1、HUNAN UNIVERSITY題目：微波技術(shù)原理及其在化學(xué)化工領(lǐng)域的應(yīng)用 微波技術(shù)原理及其在化學(xué)化工領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：本文介紹了微波技術(shù)原理以及其發(fā)展背景，并針對微波技術(shù)在化學(xué)化工領(lǐng)域的應(yīng)用概況進行了總結(jié)和介紹，也提出了應(yīng)用中的問題以及展望。關(guān)鍵詞：微波技術(shù)，化學(xué)，化工1. 引言微波是一種波長很短的電磁波，其頻率介于300 MHz-300 GHz，波長介于1 mm-1 m之間。因其波長介于遠紅外線和短波之間，故稱之為微波。微波具有的特點為高頻性、波動性、熱特性和非熱特性1。隨著科學(xué)的發(fā)展，微波技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在通信行業(yè)，如微波衛(wèi)星通信、微波散射通信、模擬微波通信和數(shù)字微波通信等。近

2、年來，微波以其高效、均勻、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點受到廣泛關(guān)注，并逐漸成為一種新型能源得到越來越廣泛的應(yīng)用2。2.微波技術(shù)的發(fā)展微波技術(shù)興起于20世紀(jì)30年代，在電視、廣播、通訊等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過長期發(fā)展后，美國于 1945 年率先發(fā)現(xiàn)了微波的又一特性，即熱效應(yīng)，并創(chuàng)新性的將其作為一種非通訊能源開始應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及相關(guān)科學(xué)研究中。微波技術(shù)的發(fā)展主要取決于微波器件的應(yīng)用和發(fā)展。早在20世紀(jì)初，就有研究人員開始了對微波理論的探索，并進行了相關(guān)的實驗研究。但由于當(dāng)時信號發(fā)生器功率較小，加之信號接收器靈敏度較差，實驗未能取得實質(zhì)性的進展3。1936年，波導(dǎo)技術(shù)的進一步發(fā)展為微波技術(shù)

3、的研究提供了可靠的理論及實驗條件。美國電話電報公司的George C. Southworth.將波導(dǎo)用作寬帶傳輸線并申請了專利，同時，美國麻省理工學(xué)院的M.L Barrow 完成了空管傳輸電磁波的實驗，這些工作為規(guī)則波導(dǎo)奠定了理論基礎(chǔ)，推動了微波技術(shù)進一步向前發(fā)展4。20世紀(jì)40年代，第二次世界大戰(zhàn)期間，雷達的出現(xiàn)和使用引起了人們對微波理論和技術(shù)的高度重視，并研制了很多微波器件，在此期間，微波技術(shù)迅速發(fā)展并在實際應(yīng)用中得到認可。但在當(dāng)時戰(zhàn)爭條件下，各國都忙于實際應(yīng)用，對微波理論的研究尚為欠缺，所以使得微波理論滯后于實際應(yīng)用。19451865 年，微波技術(shù)的發(fā)展速度有了明顯提高，同時，其應(yīng)用范圍

4、也更加廣泛。在這20年間，逐步開辟了微波新波段并形成了射電氣象學(xué)、射電天文學(xué)、微波波譜學(xué)等一系列新的科學(xué)領(lǐng)域。比較系統(tǒng)和完整地建立了一整套微波電子學(xué)理論，為微波技術(shù)的進一步發(fā)展打下了理論基礎(chǔ)。1965年以后，微波集成電路與微波固體器件的發(fā)展和應(yīng)用時微波設(shè)備朝著定型化與小型化的方向發(fā)展。目前，微波設(shè)備正向著更高頻段、寬頻帶、高功率、數(shù)字化、高可靠性、小型化等方面發(fā)展，單片集成化和毫米、亞毫米波段微波的發(fā)展已成為現(xiàn)階段微波技術(shù)研究的重點方向5。3. 微波作用機理 微波對物體的作用本質(zhì)上是利用電磁場能量的損耗對物質(zhì)做功的過程。眾所周知，極性分子由于存在較強的極性，在外加電磁場的作用下會產(chǎn)生偶極轉(zhuǎn)向的

