孟 昭，張雪峰，青山章，平田俊道

(1.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.青山環(huán)保系統(tǒng)株式會(huì)社，日本滋賀 大津 520-2124；3.有限公司公鄉(xiāng)生命工學(xué)研究所，日本神奈川 橫須賀 238-0022)

量子物理中的環(huán)保新技術(shù)
——AOS技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

孟 昭1，張雪峰1，青山章2，平田俊道3

(1.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.青山環(huán)保系統(tǒng)株式會(huì)社，日本滋賀 大津 520-2124；3.有限公司公鄉(xiāng)生命工學(xué)研究所，日本神奈川 橫須賀 238-0022)

羥基自由基在污水處理工程高級(jí)氧化工藝技術(shù)中具有重要作用，但目前其相關(guān)生成技術(shù)普遍存在效率不高或成本過(guò)高等缺點(diǎn)。利用量子物理原理開(kāi)發(fā)出的AOS裝置可有效生產(chǎn)超氧陰離子，其本身具有超高氧化性外，利用加水分解反應(yīng)還可產(chǎn)生羥基自由基并有效分解有機(jī)物碳鏈，有望替代焚燒、熔融、加熱分解、超臨界、發(fā)酵、酶分解等熱化學(xué)手段而成為一種新的處理有機(jī)固體廢棄物的環(huán)保節(jié)能技術(shù)。

有機(jī)固體廢棄物； AOS發(fā)生器；超氧陰離子；羥基自由基；活性氧

目前，中國(guó)正處于工業(yè)化發(fā)展中期，經(jīng)濟(jì)發(fā)展正從粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式向集約式、節(jié)能型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變，但目前的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍以能源消耗較大的工業(yè)為主，資源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)破壞已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸[1]?！笆濉币?guī)劃綱要明確指出，要加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，提高生態(tài)文明水平[2]。

目前的環(huán)保處理設(shè)施主要建立在以焚燒、干燥、熔融這些需要消耗大量能源的熱依存型技術(shù)基礎(chǔ)之上。如何提高環(huán)保處理技術(shù)的能源利用率是未來(lái)我國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排方面的重大課題。由于目前所采用的手段難以大幅度降低能耗，所以研發(fā)全新的節(jié)能減排環(huán)保處理技術(shù)具有重要意義。

1 AOS技術(shù)的理論基礎(chǔ)

羥基自由基(·OH)是因其有極高的氧化電位(2.8 V)，化學(xué)性質(zhì)極為活潑，氧化能力極強(qiáng)，具有強(qiáng)烈的引發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化作用，故與大多數(shù)有機(jī)污染物都可以發(fā)生快速的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，無(wú)選擇性地把有害物質(zhì)氧化成CO2、H2O或礦物鹽，無(wú)二次污染。

有機(jī)物的分解方法主要有熱分解法(燃燒)、生化分解法(酶促分解)和化學(xué)分解法(Fenton反應(yīng))。這3種方法對(duì)分解溫度的要求和反應(yīng)速度差別很大：燃燒反應(yīng)需要數(shù)百攝氏度的高溫，反應(yīng)速度在數(shù)秒左右；酶促分解一般需要溫度在30～50 ℃，反應(yīng)速度在10～30 min；而Fenton反應(yīng)要求溫度在5 ℃以上，反應(yīng)速度在10-9s左右。

Fenton法是利用化學(xué)試劑產(chǎn)生的一種非常簡(jiǎn)單的氧自由基的反應(yīng)，是通過(guò)H2O2和Fe2+反應(yīng)產(chǎn)生的羥基自由基處理有機(jī)物。以葡萄糖(C6H12O6)分解為例，其Fenton反應(yīng)如下：

羥基自由基是世界上除元素氟以外最強(qiáng)的無(wú)機(jī)氧化劑，其可在瞬間氧化分解油脂、蛋白質(zhì)、碳水化合物和芳香族化合物等。如果能夠有效利用羥基自由基來(lái)分解有機(jī)物，又能回避Fenton法成本過(guò)高的缺點(diǎn)，則會(huì)獲得一種全新的超級(jí)節(jié)能減排環(huán)保新技術(shù)。

2 AOS技術(shù)的研發(fā)與羥基自由基的產(chǎn)生原理

美國(guó)深空1號(hào)探測(cè)器和日本游隼號(hào)深空探測(cè)器均采用一種利用從發(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴射出陽(yáng)離子來(lái)推動(dòng)飛船前進(jìn)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)[6]。這種發(fā)動(dòng)機(jī)將氙氣的離子化氣體在電場(chǎng)中加速并釋放，利用電子加速的反作用力使深空探測(cè)器獲得化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)10倍以上的加速度。

