高功率脈沖技術在環保領域的應用張永民張碩一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性二、催化劑失活與再生高功率脈沖技術是當代高新技術的支撐學科之一；它以慢的方式儲存能量，然后，借助各種開關的快速切換實現脈沖壓縮、功率放大、用很短的時間、很高的強度以單個脈沖或受控的重復脈沖形式，將高功率電磁能量瞬間釋放給負載。各種高功率負載以不同的物理原理將高功率電磁能量轉換為所需要的能量形式，在可控的區域形成極端的物理環境（高能量密度、高功率），實現一般功率下所不能實現的功能。高功率脈沖技術介紹等離子體輻射X射線激光離子束電子束EMP、超寬帶微波輻射微波負載脈沖傳輸與阻抗匹配脈沖儲能(脈沖成形、壓縮、傳輸)初級儲能初級能源脈沖功率系統sns負載電熱炮

高能激光武器電磁炮

激光聚變電源ms-ms水中沖擊波

隨著化學工業的發展，在工業生產和人類生活中引入許多有機毒物，對人類的生產生活帶來了嚴重的危害。例如：在印染、醫藥、化工、造紙、釀造等行業產生的大量高濃度有機廢水經達標排放后，仍含有多種難以降解的有機毒物，并在水環境中殘留，具有一定的生物積累性和“致癌、致畸、致突變”的毒性，已給水環境帶來嚴重威脅。毒物是指在一定條件下，經生物體吸收后，引起生物機體功能性或器質性損害的化學物質。目前，已有超聲波處理、光催化氧化、電催化氧化、膜生物反應器和化學催化氧化等治理新技術的研發，指導重點污染行業實施清潔生產。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性

以強電磁脈沖或電離輻射降解有毒難降解有機污染物是一個新的技術方向，尚未得到有效的發展。因大功率納秒脈沖產生裝置或設備的工業化水平較低，脈沖電磁、電離輻射降解有機污染物的應用不夠廣泛。

有毒難降解有機污染物（如化石燃料中的有機硫和有機氮、二惡英、農藥、染料等）引起的環境污染已成為21世紀影響人類生存與健康的重大題目。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性

二惡英(dioxin)是指含有二個或一個氧鍵連結兩個苯環的一類含氯有機化合物的總稱，也即是氯代二苯并二惡英(polychlorinateddibenzo-p-dioxins)，簡稱PCDDs和氯代二苯并呋喃(polychlo-rinated

dibenzofurans），簡稱PCDFs的統稱，其嚴格的學術名稱應該是聚氯化二苯二惡英。氯原子取代數目不同而使PCDD和PCDF各有八個同系物(它們的化學結構相似，性質也具有一定的相似性)，每個同系物隨氯原子取代的位置不同又存在眾多異構體，總共210種，其中75種氯代二苯并二惡英和135種氯代二苯并呋喃。實際上，環境中的二惡英以混合物形式存在。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性PCDFs由2個氧原子聯結2個被氯原子取代的苯環。每個苯環上的氫原子都可以被1～4個氯原子取代，由于取代的位置和數量的不同可形成210種異構體(PCDDs有75種、PCDFs有135種)

。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性

二惡英有兩種形態：揮發性的氣體二惡英和顆粒狀的固態二惡英。它們在環境中都能長時間存在，且隨著氯化程度的增強，PCDD／Fs的溶解度和揮發性減小。二惡英僅在有機溶劑中溶解，水幾乎不能溶解。容易生成的溫度是180—400℃，分解溫度在700℃以上。在人與動物體內及受3lOnm左右紫外線照射時緩慢分解，在脂肪中高度分解。對酸、堿穩定，土壤吸著性高，揮發性低。自然環境中的微生物降解、水解及光分解作用對二惡英分子結構的影響均很小。例如，TCDD(四氯二苯異二惡英，共有22個異構體)具有很低的蒸發壓，25℃時僅為2.3×10-4Pa，熔點3O5℃，在水中的溶解度僅為0.2g／L，且熱穩定性好，即使溫度高達700℃也不會分解。

一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性

大量研究表明，很低濃度的PCDD／Fs對動物可表現出致死效應。人體暴露在很低濃度的PCDD／Fs環境中?？梢鹌つw痤瘡、頭痛、失聰、憂郁、失眠、內分泌紊亂、生殖及免疫機能失調等。并可導致染色體損傷、心力衰竭等。其最大危險是具有不可逆的致畸、致癌、致突變“三致”毒性。PCDD／Fs是迄今為止發現過的最具致癌潛力的物質(致癌毒性是曲霉素的10倍、3，4一苯并芘的數倍)。國際癌癥研究中心已將其列人人類一級致癌物。科學家們甚至擔心人類的進化是否會被這類物質而終止。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性

