摘要：本刊（Radiation Physics and Chemistry）二十年前曾刊登一篇综述辐射技术研究进展的论文，该论文被引用逾百次。本文沿用前述首篇论文的结构，对辐射源工程、加工系统，以及辐射技术在灭菌、食品辐照、材料改性与合成、环境污染治理等领域的应用进展进行了全面性评述。

文章分析了这一对工业与科研均具重要意义的技术研究学科在发展中取得的成果与面临的难题。相关分析与观测到的发展趋势，可为研发及工业领域未来拟开展的工作提供方向指引，亦能为相关科研人员与专业从业者的工作提供参考。

关键词：辐射加工，工业γ射线源，工业电子加速器，电子束/X射线系统，辐射灭菌，食品辐照，聚合物加工，环境污染治理

核心亮点

- 辐射加工在全球经济多个领域持续发展进步。

- 探讨了辐射源及辐射技术的研发进展。

- 对未来研发与工业领域拟开展的相关工作进行了展望。

4. 环境应用

随着全球城市化进程推进、工业发展以及人口增长，环境污染物的种类与数量均快速增加。相较于自然过程产生的天然污染，人为污染已成为当前全球性的主要问题。有毒物质被排放至大气、水体与土壤中，不仅破坏生态系统、自然环境与地球气候，更对人类健康构成严重威胁。发电厂、工业生产与交通运输是大气污染的主要来源，颗粒物、酸性气体以及会导致温室气体排放的相关气体是造成空气污染的主要元凶。城市扩张与工业发展使得生活污水、农业废水与工业污水的排放总量持续上升。水体中污染物浓度过高，已超出其自身的自净能力。快速工业化产生的固体废物量不断增长，这些废弃物被填埋处理后，会向水体与土壤释放有毒物质。

为此，世界上大多数国家均出台了新法规，以管控并减少各类污染物的排放。废物回收与资源化利用是应对环境恶化的重要举措。采取有效的环境治理措施，其经济成本远低于地球生命支撑系统遭受不可逆环境破坏所付出的巨大代价。但要实现上述目标，仍需诸多创新技术与方法。研发出可在线处理大流量液态或气态污染物的新型高能电子加速器，是该技术应用领域的一项突破性成果。

这类加速器被装配在高效处理装置中，用于废水与废气的净化处理。不过，要让该处理技术具备市场竞争力，仍需进一步推进加速器技术升级。原因在于，这类设备需具备大功率、高能效运行表现与高可靠性，才能在严苛的工业环境中稳定工作。美国阿贡国家实验室曾举办专题研讨会，探讨加速器在能源与生态领域的应用（DOE，2015）。研讨会结论以表格形式刊载于相关文献中，阐述了重点研发方向，以及这些方向的技术突破对实现加速器性能与效率目标的意义。

加速器相关技术大规模推广应用的主要难点如下：

（1）缺乏可实现工业化规模化运行的加速器设备，其性能要求至少超出当前技术水平十倍；

（2）需研发兼具高可靠性、高效率，且能与现有技术竞争的加速器系统；

（3）这类新技术尚未开展中试应用，无法验证其处理效率与实际效果。

可结合具体数据，将上述需求与当前市场状况进行对比分析（见表5）。

Dhuley et al（2022）展示的引人瞩目的新研发成果中，包含一款专为企业与市政海量物料辐照处理而开发的中能（10MeV）、超高平均功率（1000kW）电子束加速器，其机械性能与技术特性尤为突出。该研究除参与技术方案设计外，还对电子束加速器的建设成本与运行费用展开了全面分析。

测算结果显示，其基建成本约为每瓦束功率8美元，辐照处理成本为13.5美分/吨/ kGy。Connelly et al. (2020) 研究了潜在的系统配置方案，并对径向电子枪的结构组成开展了初步的系统级分析。在此应用场景下，径向电子枪可用于烟气与废水处理。基于上述思路，研究设计了两套假想系统方案，二者差异源于待处理废物流的密度截然不同。烟气处理应用中介质密度较低，意味着需采用大口径的废物流通道以实现高效处理。

Chmielewski and Han (2016）的研究探讨了电子束加速器技术在生态环保领域的应用。

4.1 水与废水

采用电子束（EB）技术有效处理了中国广东省江门市日均排放量约30000立方米的实际印染废水。出水水质持续监测结果表明，电子束技术可作为一种前沿处理手段，显著提升化学需氧量（COD）与色度的去除效率。当进水COD浓度在180～280mg/L区间波动时，电子束处理单元的出水COD稳定维持在20～50mg/L。经处理后，印染废水色度大致降低至原有的十分之一。包含电子束处理单元运维在内的整个污水处理工艺运行成本为2.0～2.5元/m³。基于一年多运行监测数据可推断，电子束技术可用于难降解工业废水处理，是一种高效且经济可行的处理工艺（Wang et al., 2022）。

