從工程的角度探討微波化學(xué)設(shè)備的發(fā)展
1.微波化學(xué)需要建立系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)
1986年加拿大Gedye教授發(fā)表了第一篇微波催化化學(xué)合成的論文（這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在家用微波爐內(nèi)做成的），把微波電磁場(chǎng)作為加速化學(xué)反應(yīng)的手段，引起了世人廣泛的關(guān)注。激發(fā)了化學(xué)工作者利用家用微波爐這個(gè)易得的實(shí)驗(yàn)條件，在化學(xué)和化工的廣泛領(lǐng)域做了許多開創(chuàng)性的試驗(yàn)，并獲得了令人振奮的成果。1992年9月在荷蘭召開了第一次世界微波化學(xué)會(huì)議，正式采用“微波化學(xué)”這個(gè)術(shù)語(yǔ),概括了這個(gè)科學(xué)研究的方向。化學(xué)工業(yè)界有識(shí)之士認(rèn)為,發(fā)現(xiàn)了催化劑是化學(xué)工業(yè)快速發(fā)展的第一個(gè)里程碑，可以期待著微波電磁場(chǎng)輔助催化化學(xué)反應(yīng)的發(fā)展，有可能成為化學(xué)工業(yè)快速發(fā)展的第二個(gè)里程碑。
微波技術(shù)工作者以十分興奮的心情閱讀了大量的微波化學(xué)的試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)識(shí)到這個(gè)領(lǐng)域正是微波功率工程研究應(yīng)該辛勤耕耘的一塊土地。微波功率工程應(yīng)該為微波化學(xué)的發(fā)展做好自己的工作，這是自己光榮的責(zé)任。就微波功率工程應(yīng)用的整體工作來說，是一個(gè)“服務(wù)性行業(yè)”，設(shè)計(jì)考察的首要條件是服從應(yīng)用學(xué)科的科學(xué)規(guī)律，微波設(shè)計(jì)以參變的方法使微波理論的規(guī)律和應(yīng)用學(xué)科的規(guī)律找到一個(gè)會(huì)合點(diǎn)，這是項(xiàng)目成功的首要條件。
從我們目前看到的微波化學(xué)的論文來看，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是相當(dāng)豐富的。但缺少化學(xué)實(shí)驗(yàn)和電磁場(chǎng)理論相結(jié)合的方法，分析實(shí)驗(yàn)成果的系統(tǒng)理論。這種系統(tǒng)理論，正是微波技術(shù)工作的出發(fā)點(diǎn)。
是否可以將眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果的“點(diǎn)”演繹成為規(guī)律，而這些規(guī)律和電磁場(chǎng)的參數(shù)具有內(nèi)在關(guān)系。
我們認(rèn)為，從微波理論的角度，可以引出的理論出發(fā)點(diǎn)如下：
化學(xué)反應(yīng)催化劑的研究已經(jīng)有一百年的歷史，對(duì)加快化學(xué)反應(yīng)速率起著決定的作用。從電磁場(chǎng)理論的角度來觀察，電磁場(chǎng)并非替代催化劑或分子篩的功能，是一種輔助功能，并不完全是取而代之，而是使原有催化劑的功能發(fā)揮得更好，發(fā)展其潛力，延長(zhǎng)其壽命。實(shí)際上電磁場(chǎng)的存在改善了固體的表面效應(yīng)，這些表面效應(yīng)正是催化劑催化化學(xué)反應(yīng)的用武之地。所以，從理論上可以預(yù)期，一些原先不可能作為催化劑的物質(zhì)，在電磁場(chǎng)存在的前提下可以具有催化功能。
理論分析是很清楚的，固體表面電磁場(chǎng)的存在：（1) 可提高分子碰撞的概率；（2)添加分子的碰撞能量（3）改變分子能量的類型（4)改變分子碰撞的方位（5)可能延長(zhǎng)反應(yīng)分子的碰撞時(shí)間。
從微波加熱的特點(diǎn)來考慮，電磁場(chǎng)加熱具有選擇性加熱的特點(diǎn)，催化劑的電介常數(shù)大，在催化劑顆；蚍勰┑泥徑尸F(xiàn)著陡峻的溫度梯度；所以反應(yīng)分子在催化劑的鄰近區(qū)域接收“強(qiáng)活化”的條件后，迅速離開高溫區(qū)，可防止反應(yīng)的逆轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的由表及里的傳熱加熱方法，是不可能產(chǎn)生微區(qū)的高溫條件的，也不可能建立不平衡的陡峻的溫度梯度。大塊的金屬是不可能進(jìn)行微波加熱的，但金屬催化劑粉末或顆粒，可以進(jìn)行微波加熱。
從微波氣體放電的理論來分析，在催化劑微粒的附近可能出現(xiàn)低溫等離子體鞘（qiao)層或電暈。
