辐射法污染处理的技术研究

摘要：辐射法具有不用掺入化学制剂，没有二次污染威胁，适用面广泛，反应速度快，污染物降解完全度高，降解效率高等优点，是一种非常有研究潜力的污染物处理方式，本文对采用辐射法进行污染物处理的原理、辐射法污染处理过程的研究状况和工程应用进行了阐述，最后分析了辐射法存在的一些尚未解决的难题和今后的发展前景。

关键词：辐射法；电子射线；污染处理；绿色技术

中图分类号：F407.63 文献标识码：A 文章编号：

环境污染是当今世界关注度很高的一个重要的问题，生产活动不断多样化，废弃污染物的成分越趋于复杂，污染物允许排放的阈值标准也在日趋严格。单纯使用污泥活化等传统污染处理技术不能够完全解决污染物的净化问题，开发出一种简便、经济、有效并且能够进行多种污染物处理方法的需求日益迫切。辐射处理技术[1]作为近年发展的一种环境污染治理的新兴技术，运用电子加速器或者60Coɣ射线生成的高能量电子束对污染物进行净化处理，是原子能和平利用的一个重要实践。与传统的化学处理方法相比，辐射法是一种全新的污染净化手段，无需掺加化学试剂，没有二次污染，具有反应速率快、降解效率高、污染降解彻底、适应范围广等优点。运用辐射法进行环境污染的治理作为一种可持续利用和清洁度高的方法，日益受到科学家们的关注。

辐射法处理污染的机理

当前，辐射法降解污染的手段主要是运用60Coɣ射线或高能量电子束辐照。电子加速装置是辐射降解法中辐射源安全度最高的装置之一，电子法降解的作用主要由电子束的束流强度和电子束能量决定。电子的能量越高，电子在污染物中的射程就会越大，同时电子的射程也同所照射的污染物的阻止能力有关。一个电荷量为ze、速度为υ的带电粒子穿越一种原子序数为X的元素构成的纯阻滞介质时，因为带电粒子与介质的原子核核外电子会发生非弹性的碰撞，单位路程的能量损耗（阻止本领），由著名的贝特-布洛赫公式[2]决定，阻止本领越小，电子在原子中的射程就相应越大。电子束强度越大，参与降解过程的电子就越多，降解的效率也就越高。常用的另一种辐照技术，是60Co伽玛射线辐照技术，60Co首先进行β 衰变，变成激发态的60Ni，然后从激发态降能跃迁到基态，放射出伽玛射线。伽玛射线的辐射剂量率较低，适合实验室的研究，低剂量辐照时很容易进行控制。无论是采用伽玛射线，还是用电子加速器产生高能量电子束对污染物进行处理时发生的污染降解反应的机制都十分复杂。因为高能射线一方面可以对污染物进行直接作用，诱发污染物的分解和改性；而另一方面高能射线也能够与污染物中的水起作用，产生自由基、离子基、离子和水合物电子等一系列产物，这些产生的粒子具有高活性，可以与污染物发生氧化还原反应，使有机污染物降解，无机污染物还原。正常情况下，高能射线的辐照可以导致纯水中的水分子在10-16～10-14s内被激发，形成水合电子和H2O+离子。照射10-7s后，会生成eaq- 、H· 、OH· 、H2 、 H2O2 、H3O+ 等反应产物。生成的自由基中，eaq- 和H·是还原性活性粒子，OH·和H2O2是氧化性粒子。其中，水合电子eaq-和活性自由基OH·在水中的占有率达到90%以上，辐照处理过程中上述4种粒子参与的化学反应起到主要作用。

辐射技术处理污染物的研究状况

研究表明：辐射技术能够成功降解污染物中的有机物，杀死垃圾中的有害病原体。并且，辐射处理法还有除臭和脱色的作用。现在随着环保观念的不断提高，污染治理的重点已经从单纯治理转变成废物再利用，即从综合处理，变废为宝，化害为利的方向出发，对治理环境污染提出更高级的要求，而辐射法是一种可以满足上述发展要求的方法。更重要的是，将辐射法与其他经典方法共同作用，可以产生高效的协同效应。比如，辐射技术与臭氧和双氧水处理技术同时采用，能起到很好的协同处理效果。

辐射法处理有机污染物

在对液态污染物，如污水中的有机物辐照降解研究中，氯苯类化合物和氯酚类化合物的降解效应是目前受关注度很高研究课题。宋卫华研究了用电子束辐照2，4-二氯酚、2-氯酚和4-氯酚的降解过程，并且测定了相关降解过程中的降解产物。通过实验表明：电子束辐照法能有效地降解这三种有机物，而其降解过程能很好的满足一级动力学方程。王艳丽[3]利用能量级1.5MeV，束流1mA的高能电子束对二氯苯进行辐照处理。实验结果表明电子束对氯苯类污染的降解效果出众，对于邻二氯苯降解率达到50%时需要的辐照剂量为38kGy。电子辐射法对卤代烃的脱卤素也具有很好的效果，在照射剂量达到210KGy时，对二氯苯的脱污处理能达到80%的脱氯率。