在PCDD／Fs眾多異構體中。其毒性可相差1,000倍。有17種2，3，7，8位置被氯取代的化合物毒性最明顯；其中又以2，3，7，8一四氯二苯對二氧芑(簡稱TCDD)毒性為最大。大致相當于沙林的10倍、氰化鉀的1000倍、砒霜的900倍；其皮膚接觸毒性是DDT農藥的20,000倍。攝入毒性是DDT農藥的4000倍。PCDD／Fs是目前世界上毒性最強的劇毒化合物。1盎司(28.35g)就足以置100萬人于死地。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性化學鍵(Chemicalbond)鍵長(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)化學鍵(Chemicalbond)鍵長(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)B—F-644N—H101389B—O-515N—N145159Br—Br229193N═N125456C—B156393N≡N110946C—Br194276N—O146230C—C154332N═O114607C═C134611Na—Br250367C≡C120837Na—Cl236412C—Cl177328Na—F193519C—F138485Na—H189186C—H109414Na—I271304C—I214240O—H98464幾種化學鍵的鍵長鍵能一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性化學鍵(Chemicalbond)鍵長(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)化學鍵(Chemicalbond)鍵長(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)C—N148305O—O148146C═N135615O═O120498C≡N116891P—Br220272C—O143326P—Cl203331C═O120728P—H142322C═O(CO2)-803P—O163410C—P187305P═O138585C—S182272P—P-213C═S156536Pb—O192382C═S(CS2)-577Pb—S239346C—Si186347Rb—Br294381Cl—Cl199243Rb—Cl279428幾種化學鍵的鍵長鍵能一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性化學鍵(Chemicalbond)鍵長(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)化學鍵(Chemicalbond)鍵長(Bondlength)/(10-12m)鍵能(Bondenergy)/(kJ/mol)Cs—I337337Rb—F227494F—F140153Rb—I318319H—H75436S—H135339H—Br142366S—O-364H—Cl127431S═O143-H—F92565S—S207268H—I161298S═S189-I—I266151Se—H147314K—Br282380Se—Se232-K—Cl267433Se═Se215-K—F217498Si—Cl-360K—I305325Si—F-552Li—Cl202469Si—H-377Li—H239238Si—O-460Li—I238345Si—Si-176幾種化學鍵的鍵長鍵能一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性C-Cl鍵的鍵長(Bondlength)177/(10-12m)；C-Cl鍵的鍵能(Bondenergy)328/(kJ/mol)；C-O鍵的鍵長143/(10-12m)，鍵能為326/(kJ/mol)

C═O鍵的鍵長12010-12m，鍵能為728/(kJ/mol)

C-C鍵的鍵長154/(10-12m)，鍵能為332/(kJ/mol)

C═C鍵的鍵長134/10-12m，鍵能為611/(kJ/mol)

C≡C鍵的鍵長120/10-12m，鍵能為837/(kJ/mol)N-N鍵的鍵長145，125，110

/(10-12m)；N-N鍵的鍵能159，456，946/(kJ/mol)

；與二噁英分子相關的幾種化學鍵的鍵長鍵能一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性降解二惡英的毒性主要措施是斷裂C-Cl鍵，也可斷裂C-O鍵，或斷裂C-C鍵致苯環開裂；1eV=1.60217653×10-19J，1J=6.25×1018eV；1mol質量中有6.02×1023個分子；單個二惡英分子的一個C-Cl鍵的鍵能為：54.67×10-20J，3.41eV；單個二惡英分子的一個C-O鍵的鍵能為：54.67×10-20J，3.38eV；單個二惡英分子的一個C-C鍵的鍵能為：54.67×10-20J，3.45eV；N—N的鍵能為26.5×10-20J，1.65eVN≡N的鍵能為156.7×10-20J，9.85eV一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性

標準大氣壓條件下，均勻電場中空氣擊穿電壓為30kV/cm。即，在此電場強度下，可致N2分子電離，即使考慮N2分子的鍵為N≡N三鍵，其鍵能為9.85eV。要斷裂將能為3.41eV的C-CL鍵，可用12kV/cm以上的電場強度即可。