在大氣壓微波加熱的實(shí)驗(yàn)中，我們常常會(huì)發(fā)生初始狀態(tài)氣體放電現(xiàn)象。從微波加熱應(yīng)用器設(shè)計(jì)的角度來考慮，這些氣體放電現(xiàn)象是不會(huì)出現(xiàn)的；應(yīng)用器不可能出現(xiàn)如此高的電擊穿場(chǎng)強(qiáng)。這是由于加熱材料的尖端效應(yīng)，或高電介質(zhì)常數(shù)邊界切向電場(chǎng)連續(xù)效應(yīng)（高電介常數(shù)物料鄰近的切向電場(chǎng)遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)區(qū)）這些效應(yīng)，可以在催化劑鄰近構(gòu)成電暈或輝光放電，在此條件下為獲得離子、新生態(tài)原子、激發(fā)態(tài)粒子、自由基等，提供了有利條件。
這些電暈或輝光放電的鞘層，可以處于星星點(diǎn)點(diǎn)的分布狀態(tài)，不構(gòu)成整體的等離子體現(xiàn)象。這些星星點(diǎn)點(diǎn)的等離子體鞘層的微區(qū)，正是化學(xué)反應(yīng)取得強(qiáng)活化的條件。
從這里也可以看出微波催化化學(xué)反應(yīng)和微波等離子體化學(xué)兩者是具有內(nèi)在聯(lián)系的。
微波化學(xué)的內(nèi)容是多學(xué)科交叉的內(nèi)容，首先應(yīng)當(dāng)是化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和電磁場(chǎng)理論的充分滲透。在這個(gè)結(jié)合點(diǎn)上給出微波化學(xué)的理論出發(fā)點(diǎn)，給工程工作指出一個(gè)方向。微波化學(xué)的發(fā)展還需要其他學(xué)科的配合，特別是材料科學(xué)的配合。也就是說微波化學(xué)的發(fā)展，是需要多個(gè)學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)的系統(tǒng)工程。
2.微波化學(xué)應(yīng)從電磁場(chǎng)的全部參數(shù)來考察應(yīng)用效果
電磁場(chǎng)的參數(shù)是：頻率、頻率純度、極性、功率密度（場(chǎng)強(qiáng)）、調(diào)制狀況等。
從理想的條件出發(fā)選擇頻率，可以從整個(gè)電磁頻譜來考慮問題，在寬頻領(lǐng)域廣角度探索后再深入研究。國(guó)外有采用行波管放大器的寬帶功率源，其目的即在于此。
目前國(guó)內(nèi)微波化學(xué)的研究工作，大部分在2450MHZ這個(gè)頻段上進(jìn)行，部分還可能采用915MHZ頻段。這兩個(gè)頻段均采用連續(xù)波磁控管，并做成連續(xù)波功率微波源。但實(shí)際情況均具有較大的波紋因素，說得確切一些是三相全波整流或單相全波整流的波形被磁控管銳化了波紋狀態(tài)。家用微波爐的電路結(jié)構(gòu)實(shí)際上是可控的單相半波倍壓整流電路，其波紋因素更大。
這種工作狀態(tài)受電網(wǎng)波動(dòng)的影響，平均功率不斷變化，具有很大的不穩(wěn)定性，造成功率密度的不確定。在實(shí)驗(yàn)要求很嚴(yán)格的情況下，會(huì)造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性不滿意。
近來微波等離子體的研究首先發(fā)現(xiàn)這些問題，電源的不穩(wěn)定性會(huì)造成等離子體參數(shù)的變化。
用毫秒級(jí)的脈沖調(diào)制連續(xù)波磁控管，在許多實(shí)驗(yàn)中取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。理論分析調(diào)制通斷時(shí)間的選定可以獲得改善效果。
1. 物料介電損耗的正溫度系數(shù)銳化了不均勻的加熱效果，造成局部點(diǎn)的熱失控現(xiàn)象。必要的周期停頓，利用熱平衡的過程，可以緩解這些不均勻因素，抑制熱失控現(xiàn)象的建立。
2. 避免了微波輔助催化反應(yīng)過程中若干不需要副反應(yīng)的累積。周期性的停頓可以避免這些副反應(yīng)累積增強(qiáng)，停頓就是副反應(yīng)的衰落，再?gòu)男麻_始，這樣就避免了副反應(yīng)的過度增長(zhǎng)。
從這些情況可以看出，嚴(yán)格的微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)，微波設(shè)備應(yīng)能給出穩(wěn)定可靠的設(shè)備技術(shù)參數(shù)，從而可以從這些設(shè)備給出的確切工作狀態(tài)，換算成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的電磁波參數(shù)。
目前微波等離子體化學(xué)研究工作，已經(jīng)較充分的考慮了這種嚴(yán)格的設(shè)備條件，這是微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以借鑒的。