5、極化。微波所產(chǎn)生的高頻交變電場變向速度極快，可以達到每秒數(shù)億次的頻率。對于微波本身，偶極轉(zhuǎn)向極化的速度相比電場方向變化速度稍慢，不能跟交變電場的轉(zhuǎn)向同步進行，從而造成了體系內(nèi)部電磁場能量的損耗。同時對于物質(zhì)本身，微波的作用是一個由微波能向熱能轉(zhuǎn)化的過程。本質(zhì)上講是由于極性分子會隨著在電磁場電場的的快速轉(zhuǎn)向和定向排列，會引起物質(zhì)內(nèi)部極性分子的劇烈運動并且會出現(xiàn)摩擦碰撞的現(xiàn)象，從而致使體系溫度迅速升高，實現(xiàn)由微波能向熱能的轉(zhuǎn)化。由于微波加熱是物質(zhì)自身發(fā)生偶極轉(zhuǎn)向極化而使電場能量損耗從而會有發(fā)熱的效果，所以不同物質(zhì)在微波電磁場作用下的熱效應(yīng)也不盡相同。微波對物質(zhì)的作用效果可以分為兩種，即熱效應(yīng)與非熱

6、效應(yīng)。其中熱效應(yīng)是指由于微波的介電加熱特性使物體形成不同溫度區(qū)域而產(chǎn)生的效應(yīng);非熱效應(yīng)是指微波固有的特性所產(chǎn)生的熱效應(yīng)外的其他效應(yīng)。其中微波所產(chǎn)生的熱效應(yīng)由于其具有加熱速度快、均勻加熱沒有溫度梯度、且沒有滯后效應(yīng)等優(yōu)勢，在相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的推廣使用6。4. 微波技術(shù)在化學(xué)化工領(lǐng)域的應(yīng)用微波輻射(microwave irradiation， MWI)最早用于有機合成反應(yīng)是在20世紀(jì)60年代利用電磁輻射脈沖進行丙烯酸酯、丙烯酸和異丁烯酸的乳液聚合。真正開始MWI技術(shù)在有機合成中的應(yīng)用，始于加拿大學(xué)者Gedye等7，當(dāng)年他們于1986年發(fā)現(xiàn)微波輻射下的4-氰基苯氧離子與氯芐的SN2親核取代反應(yīng)可以

7、使反應(yīng)速率提高1240倍，并且產(chǎn)率也有不同程度的提高。這一發(fā)現(xiàn)引起了化學(xué)界的極大興趣。自此，在短短的十幾年里，微波輻射促進有機化學(xué)反應(yīng)的研究已成為有機化學(xué)領(lǐng)域中的一個熱點，并逐步形成了一門引人注目的全新領(lǐng)域（Microwave-Induced or Microwave-Assisted organic syntheses）。在微波輻射作用(Microwave irradiation，MWI)下的有機反應(yīng)速率比傳統(tǒng)的加熱方法快數(shù)倍甚至上千倍，并可使一些在常規(guī)回流條件下不能被活化而無法進行或難以進行的反應(yīng)得以發(fā)生，且具有操作簡單、時間短、產(chǎn)率高、少用或不用催化劑、反應(yīng)溶劑或媒介物消耗少，易回收、純

8、度高、合成路線短等特點，因此微波在有機合成中得到廣泛應(yīng)用并迅速發(fā)展。現(xiàn)在微波化學(xué)涉及的反應(yīng)類型8-15包括酯化、Diels-Alder、重排、Knoevenagel、Perkin、Witting、Reformatsky、苯偶姻縮合、Deckman、羥醛縮合、開環(huán)、烷基化、水解、烯烴加成、消除、取代、自由基、立體選擇性、成環(huán)、環(huán)反轉(zhuǎn)、酯交換、酯胺化、催化氫化、脫羧等反應(yīng)及糖類化合物、有機金屬、放射性藥劑等合成反應(yīng)。微波技術(shù)同樣可用于化學(xué)材料的合成。目前，合成化學(xué)材料的微波方法主要有微波均相沉淀法、微波共沉淀法、微波水熱法、微波燒結(jié)法、微波固相合成法等。橄欖石型結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰(LiFePO4)是一

9、種新興的極具發(fā)展?jié)摿Φ匿囯x子電池正極材料，具有較高的理論比容量(170 mAh/g)、適中的電壓平臺(3.4 V左右)、優(yōu)良的循環(huán)性能、低廉的價格和良好的安全性、環(huán)保性，得到了人們廣泛的關(guān)注。徐云龍等16以有機表面活性劑聚乙二醇(PEG)為碳源，采用共沉淀-微波法合成了鋰離子電池正極材料LiFePO4/C，并探討了微波燒結(jié)時間對樣品結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)果表明:微波燒結(jié)9 min的樣品為單一的橄欖石晶體結(jié)構(gòu)和有較好的電化學(xué)性能，在室溫下，以0.1 C、0.2 C和1 C進行充放電，首次放電比容量分別達到154.3、139.7和123.9 mAh/g，循環(huán)20次后仍保持在152.3、134.3和1

