微波技術(shù)及其應(yīng)用

    微波通常是指波長在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(jì)60年代后，人們逐漸將微波加熱技術(shù)用在紙類、林木的物理加工過程。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，微波技術(shù)己被廣泛應(yīng)用于包括化學(xué)在內(nèi)的許多領(lǐng)域，尤其作為實(shí)現(xiàn)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(jī)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(jiān)側(cè)與保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用作一簡要概述。

1微波加熱機(jī)理及特點(diǎn)

1.1微波加熱的機(jī)理

    微波是一種高頻率的電磁波，微波加熱意味著將微波的電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽D(zhuǎn)變過程與物質(zhì)中分子等微觀粒子的運(yùn)動有關(guān)。當(dāng)微波作用到物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)中微觀粒子可產(chǎn)生四種類型的介電極化，即電子極化、原子極化、界面極化和偶極轉(zhuǎn)向極化，其中偶極轉(zhuǎn)向極化對物質(zhì)的加熱起主要作用。

    極性電介質(zhì)的分子在無外加電磁場作用時(shí)，偶極矩在各個(gè)方向的幾率相等，宏觀偶極矩為零。在微波場作用下，物質(zhì)的偶極子將重新取向，使宏觀偶極矩不再為零，形成偶極轉(zhuǎn)向極化。由于微波產(chǎn)生的交變電場以每秒高達(dá)數(shù)十億次的超高頻率變向，偶極轉(zhuǎn)向極化跟不上交變電場的變向而滯后，導(dǎo)致材料內(nèi)部功率耗散，一部分微波能因此轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽刮矬w本身升溫，即所謂的“內(nèi)加熱”。換言之，就是在超高頻微波場的作用下，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來描述，tgδ等于介電常數(shù)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，任一定的微波場中，物質(zhì)本身的介電仍性決定著微波場對其作用的大小。

    根據(jù)物質(zhì)對微波能的吸收程度，可將各種材料分成導(dǎo)體、絕緣體和介質(zhì)。導(dǎo)體主要為金屬，如銀、銅、鋁等，微波不能進(jìn)入導(dǎo)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}、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(shù)有機(jī)化合物、極性無機(jī)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(yīng)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(tǒng)加熱方法是利用外部熱源通過熱輻射由外到內(nèi)逐漸傳導(dǎo)加熱，為避免溫度梯度過大，加熱速度往往不能太快，更無法對處于同一反應(yīng)裝置內(nèi)的混合物料的不同組分進(jìn)行選擇性加熱。與傳統(tǒng)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(nèi)逐漸傳導(dǎo)，加熱速率快。

   （2）熱效率高，能耗小。

   （3）無熱滯后效應(yīng)，易實(shí)現(xiàn)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(xiàn)白動化控制。

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

   （7）能降低化學(xué)反應(yīng)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(yīng)用

2.1在化學(xué)合成中的應(yīng)用

    微波技術(shù)在有機(jī)合成上的應(yīng)用始于二十世紀(jì)八十年代，當(dāng)Gedye等人發(fā)現(xiàn)將微波加熱技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)小分子合成能顯著提高反應(yīng)速度后，利用微波技術(shù)促進(jìn)有機(jī)反應(yīng)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(jī)合成反應(yīng)有烷基化反應(yīng)、酯化反應(yīng)、取代與消除反應(yīng)、磺化反應(yīng)、烯烴加成反應(yīng)、縮合反應(yīng)、重排反應(yīng)、周環(huán)反應(yīng)和有機(jī)金屬反應(yīng)等類型。研究表明，微波技術(shù)在有機(jī)合成上的應(yīng)用不僅可以加快反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)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)。

    在無機(jī)化合物的合成方面，微波加熱主要要用于燒結(jié)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(tǒng)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(yīng)，由于微波加熱迅速而均勻，晶化時(shí)間僅為2h。這不但節(jié)省了時(shí)間，降低了能耗，還可控制生成分子篩的晶型和結(jié)晶度。許多在工業(yè)生產(chǎn)上具有重要意義的無機(jī)化合物，如碳化物、氮化物、復(fù)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(dǎo)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(yīng)用

    微波在化學(xué)中應(yīng)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程中，最耗時(shí)、最費(fèi)力的工作往往是樣品的溶解。與傳統(tǒng)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(jié)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、高壓或流動條件下進(jìn)行萃取。與傳統(tǒng)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(wěn)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。快速，節(jié)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防腐劑，然而防腐劑的食用會對人體健康產(chǎn)生不良影響。實(shí)踐表明，微波殺菌的顯著效果能確保食品不添加任何防腐劑而延長保鮮期。與其它生物體一樣，細(xì)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)生的交變電場的作用下被進(jìn)一步極化，井隨微波場極性的迅速改變而引起蛋白質(zhì)分子團(tuán)急劇旋轉(zhuǎn)、振動和升溫，進(jìn)而導(dǎo)致蛋自質(zhì)分子變性。在微波輻射下食品升溫的過程中，細(xì)菌和酵母菌等微生物將在短時(shí)間內(nèi)被殺死，而食品的色、香、味和營養(yǎng)成分并未受損。可見，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(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)程度，我國的一些食品生產(chǎn)企業(yè)也開始將微波殺菌技術(shù)應(yīng)少目到部分食品的加工、運(yùn)輸、貯藏及銷售中。

2.4在環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)中的應(yīng)用

      環(huán)境監(jiān)測工作離不開對樣品的消解。在環(huán)境監(jiān)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(zhǔn)確度。本文有關(guān)微波在化學(xué)分析中的應(yīng)用部分已經(jīng)就微波消解的特點(diǎn)作了簡單介紹，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(jiān)測領(lǐng)域己作為準(zhǔn)方法廣泛應(yīng)用于樣品分析的預(yù)處理。

當(dāng)今世界能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，為提高能源利用率，改善環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，我們必須重新審視傳統(tǒng)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(jié)能和成本低等優(yōu)點(diǎn)都符合現(xiàn)代環(huán)保要求，相關(guān)技術(shù)已應(yīng)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(yī)學(xué)上的應(yīng)用

    微波所產(chǎn)生的高強(qiáng)度電磁場會改變生物組織內(nèi)電荷與分子的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，改變細(xì)胞電位和細(xì)胞膜通透性，破壞微生物化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。低溫短時(shí)的微波福射對霉菌、放線菌、酵母菌較敏感，對其它細(xì)菌亦有很強(qiáng)的殺滅作用。文獻(xiàn)資料表明，該方法用于口腔內(nèi)疾病治療具有復(fù)診次數(shù)少、充填療效好、不產(chǎn)生機(jī)體免疫損害以及副反應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。

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

3結(jié)語

    微波技術(shù)因其顯著特點(diǎn)，在化學(xué)、醫(yī)學(xué)、食品加工、環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用具有無窮魅力。微波技術(shù)的發(fā)展前景，就是要突破傳統(tǒng)內(nèi)容，與更多的學(xué)科相結(jié)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(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，為保護(hù)和合理利用自然資源服務(wù)。

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