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微波技术在微波化学中的应用

国外微波能在化学合成、分析化学、新材料合成、陶瓷烧结、橡胶工业、造纸生产、

皮革行业、香料萃取、塑料工业等化工化学领域得到了广泛的应用。国内微波能在化学化

工各个领域内的应用研究参差不齐，在有些领域还较为落后。但近年来发展很快,并得到愈

来愈多的关注,微波化学在相关产业中的应用可以降低能源消耗、减少污染、改良产物特性,

因此被誉为“绿色化学”,有着巨大的应用前景。此外,微波在金属有机化合物、热分解反应

和环境保护等方面也都取得了很大进展,可以看出,微波化学实际上已成为化学学科中一个

十分活跃、富有创新成果的新的分支学科。

一、微波的加热原理和主要特点

微波加热有2个主要特点。其一,该加热属于体加热,热量产生于物质内部;其二,微波加

热表里一致,均匀、速度快、热效率高、产品质量好,可以进行选择性加热,容易实现自动化

控制。微波对被照物有很强的穿透力,对反应物起深层加热作用。对于凝聚态物质,微波主要

通过极化和传导机制进行加热。微波不仅可以改变化学反应的速率,还可以改变化学反应的

途径。微波辐射改变化学反应速率的原因主要有微波热效应(thermaleffects)和微波非热效

应(nonthermaleffects)。微波作用于反应物,加剧分子的运动,提高了分子的平均动能,加快

了分子的碰撞频率,从而改变反应速率。这种通过微波加热,使温度升高,改变反应速率的现

象称为热效应。微波热效应得到了众多学者的认可,微波加热机理也很清楚。而微波非热效

应则一直处于争论之中。微波化学中温度测量是一个难题,因此在研究微波化学机理时一定

要注意温度的测量和控制,这样才可能得到与常规加热对比的可靠结果。

二、微波的产生与传输

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奇妙的微波以它独特的功能开拓了微波应用的新领域,那么微波是怎样产生和传输的

呢?无线电波是由传统的电子管产生的,通过改进电子管的结构或控制电子运动速度,不断提

高振荡频率,让它们一直高到微波段,从而可产生微波。连续低功率微波可用gunn二极管或

速调管振荡器产生;而100w以上微波功率常用磁控管。微波一般是通过波导或同轴电缆传

输,也可以用天线将其聚

集成波束进行传输。

三、微波在化学中的应用类型

1.微波等离子体化学

微波对气态物质的化学作用主要属于这一类,它是利用微波场来诱导产生等离子体,进

而在化学反应中加以应用。最早在分析化学中利用等离子体的报道出现于1952年,等用形

成等离子体的方法,以原子发射光谱法测定了氢-氘混合气体中氘同位素的含量,后来他们又

将这一技术用于氮的稳定同位素分析,开创了微波等离子体原子发射光谱分析的新领域。微

波等离子体也用于合成化学,其中最为成功的事例包括金刚石、多晶硅、超细纳米材料的制

备;高分子材料的表面修饰及微电子材料的刻蚀净化等加工,其中不少已形成产业。

2.直接微波化学

即是指微波场直接作用于化学体系,从而促进或改变各类化学反应,它的作用对象主要

是凝聚态物质。1974年等首先利用微波炉加热样品。次年,有人用它做生物样品消解。在

微波炉密闭容器中,微波辐射引起的内加热和吸收极化作用及所达到的较高温度和压强使

消解速度大大加快,而且减少了氧化剂用量和痕量元素的损失。现微波溶样技术已作为标准

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方法广泛用于分析样品的预处理。微波直接用于化学合成,从等在1986年用微波炉进行酯

化、水解、氧化以来,在有机化学的十几类合成反应中也取得了很大成功。该法的主要优点

在于大大提高了收率、缩短了反应时间。如在酯化反应中,使用微波与普通加热方法相比,

反应速度要增加113～1240倍。同样微波在无机固相合成中也取得了可喜的成功,如沸石

分子筛、陶瓷材料及超细纳米粉体材料的合成。

四、微波化学的应用

微波化学是利用现代微波技术来研究物质在微波场作用下的物理和化学行为的一门科

学,是一门新兴的前沿交叉学科。微波辐射技术可加剧分子运动,提高分子平均能量、降低反

应活化能,所以在化学领域主要用来提高化学反应速度,甚至改变化学反应机理,启动新的反

应渠道;对一些反应物是极性的,而产物是非极性的或是弱极性的可逆反应来说,微波加热同

时还能提高收率。

1.石油化工中的化学应用

微波作用于稠油及高凝原油主要表现为稠油中的高分子化合物通过热效应(热裂解)和

非热效应(链、键的断裂),从而生成低分子有机化合物,通过提高油品质量降低粘度以达到提

高采收率与便于地面输送的效果。微波化学在油气田开发中其它方面的应用有:微波破乳、

微波脱硫、微波解堵、微波防止天然气中水化物的形成等。

2.烟草行业中的化学应用

烟叶加工成卷烟烟丝前通常需使用香精香料进行处理