3 .用家用微波爐作微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)的局限性
應(yīng)當(dāng)承認(rèn)家用微波爐進(jìn)入化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是一種初級(jí)的實(shí)驗(yàn)儀器，作一些簡(jiǎn)易改裝，可以滿足多種實(shí)驗(yàn)的條件。但是其存在著許多局限性，一些理論預(yù)計(jì)可以成功的實(shí)驗(yàn)，有時(shí)無(wú)法在家用微波爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
主要的限制性是：
1. 一般而言，功率密度較低，一些需要高場(chǎng)強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)無(wú)法在家用微波爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)，尤其是一些低損耗的實(shí)驗(yàn)，是無(wú)法在家用微波爐內(nèi)完成的。
2. 市售的家用微波爐均勻度欠佳，尤其厚層物料上下均勻度更差。
3. 真實(shí)饋入微波爐腔的有效功率，受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)影響有較大幅度的變化，影響了對(duì)功率密度要求很嚴(yán)格的這類應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。
4. 無(wú)法知道較具體的工作狀態(tài)，即缺少入射功率和反射功率的正比顯示。因此在家用微波爐的實(shí)驗(yàn)無(wú)法標(biāo)明場(chǎng)密度對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的關(guān)系。
應(yīng)當(dāng)說家用微波爐進(jìn)入化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，已取得了豐富多彩的成果，這個(gè)成績(jī)是不可磨滅的，但是家用微波爐的實(shí)驗(yàn)的成果，無(wú)法為中試設(shè)備的設(shè)計(jì)提供確切的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。為家用微波爐所否定的實(shí)驗(yàn)，很可能在許多專用的微波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)取得效果。
從設(shè)備的角度來看，微波化學(xué)進(jìn)一步的發(fā)展，研制更適合微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)效果的設(shè)備是非常必要的。設(shè)備可從二種類型發(fā)展：
一、微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)專用微波爐 。
二、實(shí)驗(yàn)室微波化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)目的是使電磁場(chǎng)條件更易明確而穩(wěn)定的確立，使研究工作更有效的進(jìn)行，加快研究的進(jìn)度。
4.微波化學(xué)專用微波爐
微波化學(xué)專用微波爐，是為特定的化學(xué)研究領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的，能充分滿足特 定領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)的需要。
一般情況下，可使用同一的腔體，但引入不同的門結(jié)構(gòu)。（如高氣壓實(shí)驗(yàn)的微波爐，宜采用升降門結(jié)構(gòu)，以滿足實(shí)驗(yàn)條件下的安全性能）采用穩(wěn)定可靠的磁控管電源設(shè)計(jì)，提高功率輸出的穩(wěn)定度及重調(diào)精確度。應(yīng)設(shè)置入射功率和反射功率的比例顯示，實(shí)時(shí)顯示具體的工作狀態(tài)？蓳Q算成應(yīng)用微波功率的具體量值。
專用微波爐采用較大功率的微波源（可以二種類型，采用5KW，2KW磁控管或采用800W，三管制），以取得比家用微波爐更高的功率密度。如需要，爐腔內(nèi)微波電場(chǎng)的取向，可沿X•Y•Z三個(gè)方向的設(shè)置，并增加腔體底部饋能，腔底饋能可改善上下的均勻程度。還可以增加兼容托盤或容器旋轉(zhuǎn)功能。
專用微波爐的類型如下：微波馬佛爐，微波焚燒爐，微波消解爐，含高氣 壓容器微波爐，微波樣品處理儀，微波病理分析儀等。