Meeroff et al. (2020)指出，该中国项目的成果可为相关工艺的技术经济评估提供依据，评估可基于不同功率效率、供电效率与使用剂量假设构建场景开展。他们开展了成本核算，核算涵盖年度初始投资成本以及在预期15年使用年限、4%利率下的维护运行费用。美国污水处理平均成本约为2～3美元/千加仑。然而，处理规模为1000万～5000万加仑/日的污水处理厂采用电子束处理的估算成本偏高，该数值远高于上述中国项目的已报道成本。

全氟化合物（PFC）凭借优异的疏油性、稳定性、疏水性与良好的表面活性剂性能，六十余年来在工业与民用生产中被广泛应用。全氟辛酸（PFOA）与全氟辛烷磺酸（PFOS）作为持久性有机污染物，几乎存在于河流等所有环境介质中。Si-Han Ma et al. (2017)研究表明，电子束辐照可有效处理有机污染物。

Khodadadi et al.（2022）通过中试研究，对比了介电屏障放电（DBD）等离子体、臭氧、γ射线辐照与紫外线在城市污水消毒及细菌再生控制方面的效果。研究发现，γ射线辐照在去除有机物、灭活有害微生物与抑制微生物再生方面效率最高，且能耗可控，能够满足无限制灌溉的水质限值要求。新型污染物，又称新兴关注污染物，是指尚无明确法规管控、对环境与人体健康影响尚不明确的物质。这类物质近期在污水与水生态系统中被广泛检出并报道。鉴于当前要求去除水体中新兴关注污染物（CEC）与内分泌干扰物（EDC）的趋势，电子束辐照有望成为解决此类广泛污染问题的高效可行手段（Capodaglio，2018）。

辐照技术可降解地下水中的氯代有机物、芳香烃、全氟和多氟烷基物质（PFAS）、农药、汽油添加剂等多种污染物。Bao et al. (2022)综述了电离辐射技术在污染地下水与土壤修复领域的最新认知与研究进展，深入阐述了该类技术的研究方向、实际应用与实验方法。

4.2 污泥

全球城市化进程正快速推进。目前，全球超过一半的人口居住在大都市区。城市污水废弃物的处置问题给市政部门带来了巨大挑战。然而，人类生活污水中蕴含着大量水资源、能源及营养物质。鉴于这些资源的重要性，在现代循环经济时代，污水处理厂的理念已升级为“资源回收设施”，取代了传统污水处理厂的概念。

经过数十年研究，辐射污泥无害化处理技术已在印度瓦多拉成功应用(Chmielewski et al., 2021）。城市污水污泥在排入自然环境前，必须对其中的病原微生物进行灭活处理。研究人员分别采用经厌氧消化与双重厌氧消化处理的污水污泥，评估了高能（10MeV）电子束辐照对多种选定病原微生物及指示菌种的灭活效果。电子束辐照可破坏指示生物以及细菌、病毒引发的感染性病原体。

不过，正如预期，各类微生物对电子束辐照的反应存在显著差异。例如，体细胞大肠杆菌噬菌体、肠道病毒以及细菌芽孢等有害微生物的抗辐照性远高于致病菌。按照美国环境保护署现行要求，最低辐照剂量需达到10kGy，即可大幅削减致病菌与病毒数量。体细胞大肠杆菌噬菌体可作为微生物指示物，用于监测污水污泥的电子束病原灭活处理过程(Praveen et al., 2013）。

从总大肠菌群与粪大肠菌群数量来看，γ射线辐照处理出水的效果优于污泥处理。在20kGy剂量下，污泥中的两类总大肠菌群数量下降了三个数量级。相较之下，出水经10kGyγ射线辐照后，大肠菌群即可完全灭活，而污泥即便在20kGy剂量下也仅能实现有限灭活。辐照后出水的化学需氧量、生化需氧量、浊度、电导率、pH值以及磷酸盐、硝酸盐含量均大幅降低，体现出更高的水质。处理后仅污泥中的钾、钙含量以及废水中的铜、氮含量发生变化。研究结果表明，通过γ射线处理可实现废水与污泥在农业土壤中的回用 (Lajayer et al., 2020)。

