微波辐射干燥燃烧45min后，一堆糊状的污物就变成一堆干净的、粉状的灰。Ikawa等[17]把一块受污染的棉布放入微波炉内，只需1min微波杀菌率就能达到99%。因此，微波技术用于固体废弃物的干燥和杀菌处理，不仅方便、省时，而且污染小，效率高。
由于医疗垃圾具有毒性，难以用常规方法进行处理。有研究表明，微波技术既可用于现场医疗垃圾的处理，又可用于废物转移处理[18，19]。WernerCurt等[20]发现，许多医院在对有素养废物处理之前，采用微波对其进行消毒。在一定的条件下，将医疗废物浸湿粉碎之后，用微波对废物进行消毒，毒素会被彻底地消灭，废物体积也减小了60%~90%。微波处理医疗垃圾时间短，见效快，比当地烧尽废物更好。这种方法虽然一次性投资大，但却能获得长期的效益。
1.4 用于环境监测
目前，微波技术在环境监测中的应用主要是微波萃取和微波消解，微波技术在样品消解、萃取方面已在国外得到广泛的应用。
微波萃取基本原理是利用介质吸收微波能程度的差异，通过选择不同溶剂和调节微波加热参数，对物料中的目标成分进行选择性萃取，从而使试样中的某些有机成分（如有机污染物）达到与基体物质有效分离的目的。微波萃取已用于土壤及沉积物样品中有机污染物的萃取分离上，被提取的有机污染物包括有机氯农药[21]、多氯联苯[22]、邻苯二甲酸酯[23]等。微波萃取还可从植物和鱼组织中提取芳香油和其他油类，从聚烯烃产品中分离稳定剂等[24]。
微波消解基本原理是直接以试样和酸的混合物为发热体，利用微波从内部进行加热，由于其热量几乎不向外传递，热效率很高，试样充分混合，激烈搅拌，迅速地进行分解。微波消解已被用于大气颗粒物[25]、水、土壤、垃圾、煤飞灰、淤泥和沉积物等环境样品[26]。微波消解还能用于金属化合物的消化测定、生物样品的分析和水样中的化学需氧量的测定。
此外，采用微波技术可检测水中污染物。U.Raveendranat等[27]利用微波频率和品质因素Q的变化，能得知水中污染物的成分。这种检测方法与化学方法相比，操作简单、省时、装置费用低。但这种方法只能是定性分析，而不能定量分析。
1.5 其他应用
微波处理技术在环境保护领域的应用相当广泛。除了上述应用以外，微波技术还可应用于“绿色铸造"清洁生产工业。微波加热固化工艺具有高效、节能、无污染、工作环境好等优点，我们在铸造生产中利用微波加热来代替传统加热能提高水玻璃砂、呋喃树脂型砂、芯及水溶性有机粘结剂的性能[28]。我们已成功地研究了微波水玻璃砂工艺和微波树脂砂工艺，为传统铸造工业造型制芯的清洁生产提供了重要途径。
2 微波技术在环境保护领域应用中存在的问题
微波技术在环境保护领域中的应用前景令人鼓舞，但还存在一些问题。
2.1 微波泄漏对人体的影响
随着微波技术应用的日益广泛，它对人体健康有无影响的问题亟待明确。从微波的作用原理来看人体也会吸收微波，对人体会产生一定的危害。因此，在使用微波时，必须保证安全，以排除微波辐射对人体造成的不良影响。防止微波泄露的关键是微波反应腔的设计，目前，我们正在研究用计算机模拟设计微波反应腔，来达到减少微波泄露的目的。
2.2 微波场中的测温技术
微波技术在环境保护领域的应用主要基于它的热效应。因此，准确测定或计算微波场中温度场的分布情况就显得特别重要，温度场测量的准确性对提高处理效率、控制微波泄漏和降低能耗有重大意义。目前还没有一种很理想的方法能准确计算微波场中温度场的分布，美国设计开发了H500tH2900型等实验室专用微波处理器，在精确控温方面有很大的提高。微波技术的不断发展将有力地促进微波技术在环境保护领域的实际应用。
3 展望
微波技术在环境保护领域的应用，国内起步较晚，虽然不少人做过某些局部的试验，但是总体来说基础研究落后，微波技术在环境保护领域的应用特点是：节省能源与时间、简化操作程序、反应物产率增加、变废为宝，可显著降低废弃物的处理方面还有很大潜力。同时，微波技术也是一种很好的在线监测技术，在这方面应有很大的发展前景。基于微波技术在环境保护领域应用的优点微波技术也可在工业清洁生产中加以推广。随着人们对环保的重视和微波技术的不断完善，想念微波技术将会在环境保护领域得到更广泛的应用。
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