用專用微波爐做微波化學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究，估計(jì)可取得更好的實(shí)驗(yàn)效果，改善實(shí)驗(yàn)效果的重復(fù)率。采用專用微波爐對(duì)于高介電常數(shù)或中等介電常數(shù)的處理對(duì)象，可得到比較理想的效果。在專用微波爐內(nèi)取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)中試設(shè)備或產(chǎn)業(yè)化設(shè)備的研制就更具有參考價(jià)值。
5.實(shí)驗(yàn)室微波化學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)室微波化學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)由微波功率源,大功率波導(dǎo)元件、微波應(yīng)用器及傳感與控制四部分組成。應(yīng)用器是針對(duì)應(yīng)用試驗(yàn)的類型而設(shè)計(jì)，其微波功率密度按需要而設(shè)定，并按試驗(yàn)需要兼容各種功能，具有較強(qiáng)的專用性質(zhì)。微波功率源、大功率波導(dǎo)元件及傳感和控制三種類型的部件，是通用的部件，可按需要而選定。
我們致力于不斷改善通用部件性能，達(dá)到高質(zhì)量、高可靠，為整個(gè)試驗(yàn)確立可靠的狀態(tài)奠定基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)室微波化學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)可按需要進(jìn)行積木式的組裝，需要更改的僅是微波應(yīng)用器。所以既有普遍適應(yīng)的功能，又有最適合實(shí)驗(yàn)所需要的電磁場(chǎng)環(huán)境，應(yīng)該說這種方法是最理想的。
對(duì)于低損耗物質(zhì)來說，微波應(yīng)用器應(yīng)設(shè)計(jì)成高品質(zhì)因素的諧振腔，諧振腔的功能是貯存微波電磁場(chǎng)能量，腔中的物質(zhì)損耗越小，諧振腔貯存的能量越高，越可以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的貯能值。此時(shí)輸入的功率全部變?yōu)榍恢袚p耗的功率，而維持貯能值不變，所以諧振腔的功能就是：
(1) 將微波電磁場(chǎng)密度貯存到需要高度；
(2）最有效的將能量耦合給物質(zhì)。
所以專用的微波應(yīng)用器就有可能做成在家用微波爐無(wú)法做成的實(shí)驗(yàn)，并可給出相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的電磁場(chǎng)參數(shù)，為中試或生產(chǎn)性設(shè)備的設(shè)計(jì)給出可靠的數(shù)據(jù)。
應(yīng)用器必須適應(yīng)實(shí)驗(yàn)所需要的容積、狀態(tài)、條件及兼容的需要，這是微波原理和應(yīng)用學(xué)科需要充分討論的。微波技術(shù)應(yīng)提出許多新的設(shè)計(jì)方法，并盡可能的適應(yīng)這種需要。
6.微波功率工程應(yīng)為微波化學(xué)的產(chǎn)業(yè)化提前作一些考慮
首先，微波功率源的高可靠、長(zhǎng)壽命，應(yīng)放在首位；ぴO(shè)備運(yùn)行是不間斷的工作，故障的出現(xiàn)會(huì)造成不可估量的損失。整體設(shè)備的可靠性也同等的重要。只有微波設(shè)備的高可靠性實(shí)現(xiàn)，微波化學(xué)的產(chǎn)業(yè)化才有條件。
其次，大功率源的研制（單管或多管組合），大功率波導(dǎo)元件的研制和準(zhǔn)備（估計(jì)目前10KW、20KW級(jí)的元件用于50KW、100KW會(huì)出現(xiàn)許多不足）及各波段微波化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用器標(biāo)準(zhǔn)件的準(zhǔn)備（如密封窗）都是需要的。只有大功率源等基礎(chǔ)件提前作準(zhǔn)備。今后規(guī)模的應(yīng)用器的設(shè)計(jì)才有較可靠的依據(jù)。
微波化學(xué)是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究課題，應(yīng)加快從實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)成果逐步走向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，使研究工作和發(fā)展生產(chǎn)緊密的結(jié)合起來。微波技術(shù)和化學(xué)工程多渠道的對(duì)話是需要的。
就微波技術(shù)工作者來說，要了解化學(xué)家的研究方法，使微波設(shè)計(jì)的方案和此種研究方法相符合。
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