10、18.5 mAh/g。采用微波法合成LiFePO4/C正極材料，相比常規(guī)燒結(jié)法可以顯著地縮短合成周期、節(jié)省能耗。硫化鎘是一種重要的半導(dǎo)體材料，在太陽能轉(zhuǎn)化、非線形光學(xué)、光電子化學(xué)電池和光催化方面具有廣泛的應(yīng)用。曹潔明等17通過微波固相反應(yīng)制備出了粒徑較為均勻的CdS納米粒子，通過研究微波加熱與不加熱、反應(yīng)時間和反應(yīng)時間間隔對制備CdS納米粒子的影響。實驗表明僅僅通過研磨不能得到較純的CdS納米粒子，而經(jīng)過微波加熱后則能獲得較純的CdS納米粒子;反應(yīng)時間為60s，粒子為球形，分散較均勻，粒徑分布較窄，平均直徑為4.9 nm;采用微波連續(xù)加熱時間較長的方式，有利于六方相硫化鎘的形成，因為由于大多數(shù)

11、硫化物在微波頻率段有較大的介電常數(shù)，具有較快的升溫速率，而立方相硫化鎘通過加熱作用可變?yōu)榱较?。長余輝材料是能夠存儲外界光輻照的能量，然后在某一溫度下(指室溫)緩慢的以可見光的形式釋放這些存儲能量的材料，稀土元素摻雜的硫氧化物是一種重要的長余輝材料。目前，稀土硫氧化物主要采用高溫固相法合成，合成溫度在9001300e，產(chǎn)物粒徑較大，需要研磨才能進一步使用。為此，人們一直致力于研究低溫、產(chǎn)物粒徑小且不需要研磨的合成方法。李文宇等18采用水熱-微波法合成了納米晶長余輝發(fā)光材料Y2O2S:Eu3+，Mg，Ti，通過XRD、TEM、熒光光譜表征表明:合成的納米晶長余輝發(fā)光材料Y2O2S:Eu3+，Mg

12、，Ti顆粒為單相六方晶，晶形完整顆粒小且分布集中，尺寸分布在3080 nm，發(fā)射光譜主要由波長位于469， 496， 513，539， 555， 586， 594， 615， 625和703nm處的窄帶發(fā)射峰組成，屬于Eu3+離子的4f-4f特征發(fā)射，發(fā)光顏色為紅色。該磷光粉經(jīng)紫外或可見光激發(fā)后呈現(xiàn)出長時間明亮的余輝發(fā)射，并且具有良好的穩(wěn)定性。微波技術(shù)也可應(yīng)用于輔助萃取工作。中醫(yī)藥和食品化工生產(chǎn)中存在著大量的固液浸取操作。傳統(tǒng)的浸取方法存在著浸取時間長、勞動強度大、原料預(yù)處理能耗大、熱敏性組分易破壞等缺點，而微波輻射輔助提取法具有選擇性高、提取時間短、易揮發(fā)性成分的提取得率高以及不需要特殊的分

13、離步驟等優(yōu)點。微波輔助提取技術(shù)利用微波射線輻射于溶劑并透過細胞壁到達細胞內(nèi)部，由于溶劑及細胞液吸收微波能，細胞內(nèi)部溫度升高壓力增大，當(dāng)壓力超過細胞壁的承受能力時，細胞壁破裂，位于細胞內(nèi)部的有效成分從細胞中釋放出來，傳遞轉(zhuǎn)移到溶劑周圍被溶劑溶解。該技術(shù)適用于許多天然物的提取，不受限制都可達到高效、快速、高度選擇性、安全無害環(huán)境的要求。近十幾年來，國內(nèi)外不少學(xué)者將微波應(yīng)用于天然產(chǎn)物的浸取過程中，有效地提高了收率。微波技術(shù)在廢水處理中也得到應(yīng)用。利用微波加熱具有不需傳熱、內(nèi)外同熱、沒有熱傳遞過程的熱損失特點，可將微波技術(shù)有效地用于污泥、有機污染物的處理。目前微波技術(shù)用于廢水處理的方法主要有:(1)微

14、波誘導(dǎo)氧化。微波誘導(dǎo)氧化反應(yīng)是利用某種強烈吸收微波的敏化劑把微波能傳給不直接吸收微波的有機化合物而誘發(fā)的催化反應(yīng)，其技術(shù)的關(guān)鍵主要是在微波誘導(dǎo)氧化工藝(MIOP)條件下制備催化劑。胡春華等19利用MIOP工藝條件以Fe2O3為催化劑處理模擬廢水及實際廢水，可以去除50%的COD及80%的色度的水。林于廉等20采用自制的Fe-Zr為催化劑、H2O2為氧化劑、正丁酸為模擬污染物，以TOC去除率為指標(biāo)，經(jīng)過正交試驗確定了微波/Fe-Zr聯(lián)用技術(shù)處理正丁酸模擬廢水的優(yōu)化條件，即處理TOC約為490 mg/L的150 mL正丁酸模擬廢水，F(xiàn)e-Zr的用量為4 g、H2O2用量為7 mL、微波爐的功率為6

