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微波-超聲波聯(lián)用技術(shù)，一種高效環(huán)保的綠色工論文
而將微波和超聲波聯(lián)用的工業(yè)技術(shù)目前尚未引起人們的普遍關(guān)注。上世紀(jì)八十年代末，科學(xué)家提出微波和超聲波聯(lián)合使用的概念，并且創(chuàng)造出了微波和超聲波混合反應(yīng)器模型。微波和超聲波活化能量性質(zhì)不同，聯(lián)合使用時(shí)在改善加熱和能量轉(zhuǎn)移時(shí)能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高能量使用效率，降低能量損耗，改善產(chǎn)物質(zhì)量。微波—超聲波聯(lián)用技術(shù)是一種有重要應(yīng)用前景的高效環(huán)保綠色工業(yè)技術(shù)。本文對微波—超聲波聯(lián)用技術(shù)的相關(guān)理論、應(yīng)用和發(fā)展趨勢進(jìn)行簡要介紹。
進(jìn)入21世紀(jì)，高效、節(jié)能、環(huán)保已成為開發(fā)新興工業(yè)技術(shù)的基本理念。在節(jié)能和反應(yīng)控制優(yōu)化方面，微波技術(shù)和超聲波技術(shù)已被證明為是非常有效的工業(yè)技術(shù)，但是這兩類技術(shù)在應(yīng)用過程中存在各自的局限性，如果能在同一裝置上同步使用微波和超聲波，由于微波和超聲波活化能量性質(zhì)不同，其聯(lián)合使用時(shí)可以在改善加熱和能量轉(zhuǎn)移時(shí)發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而大幅度提高能量使用效率，降低能量損耗，改善產(chǎn)物質(zhì)量。其在許多工業(yè)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，有可能成為一種新興的高效環(huán)保的綠色工業(yè)技術(shù)。
1 微波加熱的原理和特性
微波是一種非電離的電磁輻射，是頻率為300MHz～300GHz的電磁波，介于紅外線和無線電波之間。微波加熱的特性是來源于電磁輻射和物質(zhì)相互作用中的能量轉(zhuǎn)化引起的發(fā)熱，大多數(shù)物質(zhì)被微波加熱時(shí)主要是通過絕緣加熱作用，微波產(chǎn)生最有效的絕緣加熱頻率為0。915到2。45GHz[1，2]。微波輻射的激發(fā)會導(dǎo)致分子在外磁場內(nèi)調(diào)整其偶極子，由于電場誘導(dǎo)的極化和重定向現(xiàn)象，大多數(shù)微波和物質(zhì)中的反應(yīng)產(chǎn)生了化學(xué)聯(lián)系，因此，20世紀(jì)80年代以來，發(fā)展了一門新興學(xué)科——微波化學(xué)。微波反應(yīng)器應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)合成、無機(jī)化學(xué)合成和有機(jī)提取領(lǐng)域，大大提高了化學(xué)反應(yīng)效率。微波反應(yīng)器的設(shè)計(jì)需要考慮以下技術(shù)要求：（1）電場分布均勻，反應(yīng)器需要能夠獨(dú)立攪拌混合；（2）在考慮到微波的穿透深度后優(yōu)化設(shè)計(jì)反應(yīng)器的幾何尺寸；（3）能夠?qū)Ψ磻?yīng)器內(nèi)溫度和壓力控制參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控；（4）反應(yīng)器和配件的成本；（5）微波外泄和安全隱患。目前微波技術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域包括：微波與光化學(xué)；微波與壓力；微波與高溫合成；微波與等離子體；微波與真空。
2 微波技術(shù)的應(yīng)用
微波技術(shù)具有以下優(yōu)勢：（1）快速能量轉(zhuǎn)移；（2）大容積和選擇性加熱；（3）加熱均勻；（4）高生產(chǎn)效率；（5）快速的開啟關(guān)閉控制；（6）更加緊湊的設(shè)備；（7）環(huán)保。圖1為目前工業(yè)中使用的多模式微波反應(yīng)器[2]。
