微波技術(shù)及其應用

    微波通常是指波長(cháng)在lm-lmm的電磁波，初期主要用于通訊、廣播電視等行業(yè)。20世紀60年代后，人們逐漸將微波加熱技術(shù)用在紙類(lèi)、林木的物理加工過(guò)程。隨著(zhù)現代科技的迅速發(fā)展，微波技術(shù)己被廣泛應用于包括化學(xué)在內的許多領(lǐng)域，尤其作為實(shí)現綠色化工的手段之一而倍受人們關(guān)注。本文就微波加熱機理和微波技術(shù)在化學(xué)合成、化學(xué)分析、食品加工、環(huán)境監側與保護等領(lǐng)域的應用作一簡(jiǎn)要概述。

1微波加熱機理及特點(diǎn)

1.1微波加熱的機理

    微波是一種高頻率的電磁波，微波加熱意味著(zhù)將微波的電磁能轉變?yōu)闊崮?，轉變過(guò)程與物質(zhì)中分子等微觀(guān)粒子的運動(dòng)有關(guān)。當微波作用到物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)中微觀(guān)粒子可產(chǎn)生四種類(lèi)型的介電極化，即電子極化、原子極化、界面極化和偶極轉向極化，其中偶極轉向極化對物質(zhì)的加熱起主要作用。

    極性電介質(zhì)的分子在無(wú)外加電磁場(chǎng)作用時(shí)，偶極矩在各個(gè)方向的幾率相等，宏觀(guān)偶極矩為零。在微波場(chǎng)作用下，物質(zhì)的偶極子將重新取向，使宏觀(guān)偶極矩不再為零，形成偶極轉向極化。由于微波產(chǎn)生的交變電場(chǎng)以每秒高達數十億次的超高頻率變向，偶極轉向極化跟不上交變電場(chǎng)的變向而滯后，導致材料內部功率耗散，一部分微波能因此轉變?yōu)闊崮?，使物體本身升溫，即所謂的“內加熱”。換言之，就是在超高頻微波場(chǎng)的作用下，被加熱物質(zhì)的分子之間相互發(fā)生碰撞、擠壓和摩擦，由此產(chǎn)生深層、快速和均勻的加熱效果。物質(zhì)吸收微波能的程度可用介質(zhì)損耗角正切tg δ來(lái)描述，tgδ等于介電常數e’。與介電損耗因子e’’之比，物質(zhì)吸收微波能的能力隨tg δ的增大增加，因此，任一定的微波場(chǎng)中，物質(zhì)本身的介電仍性決定著(zhù)微波場(chǎng)對其作用的大小。

    根據物質(zhì)對微波能的吸收程度，可將各種材料分成導體、絕緣體和介質(zhì)。導體主要為金屬，如銀、銅、鋁等，微波不能進(jìn)入導體，只能在其表面反射;因此，為減小微波輻射對人體造成的傷害，可用金屬屏蔽微波輻射。絕緣體是指可穿透微波而對微波吸收很少的材料，其tg δ很小，如玻璃、陶瓷、耐熱塑書(shū)}、竹木器具等，均可作為微波加熱的容器。介質(zhì)能吸收微波，吸收程度用tg δ大小衡量，大多數有機化合物、極性無(wú)機鹽和含水物質(zhì)都能很好地吸收微波能并使溫度快速升高，這就為以微波技術(shù)手段介入有關(guān)化學(xué)反應或化學(xué)分析工作提供了有利條件。

1.2微波加熱的特點(diǎn)

    眾所周知，傳統加熱方法是利用外部熱源通過(guò)熱輻射由外到內逐漸傳導加熱，為避免溫度梯度過(guò)大，加熱速度往往不能太快，更無(wú)法對處于同一反應裝置內的混合物料的不同組分進(jìn)行選擇性加熱。與傳統加熱方式相比，微波加熱具有以下特點(diǎn)：