15、40 W、微波的作用時間為10 min，此時對TOC的去除率高達95%。(2)微波激發(fā)紫外光處理廢水。趙暉等21采用NaClO為氧化劑，采用鐵炭微電解-微波激發(fā)紫外光協(xié)同作用處理活性紅195染料模擬廢水。當(dāng)NaC1O加入量為9mol/L，用鐵炭微電解-微波激發(fā)紫外光協(xié)同作用處理質(zhì)量濃度為400 mg/L的活性紅195染料模擬廢水50 min時，廢水脫色率達97%，COD去除率達82%。(3)微波輻射再生法。即首先用活性炭或其他吸附劑對污染物進行吸附，然后將飽和吸附劑置于微波場中進行輻射，使被吸附的污染物降解。微波輻射再生法處理廢水費用低，吸附劑可再生利用。(4)微波直接輻射法。即直接用微波輻射

16、含有(或不含)吸附劑的污染廢水，達到強化去除水中污染物的目的，該法有時還會與化學(xué)氧化、光催化等輔助方法相結(jié)合，以進一步提高污染物的去除效果。吳慧英等22對(3)(4)兩種方法對苯酚的去除效果及其效能進行比較。結(jié)果表明，在兩種微波輻射方式下，活性炭都能有效去除水中的苯酚，其中微波輻射再生法對活性炭的一次再生率可達96%，多次再生率為50%-70%;活性炭微波直接輻射法對苯酚的去除率較單獨活性炭吸附提高了7%-20%，在苯酚濃度較低(462 mg/L)時對其去除率最高達93%。試驗結(jié)果還表明，微波再生法的除污效能指標(biāo)(P)值普遍高于直接微波法，且活性炭可重復(fù)利用，是一種更為經(jīng)濟有效的微波方法。5.

17、問題與展望微波技術(shù)具有加熱速度快、效率高、成本低和環(huán)境效益好等特點。微波技術(shù)畢竟還是一門新興的科學(xué)技術(shù)還處在發(fā)展的初級階段，但目前人們對微波與物質(zhì)作用機理認識仍很膚淺，缺少理論研究成果，還難以對反應(yīng)條件及設(shè)備進行較為準(zhǔn)確的預(yù)期和設(shè)計，由此造成能用于化學(xué)反應(yīng)的微波設(shè)備還很少?？傊⒉夹g(shù)目前雖然還有許多不成熟、不完善的地方，但是隨著微波基礎(chǔ)理論研究的深化和工藝技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化，以及性價比高的微波反應(yīng)器的出現(xiàn)，微波技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域會更廣更寬，真正意義上的微波技術(shù)應(yīng)用的時代將會到來。致謝感謝老師們幾周來對我的諄諄教誨，老師們各個知識淵博，帶我們走進了一個更加深入的科學(xué)世界，同時，我也不自覺的對化學(xué)化工有

18、了一個更新的、更有深度的認識，大大的激發(fā)了我對于科研的興趣，更值得一提的是，老師在授課中無處不貫穿著對于科研的嚴謹態(tài)度，這是我最為敬佩的，最后再次感謝老師您的授課、教誨，謝謝您，祝您工作順利，身體安康。參考文獻1 趙克玉. 微波原理與技術(shù)M. 北京: 高等教育出版社, 2006. 148-159.2 丁興立,靳燦輝,韓耀華,等.微波技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用J.河北化工,2004,(1):15-17.3 翟曉敏,盛韶涵,何建敏J.系統(tǒng)工程理論與實踐,1998(7).4 張景林.安全評價基礎(chǔ)M.北京.兵器工業(yè)出版社,1991.5 陳萬金.安全科學(xué)理論與與實踐M.北京：北京理工大學(xué).2005.6 祁強

19、, 李萍, 張起凱, 等. 微波技術(shù)在石油加工中的應(yīng)用研究進展J. 石化技術(shù)與應(yīng)用, 2009, 27(2): 176-180.7 Gedye R, Smith F, Westaway K,et al.Tetrahedron Lett J, 1986, 27(3): 279-282.8 Ganapati D Y, Piyush S L. Enzyme and Microbial Tech J,2006, 38(6): 814-820.9 Jonathan D M., Rosalind F S. Tetrahedron Lett J, 2006,(62): 4685-4689.10 Lal D S Y, Amrish S. Tetrahedr