而将微波和超声波联用的工业技术目前尚未引起人们的普遍关注。上世纪八十年代末,科学家提出微波和超声波联合使用的概念,并且创造出了微波和超声波混合反应器模型。微波和超声波活化能量性质不同,联合使用时在改善加热和能量转移时能够发挥各自的优势,提高能量使用效率,降低能量损耗,改善产物质量。微波-超声波联用技术是一种有重要应用前景的高效环保绿色工业技术。本文对微波-超声波联用技术的相关理论、应用和发展趋势进行简要介绍。
进入21世纪,高效、节能、环保已成为开发新兴工业技术的基本理念。在节能和反应控制优化方面,微波技术和超声波技术已被证明为是非常有效的工业技术,但是这两类技术在应用过程中存在各自的局限性,如果能在同一装置上同步使用微波和超声波,由于微波和超声波活化能量性质不同,其联合使用时可以在改善加热和能量转移时发挥各自的优势,从而大幅度提高能量使用效率,降低能量损耗,改善产物质量。其在许多工业领域有良好的应用前景,有可能成为一种新兴的高效环保的绿色工业技术。
1 微波加热的原理和特性
微波是一种非电离的电磁辐射,是频率为300MHz～300GHz的电磁波,介于红外线和无线电波之间。微波加热的特性是来源于电磁辐射和物质相互作用中的能量转化引起的发热,大多数物质被微波加热时主要是通过绝缘加热作用,微波产生最有效的绝缘加热频率为0.915到2.45GHz[1,2]。微波辐射的激发会导致分子在外磁场内调整其偶极子,由于电场诱导的极化和重定向现象,大多数微波和物质中的反应产生了化学联系,因此,20世纪80年代以来,发展了一门新兴学科——微波化学。微波反应器应用于有机化学合成、无机化学合成和有机提取领域,大大提高了化学反应效率。微波反应器的设计需要考虑以下技术要求:(1)电场分布均匀,反应器需要能够独立搅拌混合;(2)在考虑到微波的穿透深度后优化设计反应器的几何尺寸;(3)能够对反应器内温度和压力控制参数进行监控;(4)反应器和配件的成本;(5)微波外泄和安全隐患。目前微波技术研究的热点领域包括:微波与光化学;微波与压力;微波与高温合成;微波与等离子体;微波与真空。
2 微波技术的应用
微波技术具有以下优势:(1)快速能量转移;(2)大容积和选择性加热;(3)加热均匀;(4)高生产效率;(5)快速的开启关闭控制;(6)更加紧凑的设备;(7)环保。图1为目前工业中使用的多模式微波反应器[2]。
目前微波在科学和工业领域得到广泛应用。在食品工业中,微波代替常规烤箱加热、干燥、解冻和蒸汽灭菌,可以选择性调味、调色、避免食物的崩裂等。在橡胶工业中,微波替代传统的使用热空气或者盐浴硫化器进行橡胶脱硫。在木材加工业中,温和的微波干燥条件能够使产品质地均一,可以把油漆中的残余水降到2%以下。在环保工业中,微波应用于市政垃圾处理、医院垃圾处理、核污染处理、高毒性物质的处理、塑料回收处理等,能够节约50%的垃圾处理成本。在生物制药领域中,利用微波的反射、穿透、吸收、热效应和渗透速度快等特点,将生物组织和细胞中的生理活性物质提取出来,可以显著提高目标成分的提取量,减少提取溶剂的使用。此外,微波技术在纺织工业、皮革加工、陶瓷工业中也有非常广泛的应用。
3 超声波的原理和特性
超声波是指频率高于20kHz的声波,其频率下限高于人的听觉上限。超声波是一种波动形式,它可以作为探测与负载信息的载体或媒介,同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响,改变以致破坏后者的状态、性质及结构。当超声波在介质中传播时,可以与介质相互作用使介质发生物理的和化学效应,具体有以下效应:(1)机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。(2)化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应,还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程,超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。(3)热效应。由于超声波频率高,能量大,被介质吸收时能产生显著的热效应。(4)空化作用。当超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时,其功率密度为0.35W/cm2,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生大量微小空洞。