目前，世界上已經(jīng)研發(fā)出許多類似于離子發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造的氣體離子MPD噴射設(shè)備[7]。AOS是Super Radical Reactor的簡(jiǎn)稱，也就是超級(jí)自由基發(fā)生器。AOS構(gòu)造原理如圖1所示。

圖1 AOS的構(gòu)造原理

3 AOS技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用

研究開(kāi)發(fā)的AOS裝置外形尺寸為40 cm×30 cm×20 cm，總功率200 W。該設(shè)備能在1 mL空氣中產(chǎn)生數(shù)千萬(wàn)個(gè)帶電電荷，具有日消化處理200 kg廢塑料或有機(jī)垃圾或生物污泥的能力，無(wú)臭氣和二惡英有毒氣體產(chǎn)生。AOS的有效分解溫度為5～200 ℃，可將各種有機(jī)物分解為低級(jí)醇類、低級(jí)脂肪酸、醚、酮、甲烷等中間物質(zhì)，最終分解成CO2和H2O[8]。無(wú)論是含水狀態(tài)、溶解狀態(tài)或懸浮狀態(tài)均可處理，其處理的濃度范圍從百分之十幾到10-6。

3.1 廢棄塑料氣化發(fā)電系統(tǒng)裝置

大部分廢棄塑料都可以被回收再利用，但仍有一些無(wú)法回收再利用。對(duì)于這些很難再利用的廢舊塑料，一般采用焚燒或填埋方式進(jìn)行處理。填埋會(huì)造成耕地減少和地下水污染，焚燒則會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害氣體。于是，人們開(kāi)發(fā)出廢棄塑料再生利用、熱分解回收低分子化合物和焚燒回收熱能等既能實(shí)現(xiàn)資源再利用、又能減少環(huán)境污染的新技術(shù)。利用熱分解方法使廢舊塑料制品中的高分子鏈斷裂,得到低分子量氣體化合物并用于發(fā)電是目前被認(rèn)為最合理的方式，但目前一般采用的熱分解法需要燃料助燃，而如何將產(chǎn)生的氣體與其中含有的焦油成分進(jìn)行有效分離也很困難。

利用AOS處理法氣化分解廢舊塑料，其最佳分解溫度為150 ℃，所產(chǎn)生的甲烷、乙烯、丙烯等可燃性氣體可作為燃料加以利用。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是處理過(guò)程中無(wú)二惡英有毒氣體產(chǎn)生，并且不需要輔助燃料。此技術(shù)也可用于有機(jī)污泥、泥炭、紙漿等的低溫分解消化處理。

3.2 醫(yī)用固體垃圾氣化分解裝置

在日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的商用小型固體垃圾氣化焚燒爐上加裝AOS裝置和二次燃燒器，可使反應(yīng)時(shí)間縮短，10 ℃以下的低溫條件亦可處理，無(wú)煙塵、臭氣和二惡英產(chǎn)生。在火格子面積約0.5 m2的反應(yīng)器中加入紙屑、廢塑料、木屑、橡膠、纖維和紙尿布等，利用生物反應(yīng)使其氣化，再利用二次燃燒器將氣體完全焚燒。100 kg的固體廢棄物在4～6 h內(nèi)即可處理完全，處理后的殘?jiān)鼮榉蹱睢?/p>

3.3 餐廚垃圾、生物污泥分解裝置

在日本市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的生物垃圾發(fā)酵機(jī)上加裝AOS裝置，在50 L的發(fā)酵槽內(nèi)安裝由上至下的循環(huán)空氣管道和風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)的入口安裝AOS裝置。發(fā)酵槽內(nèi)投入餐廚垃圾、食品殘?jiān)?、糞尿污泥、蔬菜渣、魚(yú)塊、油渣、雜草等生物垃圾，24 h之內(nèi)即可處理完畢。特別是對(duì)于無(wú)法發(fā)酵分解的谷糠、可降解塑料、特殊物質(zhì)碎屑，也只需2～3 d即可分解完全。通常利用土壤細(xì)菌對(duì)生物垃圾進(jìn)行發(fā)酵處理時(shí)，發(fā)酵過(guò)程中會(huì)釋放出吲哚、糞臭素、甲基硫醚、硫化氫、氨氣等各種臭味氣體，而采用AOS處理未檢測(cè)出任何臭氣成分。附加AOS裝置后的生物垃圾發(fā)酵處理能力為原裝置的10倍以上，對(duì)于具有額定日處理5 kg生物垃圾能力的發(fā)酵機(jī)添加AOS技術(shù)后即可處理50 kg有機(jī)物。

