微波技術(shù)及在化學(xué)化工中的應(yīng)用

1、 有機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué) 邵振邵振 微波是什么？微波是指頻率為0.3GHz300GHz的電磁波，是無線電波中一個(gè)有限頻帶的簡稱，即波長在1毫米1米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波” 微波的基本性質(zhì)微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類東西，則會(huì)反射微波。微波的產(chǎn)生微波能通常由直流電或50Hz交流電通過一特殊的器件來獲得?？梢援a(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類：半導(dǎo)體器件和電真空器件

2、。電真空器件是利用電子在真空中運(yùn)動(dòng)來完成能量變換的器件，或稱之為電子管。在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速調(diào)管、微波三、四極管、行波管等。在微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)應(yīng)用中使用的主要是磁控管及速調(diào)管。微波發(fā)射器微波的熱效應(yīng)微波對(duì)生物體的熱效應(yīng)是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對(duì)生物體產(chǎn)生的生理影響。熱效應(yīng)主要是生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場的作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動(dòng)而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動(dòng)也會(huì)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱量；一般分子也會(huì)吸收微波能量后使熱運(yùn)動(dòng)能量增加。微波的加熱原理微波是頻率在300MHz到3000GHz的電波，被加熱介質(zhì)物料中的水分子是極性分子。它在快速變化的

3、高頻電磁場（微波）作用下，其極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化。造成水分子的自旋運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，此時(shí)微波場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使物料溫度升高，產(chǎn)生熱化等一系列物化過程而達(dá)到微波加熱干燥的目的。微波的殺菌作用微波殺菌是利用了電磁場的熱效應(yīng)和生物效應(yīng)的共同作用的結(jié)果。微波對(duì)細(xì)菌的熱效應(yīng)是使蛋白質(zhì)變化，使細(xì)菌失去營養(yǎng)，繁殖和生存的條件而死亡。微波對(duì)細(xì)菌的生物效應(yīng)是微波電場改變細(xì)胞膜斷面的電位分布，影響細(xì)胞膜周圍電子和離子濃度，從而改變細(xì)胞膜的通透性能，細(xì)菌因此營養(yǎng)不良，不能正常新陳代謝，細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能紊亂，生長發(fā)育受到抑制而死亡。此外，微波能使細(xì)菌正常生長和穩(wěn)定遺傳繁殖的核糖核酸RNA和脫氧核糖核酸D

4、NA，是由若干氫鍵松弛，斷裂和重組，從而誘發(fā)遺傳基因突變，或染色體畸變甚至斷裂。 醫(yī)療垃圾具有毒性，一般的處理方法難以殺菌。醫(yī)療廢物在轉(zhuǎn)移運(yùn)輸前會(huì)對(duì)醫(yī)療廢物進(jìn)行粉碎，再用微波進(jìn)行處理。不僅可以起到殺菌的作用還可以將廢物的體積減小60%到90%。用微波處理的垃圾比焚燒更方便，時(shí)間更短。微波萃取利用微波能來提高萃取率的一種最新發(fā)展起來的新技術(shù)。它的原理是在微波場中，吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對(duì)差的萃取劑中；微波萃取具有設(shè)備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、節(jié)省時(shí)間、節(jié)省試

5、劑、污染小等特點(diǎn)。除主要用于環(huán)境樣品預(yù)處理外，還用于生化、食品、工業(yè)分析和天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域。在國內(nèi)，微波萃取技術(shù)用于中草藥提取這方面的研究報(bào)道還比較少。 微波有機(jī)合成技術(shù)微波有機(jī)合成反應(yīng)是使反應(yīng)物在微波的輻射作用下進(jìn)行反應(yīng), 它需要特殊的反應(yīng)技術(shù), 這與常規(guī)的有機(jī)合成反應(yīng)是不一樣的。微波反應(yīng)技術(shù)大致可以分為3 種: 微波密閉合成技術(shù)、微波常壓合成技術(shù)和微波連續(xù)合成技術(shù)。1.微波密閉合成技術(shù)1986年Richard Gedye 等人首次將微波引入有機(jī)合成方面的研究采用的就是密閉合成技術(shù), 即將反應(yīng)物放入密封的反應(yīng)器中進(jìn)行微波反應(yīng)的一種合成技術(shù)。因?yàn)槊荛]體系在反應(yīng)瞬間即可獲得高溫、高壓,易使反應(yīng)