目前微波在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在食品工業(yè)中，微波代替常規(guī)烤箱加熱、干燥、解凍和蒸汽滅菌，可以選擇性調(diào)味、調(diào)色、避免食物的崩裂等。在橡膠工業(yè)中，微波替代傳統(tǒng)的使用熱空氣或者鹽浴硫化器進(jìn)行橡膠脫硫。在木材加工業(yè)中，溫和的微波干燥條件能夠使產(chǎn)品質(zhì)地均一，可以把油漆中的殘余水降到2%以下。在環(huán)保工業(yè)中，微波應(yīng)用于市政垃圾處理、醫(yī)院垃圾處理、核污染處理、高毒性物質(zhì)的處理、塑料回收處理等，能夠節(jié)約50%的垃圾處理成本。在生物制藥領(lǐng)域中，利用微波的反射、穿透、吸收、熱效應(yīng)和滲透速度快等特點(diǎn)，將生物組織和細(xì)胞中的生理活性物質(zhì)提取出來，可以顯著提高目標(biāo)成分的提取量，減少提取溶劑的使用。此外，微波技術(shù)在紡織工業(yè)、皮革加工、陶瓷工業(yè)中也有非常廣泛的應(yīng)用。
3 超聲波的原理和特性
超聲波是指頻率高于20kHz的聲波，其頻率下限高于人的聽覺上限。超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負(fù)載信息的載體或媒介，同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值時(shí)，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，可以與介質(zhì)相互作用使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)效應(yīng)，具體有以下效應(yīng)：（1）機(jī)械效應(yīng)。超聲波的機(jī)械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。（2）化學(xué)效應(yīng)。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng)，還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解、分解和聚合過程，超聲波對光化學(xué)和電化學(xué)過程也有明顯影響。（3）熱效應(yīng)。由于超聲波頻率高，能量大，被介質(zhì)吸收時(shí)能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)。（4）空化作用。當(dāng)超聲波振動在液體中傳播的音波壓強(qiáng)達(dá)到一個(gè)大氣壓時(shí)，其功率密度為0。35W/cm2，由于液體微粒的劇烈振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生大量微小空洞。
4 超聲波技術(shù)的應(yīng)用
超聲波是一種波動形式，它既可以作為探測與負(fù)載信息的載體或媒介（如醫(yī)學(xué)中的超聲診斷），同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值時(shí)，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（如超聲化學(xué)作用、醫(yī)學(xué)超聲治療等）。因此，超聲波目前廣泛應(yīng)用于化學(xué)（合成化學(xué)、電化學(xué)）、醫(yī)學(xué)（超聲影像學(xué)、超聲治療）、藥學(xué)（超聲藥物輸送、天然藥物超聲提�。┑葘W(xué)科領(lǐng)域。尤其超聲波清洗技術(shù)，由于超聲波清洗速度快、質(zhì)量好，又能大大降低環(huán)境污染，已成為電子工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等以及日常生活中不可缺少的實(shí)用技術(shù)。
羅馬尼亞開發(fā)的靜態(tài)超聲反應(yīng)器可以使從植物中提取藥用成分的時(shí)間從28天縮短至10小時(shí)。Prosonix公司開發(fā)的Prosonitron P500超聲反應(yīng)器應(yīng)用于晶體結(jié)晶，可以實(shí)現(xiàn)無種子誘導(dǎo)結(jié)晶和精確控制結(jié)晶粒徑。Hielscher公司制造的世界最大功率（16，000W）超聲反應(yīng)器，被設(shè)計(jì)成三到四個(gè)單元，可以對大體積的流體進(jìn)行均質(zhì)、分散處理，處理量可達(dá)50m3/h。
5 微波—超聲波聯(lián)用技術(shù)的提出和發(fā)展