與加載到空氣中的電場相比，降解二噁英的關鍵是如何為固體毒物加載脈沖高電壓。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性電磁脈沖：脈沖高電壓和脈沖強磁場，可采用脈沖高電壓為待降解的污染物施加強電場，以場致電離的方式致分子鍵斷裂，達到降解的目的。電離輻射：電離輻射是一切能引起物質電離的輻射總稱，其種類很多，高速帶電粒子有α粒子、β粒子、質子，不帶電粒子有中子以及X射線、γ射線。實際應用中，以電子、X射線最有可能。200nm的紫外光子能量約為6eV，從有機物的分子鍵能數據可知，紫外光子即可致污染物的分子鍵斷裂。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性高功率脈沖技術有兩種方式可應用于降解有機毒物以直流高壓加載到需要降解的固體毒物上，在降解的同時也會形成高壓擊穿，只能以脈沖形式加載?？刂泼}沖的寬度，在要形成擊穿的瞬間，停止加載，是高場強僅應用于化學鍵的斷裂，而不產生高壓擊穿。另外，輻射波電磁脈沖的效率較低，在一個有界波強勢中，根據待降解材料的介電常數，設計與脈沖功率源匹配的負載，將源的電磁能量有效的應用到降解。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性一般產生等離子體輻射均采用高壓放電獲得，采用直流放電時，能量將通過放電等離子體通道以焦耳加熱的模式耗散了。為此，自然科學基金前期研究了介質阻擋放電，期望放電等離子體通道不貫通以降低能量的耗散。

另一種方式是采用納秒脈沖高壓來獲得放電等離子體，當高電壓加載到負載后，形成放電等離子體，而在沒有形成貫通的放電時，高壓已經截止，在通過重復的放電有效利用放電能量。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性同軸線結構電場公式：

同軸結構的內外導體之間是極不均勻電場，可以在內導體周圍局部產生很強的電場強度。以N2的擊穿場強為列，在外導體直徑20cm和外加50kV脈沖電壓下，內導體直徑必須大于0.6cm，才能使其周圍的電場強度下降到N2的擊穿場強30kV/cm以下。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性

當內導體半徑很小時，導體周圍的電場強度將導致內導體表面發生強烈的場致電子發射，所發射的電子致周圍氣體發生電離，形成等離子體電暈。電暈層擴大了內導體半徑，直到電暈層外圍的電場強度降低到氣體擊穿場強以下。

可以采用金屬絲產生的強場電離待處理的污染氣體，電離層外仍然不斷發射電子電離外圍的污染氣體，達到降解的目的。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性

對于不適應電離的有毒物質，可采用石英管隔離。在石英管內裝特定的氣體，該氣體在電暈層電離后發出特定譜的紫外光，紫外光透出石英管降解待處理的有毒有害物質。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性目前已有大功率的重復頻率納秒脈沖發生器，可以應用于有機有毒物質的降解處理。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性

在已有的脈沖功率驅動源驅動源上以各種物理原理設計各種脈沖功率負載，將脈沖電磁能量轉換為需要的能量形式可以處理的有毒有害物質。一、脈沖強電磁、電離輻射降解有機物毒性二、催化劑失活與再生催化劑種類：硅酸鈉;加氫精制催化劑481-2B;加氫精制催化劑481-3;加氫精制催化劑;加氫轉化催化劑;加氫轉化催化劑T201;加氫轉化催化劑T202;脫硫脫砷催化劑;脫砷催化劑;氧化鋅脫硫劑T302;氧化鋅脫硫劑T304;氧化鋅脫硫劑;苯胺加氫催化劑;尾氣凈化催化劑;氧化鋁載體TAC-01;渣油加氫保護劑;脫氧劑BH型;T305型氧化鋅脫硫劑

Z112Y系列天然氣一段轉化催化劑

Z204型天然氣二段轉化催化劑CZ-4型天然氣二段轉化催化劑

CB-3型CO高溫變換催化劑

CB-5型CO低溫變換催化劑二、催化劑失活與再生

/docc/product/prodail.asp?auto_id=101&kind2=20型CO低溫變換催化劑

J106-2Q型甲烷化催化劑

A110-1、A110-2型氨合成催化劑

二、催化劑失活與再生催化劑失活的定義在催化劑使用過程中反應活性（轉化率）隨運轉時間而下降的現象稱為催化劑失活（deactivation)或衰變（decay)。催化劑失活的原因三個方面：化學的原因受熱（高溫）機械的原因二、催化劑失活與再生類型原因結果化學的結焦金屬污染毒物吸附表面積減少，堵塞表面積減少和催化活性降低活性位減少高溫受熱燒結非活性化合物的生成相轉變和相分離活性組分的包埋活性組分的揮發表面積減少活性組分喪失和表面積減少催化劑組成改變，表面積減少活性位減少活性組分減少機械的顆粒破碎結污催化劑床層溝流，堵塞表面積減少二、催化劑失活與再生結焦