Selambakkannu et al. (2022) 在研究中重点对两个不同采样点的生活污水污泥样本中的邦戈里沙门氏菌（S2）、肠道沙门氏菌（S1）、肠球菌及大肠杆菌进行了定性与定量检测。该研究旨在验证电子束辐照对肠球菌与大肠杆菌的灭活效果，通过调节辐照电流，以不同剂量率核算灭活效率。不同剂量率不会改变污水污泥样本的理化性质，这一结果说明电子束处理可在不显著改变污泥样本特性的前提下灭活其中的细菌。研究人员在长达60天的长期储存过程中观察了辐照样本中微生物的再生情况，发现细菌仅在前7天以极低水平存活，而储存60天后未观察到细菌再生现象。

电子束辐照可有效应用于污泥处理。研究结果显示，电子束辐照作用能促进有机物分解，主要改变酯类、脂肪族、芳香族、醚类及酚类分子结构。同时，除辐照剂量外，污泥厚度与剂量率也对污泥组分有显著影响。若需补充有机质、磷与无机氮，电子束辐照剂量应高于20kGy；此外，较高的输送速度可保证厚度为0.3 cm的污泥获得良好处理效果（(Li et al., 2021），但该高浓度条件在实际应用中难以实现。

Chmielewski et al. (2021)通过表6开展了初步经济性研究，对比了仅采用电子束技术进行污泥无害化处理，与采用电子束技术实现沼气联产及污泥无害化处理的两种方案。

表6.初步经济分析（价格以2019年欧元计）：对比仅采用电子束技术进行污泥卫生处理，与采用电子束技术同时进行沼气热电联产及污泥卫生处理的方案（仅考虑运营成本，不计投资成本）（(Chmielewski et al., 2021a,b). 

5. 新型应用

辐射加工的应用已获得广泛认可，并在全球经济的多个领域持续稳步发展。例如，辐射工艺的现代应用依托于辐射引发的催化剂改性，这类催化剂可用于电催化、热催化及光催化还原二氧化碳。这是辐射技术的重要组成部分，可用于研发新型材料，这类材料能够制备用于捕集二氧化碳的混合基质膜。

Güven and Han (2022)对未来发展趋势进行了展望，并列举了辐射化学在材料制备与工艺研发中用于降低碳足迹的成功案例。利用低功率加速器对包装箔材及表面进行无溶剂固化处理并非新技术，但相关研究仍在推进。

Zhang（2022）首次报道了一种采用永磁体扩散方式的新型低能加速器。在固定检测尺寸范围内，该加速器的束流强度与剂量均匀性（2%）表现优异。基于该技术已研制出用于食品多层包装的复合薄膜生产设备，而其他研发机构主要采用线性阴极电子帘加速器。

Pavlov et al. (2022)探讨了有色金属矿石浸出、矿石富集和矿物加工、岩石破碎、气相合成、混凝土改性、碳酸盐分解、石油产品、木质素和石蜡裂解、天然气转化为汽车燃料、冶金制造废气净化以及火力燃煤发电厂等一些有前景和经过验证的放射化学和放射热技术。

然而，由于加速电子在部分高能耗创新技术中被视作潜在替代能源，此类应用在能源利用效率（从电网接入到电子束）方面的竞争力难以预估。此外，在浸出过程中，电子束仅能作用于固体材料的表层。

6. 结论

电离辐射源是推动技术发展的核心动力。自二十多年前首次发布辐射加工装置的评估报告以来，其基础物理原理与设计理念并未出现预期的重大突破，主要改进集中在产品管理系统。不过，现有系统已在工业领域成熟应用，具备可靠的实践参考依据。

食品辐照、灭菌以及以聚合物为主的材料加工等传统应用领域，最能直观体现技术与监管层面的新进展。这些应用领域正不断拓展，EB/X射线系统有望在相关工艺尤其是灭菌环节中成为关键核心设备。

γ辐照装置仍将发挥重要作用，尽管存在一定局限，在印度、中国等⁶⁰Co供应国更是如此。北美地区也呈现类似情况，即便安全监管日趋严格，γ辐照企业仍可与环氧乙烷灭菌系统竞争，而后者常被地方政府限制建设。此外，在可持续经济发展的时代背景下，化学药剂的使用理应受到限制。

生态领域应用对设备功率、电能效率要求较高，且需搭配低成本加速器，相关应用场景更为复杂。超导系统方案曾带来一定希望，但其优劣尚未在工业规模下得到充分验证。由于需要配备磁体冷却系统，这类装置可能无法达到预期的效率指标。若采用清洁能源为加速器供电，或可改善这一问题。

参考文献（略）

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*关联阅读：

辐射技术：未来已至（一）（点击跳转）

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