將微波和超聲技術(shù)聯(lián)合使用會產(chǎn)生什么效果？上世紀(jì)八十年代末，意大利和法國科學(xué)家提出了微波和超聲波聯(lián)合使用的概念。從作用原理分析，兩種技術(shù)是互補(bǔ)的，微波提供了對固體顆粒間接性加熱和選擇性加熱的可能性，超聲產(chǎn)生的空化作用則可以提供大量集中釋放的能量[3]。兩種技術(shù)聯(lián)合使用時(shí)在改善加熱和能量轉(zhuǎn)移時(shí)能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高能量使用效率，降低能量損耗，改善產(chǎn)物質(zhì)量。
1995年，Jacques Berlan等首先制造出了實(shí)驗(yàn)規(guī)模的微波—超聲波混合反應(yīng)器模型。但是，實(shí)用化的微波—超聲波混合反應(yīng)器的制造還存在許多技術(shù)難題，例如，如何將金屬超聲裝置放置在微波區(qū)域。人們提出了一些解決方案：包括：微波和超聲波使用分開的反應(yīng)器，通過循環(huán)泵將液體從一個(gè)反應(yīng)器運(yùn)送到另一個(gè)反應(yīng)器中；使用單個(gè)反應(yīng)器同步內(nèi)置超聲和微波。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的微波—超聲波聯(lián)用反應(yīng)器。在新型微波—超聲波聯(lián)用反應(yīng)器中，微波能量由外部產(chǎn)生并且由外部循環(huán)波導(dǎo)引導(dǎo)進(jìn)入到反應(yīng)器內(nèi)部并在反應(yīng)器中心定位。另一種是在反應(yīng)混合物內(nèi)同步采用微波天線和超聲傳感器，這種結(jié)構(gòu)可以避免微波從反應(yīng)器內(nèi)泄漏的危險(xiǎn)，并且在超聲強(qiáng)度大的時(shí)候微波天線不會受到影響。
目前，微波—超聲波聯(lián)用技術(shù)已展示了良好的應(yīng)用前景，Cravotto 和Cintas等將微波—超聲波聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種能量的結(jié)合能夠促使大量的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，還可應(yīng)用于天然產(chǎn)物的提取和化學(xué)分析的樣品準(zhǔn)備。
近年來，我國已有少量關(guān)于微波—超聲波聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用的研究報(bào)道。如肖谷清等采用微波—超聲波聯(lián)用技術(shù)萃取中藥黃連中的總生物堿。楊勝丹等對采用微波—超聲波聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行中藥有效成分提取的研究工作進(jìn)行了綜述。微波—超聲波聯(lián)用技術(shù)在中藥和天然產(chǎn)物活性成分提取中顯示了巨大的優(yōu)勢�？梢猿浞掷贸暡óa(chǎn)生的強(qiáng)烈振動、空化效應(yīng)、攪拌作用，和微波的反射、穿透、吸收、熱效應(yīng)和滲透速度快等特點(diǎn)，顯著提高活性成分的提取量，縮短提取時(shí)間，同時(shí)，減少提取溶劑的使用，減少環(huán)境污染。陳東蓮等報(bào)道采用微波—超聲波聯(lián)用技術(shù)從醋酸乙烯廢觸媒中回收活性炭。
6 結(jié)語
微波和超聲波聯(lián)用技術(shù)已向我們展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景，但是這一新興技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用還有大量的技術(shù)難題等待解決，如微波和超聲波聯(lián)用反應(yīng)器高性能材料的獲得、金屬超聲波裝置與微波裝置的匹配、如何有效避免反應(yīng)器內(nèi)微波的泄漏、反應(yīng)器的同步加熱操作和對溫度的控制等。目前微波和超聲波聯(lián)用反應(yīng)器還處于實(shí)驗(yàn)室研究的階段，但是，有一點(diǎn)我們確信不疑，一種高效環(huán)保的綠色工業(yè)技術(shù)正在向我們走來。
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