或稱積碳，是指催化劑表面上生成含碳沉積物的過程；焦的形成是由結焦物在活性中心上的不可逆吸附引起的。表現為：（1）覆蓋表面，減少表面積；（2）覆蓋和包埋活性組分，降低活性；（3）堵塞孔道。結焦機理：酸結焦，脫氫結焦，離解結焦二、催化劑失活與再生酸結焦：烴類原料在固體酸催化劑上或固體催化劑的酸性部位上通過酸催化聚合反應生成碳質物質。

CnHm(CHx)y

脫氫結焦：烴類原料在金屬和金屬氧化物的脫氫部位上分解生成碳或含碳原子團。

CnHmyC離解結焦：一氧化碳或二氧化碳在催化劑的解離部位上解離生成碳。

二、催化劑失活與再生表現：1）分解并沉積在催化劑表面，封閉表面部位和孔；

2）自身的催化脫氫活性，促進結焦；

3）再生時的催化氧化作用，促進燒結；

4）熔融作用。金屬污染的來源：進料中所含毒物雜質吸附于催化劑表面，損害催化劑活性和選擇性。金屬卟啉（porphyrins)絡合物或非卟啉化合物，主要是V、Ni、Fe、Cu、Ca、Mg、Na、K等，含量ppm數量級。二、催化劑失活與再生中毒的程度：毒物與催化劑活性組分相互作用的性質和強弱。

可逆中毒：可以再生的、暫時性的中毒；

不可逆中毒：不可以再生的、永久性的中毒。中毒：催化劑所接觸的流體中的少量雜質吸附在催化劑的活性位上，使催化劑的活性顯著下降甚至消失，稱之為中毒。使催化劑中毒的物質稱為毒物。二、催化劑失活與再生（1）第V族和VI族元素具有未共享電子對的非金屬化合物,即N、P、As、Sb和O、S、Se、Te的化合物（2）金屬離子具有已占用的d軌道，并且d軌道上有與金屬催化劑的空軌鍵合的電子。（3）不飽和化合物

分子中的不飽和鍵能提供電子與金屬催化劑的d軌成鍵。二、催化劑失活與再生燒結：

粉狀或粒狀物料加熱至一定溫度范圍時固結，導致微晶長大，孔減少，孔徑分布發生變化，表面積減少，活性位數減少，催化劑活性下降。相轉變和相分離：熱和水熱引起的活性相相變甚至結構破壞則常造成嚴重失活，或永久失活；二、催化劑失活與再生顆粒破碎：

催化劑在使用過程中應力的作用和組成、結構、孔結構的變化引起機械強度下降，顆粒破碎。結污（Fouling)

固體雜質碎屑在催化劑顆粒上的沉積，遮蓋表面，堵塞孔道，甚至導致顆粒粘結。二、催化劑失活與再生現有的催化劑再生方法：燒焦再生（空氣、氮氣）超臨界溶劑再生溶劑再生水蒸氣再生二、催化劑失活與再生再生步驟：

燒焦－氧化去除催化劑表面的焦炭

氯化－通入有機氯化物，補充氯的損失，同時使金屬鉑轉化為氯化鉑，便于鉑的再分散

氧化（更新）－使鉑轉化為氧化物，便于鉑的固載化與分散

還原－通氫氣還原，使鉑還原為金屬態，恢復活性二、催化劑失活與再生再生前后重整催化劑性能比較

性能新鮮催化劑燒焦后催化劑再生后催化劑比表面積/m2/g190124124鉑平均晶粒度，nm5.014.55.0相對活性14036136二、催化劑失活與再生二、催化劑失活與再生定向沖擊波擊碎了串接在金屬筒上面的有機玻璃筒。

當沖擊波峰值壓力超過儲層的疲勞強度時，且持續一定的時間，就會撕裂儲層，在物體上造成裂隙，并隨著作用次數的增加不斷延伸，直至毀傷。二、催化