   （1）熱能不經(jīng)容器由外到內逐漸傳導，加熱速率快。

   （2）熱效率高，能耗小。

   （3）無(wú)熱滯后效應，易實(shí)現溫度控制。

   （4）加熱均勻，表里一致，溫度梯度小。

   （5）可以對混合物料中的各個(gè)組分進(jìn)行選擇性加熱，容易實(shí)現白動(dòng)化控制。

   （6）能同時(shí)促進(jìn)吸熱與放熱反應，對化學(xué)反應具有催化作用。

   （7）能降低化學(xué)反應的溫度。

   （8）能賦予某些高分子材料理想的性能。

2微波技術(shù)的應用

2.1在化學(xué)合成中的應用

    微波技術(shù)在有機合成上的應用始于二十世紀八十年代，當Gedye等人發(fā)現將微波加熱技術(shù)應用于有機小分子合成能顯著(zhù)提高反應速度后，利用微波技術(shù)促進(jìn)有機反應便成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。日前涉及微波加熱技術(shù)的有機合成反應有烷基化反應、酯化反應、取代與消除反應、磺化反應、烯烴加成反應、縮合反應、重排反應、周環(huán)反應和有機金屬反應等類(lèi)型。研究表明，微波技術(shù)在有機合成上的應用不僅可以加快反應速度，縮短反應時(shí)間，而且還具有操作方便、產(chǎn)率高、產(chǎn)品易純化等優(yōu)點(diǎn)。

    在無(wú)機化合物的合成方面，微波加熱主要要用于燒結和水熱合成。例如.以硅溶膠、偏鋁酸鈉、溴代十六烷基毗啶氫氧化鈉等為原料，采用傳統的電烘箱加熱方法，在80℃下晶化，72 h才能制得MCM-41分子篩。若在微波加熱條件下進(jìn)行同樣的反應，由于微波加熱迅速而均勻，晶化時(shí)間僅為2h。這不但節省了時(shí)間，降低了能耗，還可控制生成分子篩的晶型和結晶度。許多在工業(yè)生產(chǎn)上具有重要意義的無(wú)機化合物，如碳化物、氮化物、復合氧化物、硅化物、沸石等都可用微波加熱技術(shù)進(jìn)行合成。

    此外，微波加熱技術(shù)對粘度大、導熱性差的高分子化合物的合成與加工，對天然高分子材料的改性和固化也有良好的支持作用。

2.2在化學(xué)分析中的應用

    微波在化學(xué)中應用最廣泛的領(lǐng)域是分析化學(xué)，除用于微波等離子體(MWP)原子光譜分析所包含的MWP原子發(fā)射光譜分析(MWPAES), MWP原子吸收光譜分析(MWPAAS>. MWP原子熒光光譜分析(MWPAFS)和MWP原子質(zhì)譜分析(MWPMS)外，還可用于溶樣、苯取、脫附、測濕、干燥、分離富集、熱霧化、顯色和形態(tài)分析等。

    在樣品特別是固體樣本分析過(guò)程中，最耗時(shí)、最費力的工作往往是樣品的溶解。與傳統熱溶解樣品方法相比，微波加熱溶樣最突出的特點(diǎn)就是快速、節能。日前已建立的微波溶樣方法涉及的樣品包括化學(xué)、生物、藥物、食品以及眾多的合成材料。

    微波萃取主要用于對固體樣品的萃取，將樣品粉碎后加入溶劑，隨后施加微波在常壓、高壓或流動(dòng)條件下進(jìn)行萃取。與傳統萃取法相比，微波萃取有快速、回收率高、能耗小、溶劑用量少等優(yōu)點(diǎn)。由于避免了因長(cháng)時(shí)間加熱而引起的熱分解，微波萃取法有利于極性和熱不穩定化合物的萃取。

    微波加熱干燥是用微波加熱除去樣品中的揮發(fā)性物質(zhì)。微波加熱干燥用于重量法可測定水中固體或懸浮體?？焖?，節能同樣是微波加熱干燥法測定水分的突出特點(diǎn)。