4 超声波技术的应用
超声波是一种波动形式,它既可以作为探测与负载信息的载体或媒介(如医学中的超声诊断),同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响,改变以致破坏后者的状态、性质及结构(如超声化学作用、医学超声治疗等)。因此,超声波目前广泛应用于化学(合成化学、电化学)、医学(超声影像学、超声治疗)、药学(超声药物输送、天然药物超声提取)等学科领域。尤其超声波清洗技术,由于超声波清洗速度快、质量好,又能大大降低环境污染,已成为电子工业、机械工业、纺织工业、化学工业等以及日常生活中不可缺少的实用技术。
罗马尼亚开发的静态超声反应器可以使从植物中提取药用成分的时间从28天缩短至10小时。Prosonix公司开发的Prosonitron P500超声反应器应用于晶体结晶,可以实现无种子诱导结晶和精确控制结晶粒径。Hielscher公司制造的世界最大功率(16,000W)超声反应器,被设计成三到四个单元,可以对大体积的流体进行均质、分散处理,处理量可达50m3/h。
5 微波-超声波联用技术的提出和发展
将微波和超声技术联合使用会产生什么效果?上世纪八十年代末,意大利和法国科学家提出了微波和超声波联合使用的概念。从作用原理分析,两种技术是互补的,微波提供了对固体颗粒间接性加热和选择性加热的可能性,超声产生的空化作用则可以提供大量集中释放的能量[3]。两种技术联合使用时在改善加热和能量转移时能够发挥各自的优势,提高能量使用效率,降低能量损耗,改善产物质量。
1995年,Jacques Berlan等首先制造出了实验规模的微波-超声波混合反应器模型。但是,实用化的微波-超声波混合反应器的制造还存在许多技术难题,例如,如何将金属超声装置放置在微波区域。人们提出了一些解决方案:包括:微波和超声波使用分开的反应器,通过循环泵将液体从一个反应器运送到另一个反应器中;使用单个反应器同步内置超声和微波。在此基础上,科学家设计了不同结构的微波-超声波联用反应器。在新型微波-超声波联用反应器中,微波能量由外部产生并且由外部循环波导引导进入到反应器内部并在反应器中心定位。另一种是在反应混合物内同步采用微波天线和超声传感器,这种结构可以避免微波从反应器内泄漏的危险,并且在超声强度大的时候微波天线不会受到影响。
目前,微波-超声波联用技术已展示了良好的应用前景,Cravotto 和Cintas等将微波-超声波联用技术应用于化学领域,结果发现两种能量的结合能够促使大量的化学反应发生,还可应用于天然产物的提取和化学分析的样品准备。
近年来,我国已有少量关于微波-超声波联用技术应用的研究报道。如肖谷清等采用微波-超声波联用技术萃取中药黄连中的总生物碱。杨胜丹等对采用微波-超声波联用技术进行中药有效成分提取的研究工作进行了综述。微波-超声波联用技术在中药和天然产物活性成分提取中显示了巨大的优势。可以充分利用超声波产生的强烈振动、空化效应、搅拌作用,和微波的反射、穿透、吸收、热效应和渗透速度快等特点,显著提高活性成分的提取量,缩短提取时间,同时,减少提取溶剂的使用,减少环境污染。陈东莲等报道采用微波-超声波联用技术从醋酸乙烯废触媒中回收活性炭。
6 结语
微波和超声波联用技术已向我们展现出诱人的应用前景,但是这一新兴技术距离实际应用还有大量的技术难题等待解决,如微波和超声波联用反应器高性能材料的获得、金属超声波装置与微波装置的匹配、如何有效避免反应器内微波的泄漏、反应器的同步加热操作和对温度的控制等。目前微波和超声波联用反应器还处于实验室研究的阶段,但是,有一点我们确信不疑,一种高效环保的绿色工业技术正在向我们走来。
作者：刘天齐 来源：科技创新导报 2012年14期
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