3.4 日本琵琶湖水草的處理

琵琶湖是日本最大的淡水湖，但每年會(huì)產(chǎn)生大量水草、藍(lán)藻等。2015年利用AOS裝置進(jìn)行水草分解試驗(yàn)，獲得巨大成功，24 h即可將約50 kg水草分解殆盡[9]。目前，日本滋賀縣業(yè)已決定采用該技術(shù)處理每年產(chǎn)生的大量水草。

4 結(jié)語(yǔ)

AOS技術(shù)已開(kāi)發(fā)多年，目前作為可強(qiáng)力分解各種有機(jī)物設(shè)施而主要應(yīng)用于環(huán)保行業(yè)，其有效性和節(jié)能環(huán)保性已獲得日本環(huán)保技術(shù)界的關(guān)注。該技術(shù)已獲得日本政府的認(rèn)可，并由政府出資于2013年4月在北海道北見(jiàn)市建設(shè)投資一大型日

處理能力60 t的生物污泥消化處理中心，2016年8月正式啟動(dòng)。日本賽馬協(xié)會(huì)也已開(kāi)始嘗試采用該技術(shù)處理養(yǎng)馬場(chǎng)廢物，澳大利亞等國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)也開(kāi)始商談技術(shù)引進(jìn)事宜。

該技術(shù)可節(jié)省焚燒或熱分解工藝所需能量的4/5以上，發(fā)酵分解工藝所需能量的2/3以上。羥基自由基的氧化反應(yīng)速度極快，而所需能量消耗很少。目前，正在積極進(jìn)行環(huán)境、節(jié)能、資源再利用等方面的實(shí)用性技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。我們認(rèn)為，AOS技術(shù)是能有效替代焚燒、熔融、加熱分解、超臨界、發(fā)酵、酶分解等熱化學(xué)手段的嶄新的節(jié)能技術(shù)，未來(lái)在湖泊凈化、有機(jī)污泥分解消化、糞尿處理、超濾膜堵塞消除、廢舊塑料分解處理、PCB分解處理、脫臭等方面的應(yīng)用獲得普及和發(fā)展。

[1] 王崇梅.中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與能源消耗脫鉤分析[J].中國(guó)人口·資源·環(huán)境，2010,20(3):35-37.

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[6] 互動(dòng)百科.離子發(fā)動(dòng)機(jī)[EB/OL].[2016-05-10].http://www.baike.com/wiki/%E7%A6%BB%E5%AD%90%E5%8F%91%E5%8A%A8%E6%9C%BA.

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[9] 優(yōu)酷視頻.琵琶湖刈取り水草活性酸素処理試験[EB/OL].[2016-05-10].http://v.youku.com/v_show/id_XMTM1MjAyNTg0OA==.html?from=y1.7-1.2.

A New Environment Protection Process—Development and Application of AOS Technology

MENG Zhao1,ZHANG Xuefeng1,AOYAMA Akira2，HIRADA Toshimichi3

(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScience&Technology,Xi’an710054,China；2.AoyamaEco-systemCo.,Ltd.，ShigaPrefecture520-2124,Japan；3.KugoBiotechnologyInstituteCo.,Ltd.,Yokosuka238-0022，Japan)

Hydroxyl radical reactants is the foundation treatment in senior oxidation process of sewage treatment,but it′s generation technology efficiency is low and the cost is high.Base on the theory of quantum physics,AOS device is developed which can effectively produce the superoxide anion.In addition to having highly oxidation itself,it can also produce hydroxyl radicals effectively by using hydrolysis reactions which can effectively decompose organic carbon chain.The AOS technology is expected to replace the burning,melting,thermal decomposition,supercritical treatment,fermentation,enzymatic decomposition and other thermo-chemical methods and has become a new energy-saving technology.

organic solid waste；AOS generator；superoxide anion；hydroxyl radical；reactive oxygen

2016-05-11

孟昭(1963-)，男，四川人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榧{米材料制備及應(yīng)用技術(shù)、工業(yè)固體廢棄物再利用技術(shù)、污水及污泥處理技術(shù)。

X705

A

1009-2617(2017)01-0065-04

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.01.015