苯胺类有机化合物作为一种重要的污染物，与其衍生物都具有高毒性，部分还具有高致癌性。边绍伟[4]用电子束技术对间氯苯胺、苯胺和对硝基苯胺进行辐照，在23kGy的剂量下，能够拥有95%以上的降解率。

酚类主要来源于工业污染，含酚类的废水是危害较严重的污染物。张剑波采用辐射法对酚类废水进行处理研究。结果表明：辐射降解法对酚类废水的处理可以起到出众的效果，在100 Gy/min的照射剂量率下，数个小时就可以达到较高的处理效果。并且，加入适量的双氧水能够更好的促进苯酚的完全处理。

辐照灭菌技术

病原体包括细菌和病毒，都是由有机物复合构成。因此辐射技术能够使污染物中的微生物失活。其处理效果取决于辐射的剂量，辐射区域内的温度，和不同微生物的抗辐射性的差异等。用小剂量（≤1kGy）进行辐射实验，可以对常见的沙门氏菌和大肠杆菌产生致死效应。而对于流感病毒，需要用2 kGy以上的伽玛射线才能达到90%以上的致死率。在微生物被消灭的同时，污染物的其他各项污染指标也得到了很好的处理。现在城市饮用水的灭菌仍然普遍采用次氯酸钠或者二氧化氯。而氯化物的投放会增加水中的有机氯化物含量，同时水中有机物同氯发生反应会生成高致癌性的三氯甲烷。如果采用辐射法进行灭菌处理，既能够有效灭菌，又不会生成有害的产物，并且辐射法对氯化物难以杀灭的病毒能够进行有效处理。辐射灭菌同时具有节约资源的作用，对缓解资源紧缺有很好的帮助，符合如今的环保标准。

辐射法处理无机污染物

辐射法可以用于无机物污染的处理（如重金属）。无机物污染的的消除主要是还原反应。金属离子污染物溶于水后，在水中H·和eaq-的作用下被还原成单质金属或者低价态金属，从污水中被沉淀出来。实验表明伽玛射线和电子束对含Hg2+和Pb2+的废水具有很好的处理效果。同时，研究表明用乙醇作为水中自由基的消除试剂，能够阻止分离出来的金属重新被氧化。浓度为10-3mg/L的Hg2+溶液在3kGy的辐射剂量下消除率为100%，浓度为10-3mg/L的Pb2+溶液在40kGy的辐射剂量下消除率为96%。伽玛射线对于溶液中的亚硝酸盐也有很好的去除效果，顾春晖[5]曾经有实验表明：伽玛射线对污水中溶解的亚硝酸盐能够起到良好的净化作用。浓度为0.25mg/L的亚硝酸盐在0.5kGy的射线剂量下，可以达到完全降解的效果。

辐射法的产业化

美国、巴西、韩国、俄罗斯等发达国家已经对辐射技术的污染处理进行了较为深入的研究，运用辐射法进行污染物，特别是污水处理已经经过了长期的技术研发，许多科研成果已经逐渐从实验室走入了规模化试点和生产，一些大规模的辐射法污染处理装置已经开始取得不错的社会和经济效益。毗邻我国的俄罗斯在辐射法的污染处理应用方面取得了非常出众的成果，先后进行了酚、氰化物和木质素的辐射法净化。如今很多发达国家已经注意到了辐射法在污染处理领域的巨大潜能，投入大量人力和物力去进行辐射法的研究。中国在辐射法环境处理方面研究较少，起步较晚，但最近几年我国加大了研究投入力度，已经取得了一定成果。但是仍距离部分发达国家有一定的距离，还有很多基础研究工作需要完成。

辐射技术存在的问题

辐射法的污染处理中，两种辐射源都具有鲜明的特点，伽玛射线穿透能力强，但反应时间比较长且辐射剂量偏低；高能电子束反应速率较快，可控性能好但是其穿透能力比较弱。辐射法作为一种新兴污染处理技术，它未得到社会的广泛利用，主要原因是由于成本过高。一般的电子加速器价格动辄上百万元，高能电子加速器更是价格上千万，投入成本太高，而且后期维护费用也很高，并且需要建造昂贵的安全防辐射装置。如果要使该技术在环保领域得到推广，经济方面的成本应该得到有效控制，最好能够结合其他传统处理技术使用。

参考文献：

［1］宋卫华,郑正,杭德生,等.电子加速器辐照降解氯酚的研究［J］.南京大学学报(自然科学), 2001, 37( 6)：730~734

［2］国际原子能机构. 同位素和辐射技术在环境保护中的应用 ［M］.北京： 原子能出版社, 1995: 96~137.

［3］ 王艳丽,吴明红,焦正,等.电子束辐照降解氯苯类废水［J］.精细化工，2005, 22( 1) : 53~55.

［4］ 边绍伟,王敏,杨睿,等.苯胺类污染物的电子束辐照降解研究［J］ .辐射研究与辐射工艺学报，2005， ( 2) :119.

［5］ 顾春晖,郑正,赵永富,等. - 辐照净化水溶液中亚硝酸盐的研究 ［J］ .农业环境科学学报, 2005, 24( 6) :1226~1228.