6、器變形或發(fā)生爆裂, 于是化學(xué)家們不斷地對(duì)反應(yīng)裝置進(jìn)行改進(jìn)。 1991年D. Michael P.Mingos 等人設(shè)計(jì)了可以調(diào)節(jié)反應(yīng)釜內(nèi)壓力的密封罐式反應(yīng)器;它可以有效控制反應(yīng)體系的壓力,從而達(dá)到控制溫度的目的,但它只能粗略的控溫。 1992年Kevin D. Raner 等人成功地運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波反應(yīng)溫度的監(jiān)測; 1995年Kevin D. Raner等人發(fā)展了密閉體系下的微波間歇反應(yīng)器(MRR), 該裝置容量可達(dá)200 mL ,操作溫度可達(dá)到260 ,壓力可達(dá)到10MPa ,微波輸出功率為1. 2 KW ,具有快速加熱能力。該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波功率的無極調(diào)控,吸收和反射微波能的測量

7、,負(fù)載匹配設(shè)計(jì)達(dá)到了最大的熱效率,可直接測量反應(yīng)體系的溫度和壓力；2. 微波常壓合成反應(yīng) 1991年Bose等對(duì)微波常壓技術(shù)進(jìn)行了嘗試, 他們成功地在微波爐內(nèi)用錐形瓶進(jìn)行了阿斯匹林中間產(chǎn)物的合成。因?yàn)槭浅ㄩ_的反應(yīng)體系, 反應(yīng)物和溶劑易揮發(fā)到微波爐體內(nèi), 一碰著火星就會(huì)著火甚至爆炸.。 為使微波常壓有機(jī)合成反應(yīng)在安全可靠的條件下進(jìn)行, D. Michael P. Mingos等人在家用微波爐壁上打孔, 使反應(yīng)用燒瓶與冷凝器相接, 在微波快速加熱時(shí), 溶液能在這種裝置中安全回流。利用該裝置成功地合成了RuCl2 (PPh)3 等一系列金屬有機(jī)化合物。 1992年劉福安等人對(duì)微波爐進(jìn)行了改造,改造后

8、的反應(yīng)裝置既有回流系統(tǒng),又有攪拌和滴加系統(tǒng)，使反應(yīng)裝置與一般有機(jī)合成反應(yīng)裝置更接近、更有實(shí)用性. 與密閉技術(shù)相比, 常壓技術(shù)所用的裝置簡單、方便、安全, 適用于大多數(shù)微波有機(jī)合成反應(yīng)。常壓反應(yīng)裝置3. 微波連續(xù)合成反應(yīng)技術(shù) 隨著微波有機(jī)合成技術(shù)的不斷改進(jìn), 一種新的設(shè)想逐步形成。 如果能控制反應(yīng)液體的流量及流速,連續(xù)不斷的通過爐體進(jìn)行反應(yīng), 這樣效率將會(huì)得到很大提高, 并可用于工業(yè)生產(chǎn)中。 早在1990年臺(tái)灣大學(xué)Chen等人就開展了微波連續(xù)合成技術(shù)的研究； 1994年Cablenski等人研制出了一套新的微波連續(xù)技術(shù)的反應(yīng)裝置, 該系統(tǒng)的總體積約為50mL,盤管長約3m, 加工速率約1L/ h, 停留時(shí)間為1 2min( 流速約為15mL/ min) 能在200 和1400KPa時(shí)滿意地運(yùn)轉(zhuǎn).利用此裝置已經(jīng)成功進(jìn)行了用丙酮制備丙三醇、PhCOOMe 的水解等反應(yīng), 反應(yīng)速率都比常規(guī)反應(yīng)得到了很大的提高。作為一種連續(xù)技術(shù), 特別適用于加工一定量的原料及用于優(yōu)化反應(yīng), 并有利于組合化學(xué)的進(jìn)一步應(yīng)用, 但對(duì)于含固體或高粘度的液體的反應(yīng)、需要在低溫條件下進(jìn)行的反應(yīng)及原料或反應(yīng)物與微波能量不相容的反應(yīng)(含金屬或反應(yīng)物主要為非極性有機(jī)物)。 微波前景的展望 微波具有清潔、高效、耗能低、污染少等特點(diǎn), ,它在越來