微波-超聲波聯用技術——一種高效環保的綠色工業技術

劉天齊

而將微波和超聲波聯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合使用的概念,并且創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不同,聯合使用時在改善加熱和能量轉移時能夠發揮各自的優勢,提高能量使用效率,降低能量損耗,改善產物質量。微波-超聲波聯用技術是一種有重要應用前景的高效環保綠色工業技術。本文對微波-超聲波聯用技術的相關理論、應用和發展趨勢進行簡要介紹。

關鍵詞:微波超聲波聯用技術綜述

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、節能、環保已成為開發新興工業技術的基本理念。在節能和反應控制優化方面,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不同,其聯合使用時可以在改善加熱和能量轉移時發揮各自的優勢,從而大幅度提高能量使用效率,降低能量損耗,改善產物質量。其在許多工業領域有良好的應用前景,有可能成為一種新興的高效環保的綠色工業技術。

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相互作用中的能量轉化引起的發熱,大多數物質被微波加熱時主要是通過絕緣加熱作用,微波產生最有效的絕緣加熱頻率為0.915到2.45GHz[1,2]。微波輻射的激發會導致分子在外磁場內調整其偶極子,由于電場誘導的極化和重定向現象,大多數微波和物質中的反應產生了化學聯系,因此,20世紀80年代以來,發展了一門新興學科——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化設計反應器的幾何尺寸;(3)能夠對反應器內溫度和壓力控制參數進行監控;(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勢:(1)快速能量轉移;(2)大容積和選擇性加熱;(3)加熱均勻;(4)高生產效率;(5)快速的開啟關閉控制;(6)更加緊湊的設備;(7)環保。圖1為目前工業中使用的多模式微波反應器[2]。

目前微波在科學和工業領域得到廣泛應用。在食品工業中,微波代替常規烤箱加熱、干燥、解凍和蒸汽滅菌,可以選擇性調味、調色、避免食物的崩裂等。在橡膠工業中,微波替代傳統的使用熱空氣或者鹽浴硫化器進行橡膠脫硫。在木材加工業中,溫和的微波干燥條件能夠使產品質地均一,可以把油漆中的殘余水降到2%以下。在環保工業中,微波應用于市政垃圾處理、醫院垃圾處理、核污染處理、高毒性物質的處理、塑料回收處理等,能夠節約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、皮革加工、陶瓷工業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的相互作用,去影響,改變以致破壞后者的狀態、性質及結構。當超聲波在介質中傳播時,可以與介質相互作用使介質發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生或加速某些化學反應,還可加速許多化學物質的水解、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,被介質吸收時能產生顯著的熱效應。(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,會在液體內部產生大量微小空洞。

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的相互作用,去影響,改變以致破壞后者的狀態、性質及結構(如超聲化學作用、醫學超聲治療等)。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、質量好,又能大大降低環境污染,已成為電子工業、機械工業、紡織工業、化學工業等以及日常生活中不可缺少的實用技術。

羅馬尼亞開發的靜態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公司開發的Prosonitron P500超聲反應器應用于晶體結晶,可以實現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、分散處理,處理量可達50m3/h。

5 微波-超聲波聯用技術的提出和發展

將微波和超聲技術聯合使用會產生什么效果？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]。兩種技術聯合使用時在改善加熱和能量轉移時能夠發揮各自的優勢,提高能量使用效率,降低能量損耗,改善產物質量。

1995年,Jacques Berlan等首先制造出了實驗規模的微波-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-超聲波聯用反應器。在新型微波-超聲波聯用反應器中,微波能量由外部產生并且由外部循環波導引導進入到反應器內部并在反應器中心定位。另一種是在反應混合物內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-超聲波聯用技術應用于化學領域,結果發現兩種能量的結合能夠促使大量的化學反應發生,還可應用于天然產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-超聲波聯用技術應用的研究報道。如肖谷清等采用微波-超聲波聯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-超聲波聯用技術在中藥和天然產物活性成分提取中顯示了巨大的優勢。可以充分利用超聲波產生的強烈振動、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,減少環境污染。陳東蓮等報道采用微波-超聲波聯用技術從醋酸乙烯廢觸媒中回收活性炭。

6 結語

微波和超聲波聯用技術已向我們展現出誘人的應用前景,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,一種高效環保的綠色工業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.