食品保鮮通常離不開(kāi)防腐劑，然而防腐劑的食用會(huì )對人體健康產(chǎn)生不良影響。實(shí)踐表明，微波殺菌的顯著(zhù)效果能確保食品不添加任何防腐劑而延長(cháng)保鮮期。與其它生物體一樣，細菌也是由水、蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)組成，其中水是極性分子，在微波超高頻產(chǎn)生的交變電場(chǎng)的作用下被進(jìn)一步極化，井隨微波場(chǎng)極性的迅速改變而引起蛋白質(zhì)分子團急劇旋轉、振動(dòng)和升溫，進(jìn)而導致蛋自質(zhì)分子變性。在微波輻射下食品升溫的過(guò)程中，細菌和酵母菌等微生物將在短時(shí)間內被殺死，而食品的色、香、味和營(yíng)養成分并未受損?？梢?jiàn)，微波技術(shù)對食品殺菌和保鮮具有重要價(jià)值。日前，瑞典、德國、丹麥和意人利等國使用微波對切片面包殺菌、防霉、保鮮已達到工業(yè)化生產(chǎn)程度，我國的一些食品生產(chǎn)企業(yè)也開(kāi)始將微波殺菌技術(shù)應少目到部分食品的加工、運輸、貯藏及銷(xiāo)售中。

2.4在環(huán)境監測與保護中的應用

      環(huán)境監測工作離不開(kāi)對樣品的消解。在環(huán)境監測中，幾乎所有的分析測試方法均要求將樣品制各成溶液，樣品消解步驟直接影響到待測樣品分析測試的檢出限和準確度。本文有關(guān)微波在化學(xué)分析中的應用部分已經(jīng)就微波消解的特點(diǎn)作了簡(jiǎn)單介紹，由于該方法能加快樣品消解速度并減少痕量元素的損失，對環(huán)境的二次污染義小，故在環(huán)境監測領(lǐng)域己作為準方法廣泛應用于樣品分析的預處理。

當今世界能源危機日益嚴峻，為提高能源利用率，改善環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現經(jīng)濟、社會(huì )和環(huán)境的可持續發(fā)展，我們必須重新審視傳統的工作與生活方式。微波環(huán)保技術(shù)是微波處理技術(shù)與環(huán)境資源回收利用技術(shù)的新興交叉技術(shù)，其快速、高效、環(huán)境資源回收率高、省時(shí)節能和成本低等優(yōu)點(diǎn)都符合現代環(huán)保要求，相關(guān)技術(shù)已應用在廢棄物的處理與回收、消除水土污染、處理廢電路板并回收貴金屬、處理煙氣中的二氧化硫和制備環(huán)保材料等。

2.5在醫學(xué)上的應用

    微波所產(chǎn)生的高強度電磁場(chǎng)會(huì )改變生物組織內電荷與分子的運轉規律，改變細胞電位和細胞膜通透性，破壞微生物化學(xué)成分及結構，進(jìn)而導致細胞死亡。低溫短時(shí)的微波福射對霉菌、放線(xiàn)菌、酵母菌較敏感，對其它細菌亦有很強的殺滅作用。文獻資料表明，該方法用于口腔內疾病治療具有復診次數少、充填療效好、不產(chǎn)生機體免疫損害以及副反應小等優(yōu)點(diǎn)。

    此外，微波技術(shù)在藥物合成、病理診斷、標本前期處理以及染色、免疫組織化學(xué)反應、電鏡標本制備和陳舊性標本的再利用等方面亦有不俗的表現。

3結語(yǔ)

    微波技術(shù)因其顯著(zhù)特點(diǎn)，在化學(xué)、醫學(xué)、食品加工、環(huán)境監測與保護等領(lǐng)域的研究與應用具有無(wú)窮魅力。微波技術(shù)的發(fā)展前景，就是要突破傳統內容，與更多的學(xué)科相結合，創(chuàng )建一系列新的研究方向，充分發(fā)揮其快速、高效和節能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，為保護和合理利用自然資源服務(wù)。

    東莞市齊協(xié)微波設備有限公司是一家致力于研究工業(yè)微波設備應用，設計工業(yè)微波設備的專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家，歡迎各行業(yè)的用戶(hù)前來(lái)考察，洽談。

主要產(chǎn)品推薦： 烘干機  干燥機  殺菌機  微波設備