微波-超聲波聯(lián)用技術——一種高效環(huán)保的綠色工業(yè)技術

劉天齊

而將微波和超聲波聯(lián)用的技術目前尚未引起人們的普遍關注。上世紀八十年代末,科學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器模型。微波和超聲波活化能量性質(zhì)不同,聯(lián)合使用時在改善加熱和能量轉(zhuǎn)移時能夠發(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)用技術是一種有重要應用前景的高效環(huán)保綠色工業(yè)技術。本文對微波-超聲波聯(lián)用技術的相關理論、應用和發(fā)展趨勢進行簡要介紹。

關鍵詞:微波超聲波聯(lián)用技術綜述

中圖分類號:X506 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0011-02

進入21世紀,高效、節(jié)能、環(huán)保已成為開發(fā)新興工業(yè)技術的基本理念。在節(jié)能和反應控制優(yōu)化方面,微波技術和超聲波技術已被證明為是非常有效的工業(yè)技術,但是這兩類技術在應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)合使用時可以在改善加熱和能量轉(zhuǎn)移時發(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)領域有良好的應用前景,有可能成為一種新興的高效環(huán)保的綠色工業(yè)技術。

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)會導致分子在外磁場內(nèi)調(diào)整其偶極子,由于電場誘導的極化和重定向現(xiàn)象,大多數(shù)微波和物質(zhì)中的反應產(chǎn)生了化學聯(lián)系,因此,20世紀80年代以來,發(fā)展了一門新興學科——微波化學。微波反應器應用于有機化學合成、無機化學合成和有機提取領域,大大提高了化學反應效率。微波反應器的設計需要考慮以下技術要求:(1)電場分布均勻,反應器需要能夠獨立攪拌混合;(2)在考慮到微波的穿透深度后優(yōu)化設計反應器的幾何尺寸;(3)能夠?qū)Ψ磻鲀?nèi)溫度和壓力控制參數(shù)進行監(jiān)控;(4)反應器和配件的成本;(5)微波外泄和安全隱患。目前微波技術研究的熱點領域包括:微波與光化學;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 微波技術的應用

微波技術具有以下優(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)快速的開啟關閉控制;(6)更加緊湊的設備;(7)環(huán)保。圖1為目前工業(yè)中使用的多模式微波反應器[2]。

目前微波在科學和工業(yè)領域得到廣泛應用。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。在生物制藥領域中,利用微波的反射、穿透、吸收、熱效應和滲透速度快等特點,將生物組織和細胞中的生理活性物質(zhì)提取出來,可以顯著提高目標成分的提取量,減少提取溶劑的使用。此外,微波技術在紡織工業(yè)、皮革加工、陶瓷工業(yè)中也有非常廣泛的應用。

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載信息的載體或媒介,同時又是一種能量形式,當其強度超過一定值時,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)及結構。當超聲波在介質(zhì)中傳播時,可以與介質(zhì)相互作用使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學效應,具體有以下效應:(1)機械效應。超聲波的機械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。(2)化學效應。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學反應,還可加速許多化學物質(zhì)的水解、分解和聚合過程,超聲波對光化學和電化學過程也有明顯影響。(3)熱效應。由于超聲波頻率高,能量大,被介質(zhì)吸收時能產(chǎn)生顯著的熱效應。(4)空化作用。當超聲波振動在液體中傳播的音波壓強達到一個大氣壓時,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 超聲波技術的應用

超聲波是一種波動形式,它既可以作為探測與負載信息的載體或媒介(如醫(yī)學中的超聲診斷),同時又是一種能量形式,當其強度超過一定值時,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)及結構(如超聲化學作用、醫(yī)學超聲治療等)。因此,超聲波目前廣泛應用于化學(合成化學、電化學)、醫(yī)學(超聲影像學、超聲治療)、藥學(超聲藥物輸送、天然藥物超聲提取)等學科領域。尤其超聲波清洗技術,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)、機械工業(yè)、紡織工業(yè)、化學工業(yè)等以及日常生活中不可缺少的實用技術。

羅馬尼亞開發(fā)的靜態(tài)超聲反應器可以使從植物中提取藥用成分的時間從28天縮短至10小時。Prosonix公司開發(fā)的Prosonitron P500超聲反應器應用于晶體結晶,可以實現(xiàn)無種子誘導結晶和精確控制結晶粒徑。Hielscher公司制造的世界最大功率(16,000W)超聲反應器,被設計成三到四個單元,可以對大體積的流體進行均質(zhì)、分散處理,處理量可達50m3/h。

5 微波-超聲波聯(lián)用技術的提出和發(fā)展

將微波和超聲技術聯(lián)合使用會產(chǎn)生什么效果？上世紀八十年代末,意大利和法國科學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,兩種技術是互補的,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]。兩種技術聯(lián)合使用時在改善加熱和能量轉(zhuǎn)移時能夠發(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等首先制造出了實驗規(guī)模的微波-超聲波混合反應器模型。但是,實用化的微波-超聲波混合反應器的制造還存在許多技術難題,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器,通過循環(huán)泵將液體從一個反應器運送到另一個反應器中;使用單個反應器同步內(nèi)置超聲和微波。在此基礎上,科學家設計了不同結構的微波-超聲波聯(lián)用反應器。在新型微波-超聲波聯(lián)用反應器中,微波能量由外部產(chǎn)生并且由外部循環(huán)波導引導進入到反應器內(nèi)部并在反應器中心定位。另一種是在反應混合物內(nèi)同步采用微波天線和超聲傳感器,這種結構可以避免微波從反應器內(nèi)泄漏的危險,并且在超聲強度大的時候微波天線不會受到影響。

目前,微波-超聲波聯(lián)用技術已展示了良好的應用前景,Cravotto 和Cintas等將微波-超聲波聯(lián)用技術應用于化學領域,結果發(fā)現(xiàn)兩種能量的結合能夠促使大量的化學反應發(fā)生,還可應用于天然產(chǎn)物的提取和化學分析的樣品準備。

近年來,我國已有少量關于微波-超聲波聯(lián)用技術應用的研究報道。如肖谷清等采用微波-超聲波聯(lián)用技術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)用技術進行中藥有效成分提取的研究工作進行了綜述。微波-超聲波聯(lián)用技術在中藥和天然產(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)生的強烈振動、空化效應、攪拌作用,和微波的反射、穿透、吸收、熱效應和滲透速度快等特點,顯著提高活性成分的提取量,縮短提取時間,同時,減少提取溶劑的使用,減少環(huán)境污染。陳東蓮等報道采用微波-超聲波聯(lián)用技術從醋酸乙烯廢觸媒中回收活性炭。

6 結語

微波和超聲波聯(lián)用技術已向我們展現(xiàn)出誘人的應用前景,但是這一新興技術距離實際應用還有大量的技術難題等待解決,如微波和超聲波聯(lián)用反應器高性能材料的獲得、金屬超聲波裝置與微波裝置的匹配、如何有效避免反應器內(nèi)微波的泄漏、反應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)用反應器還處于實驗室研究的階段,但是,有一點我們確信不疑,一種高效環(huán)保的綠色工業(yè)技術正在向我們走來。

參考文獻

[1] G.G. Raju. Dielectrics in electric fields[J].Marcel Dekker,New York,2003.

[2] T.Van Gerven, A. Stankiewicz. Structure,energy,synergy,times-the fundamentals of process intensification[J].Ind.Eng.Chem.Res.,2009,48:2465-2474.

[3] M.Maeda,H.Amemiya.Chemical effects under simultaneous irradiation by microwaves and ultrasound[J].New J.Chem,1995,19:1023-1028.