徐銳

摘 要 本文以微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)的原理為切入點(diǎn)，通過(guò)與傳統(tǒng)技術(shù)的對(duì)比，闡明了該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合研究現(xiàn)狀對(duì)其發(fā)展前景及趨勢(shì)進(jìn)行探討，分析在應(yīng)用過(guò)程中存在的制約因素。

關(guān)鍵詞 微波輻射強(qiáng)化脫附；再生技術(shù)；原理

中圖分類號(hào) TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）11-0025-02

作為化工分離技術(shù)中的一種，多孔材料是吸附技術(shù)的核心，在多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，為工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)污染物（VOCs）治理創(chuàng)造了可能。在吸附技術(shù)應(yīng)用時(shí)，不僅要保證吸附劑的吸附能力滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)還需對(duì)吸附劑再生的問(wèn)題加以重視，實(shí)現(xiàn)再生利用的同時(shí)，盡量避免破壞原有結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對(duì)吸附劑吸附性能的保護(hù)。微波本質(zhì)上屬于電磁波，其頻率一般為0.3GHz～300GHz之間，在外界條件的作用下會(huì)出現(xiàn)衍射、偏振等現(xiàn)象，能量傳輸也會(huì)出現(xiàn)在此過(guò)程中。利用微波輻射進(jìn)行加熱，不僅具有更高的效率，也減少了熱能損耗。

1 微波輻射加熱的原理

微波輻射加熱是通過(guò)介質(zhì)在微波場(chǎng)中的極化損耗，進(jìn)而產(chǎn)生大量的熱能。在微波場(chǎng)中放置介質(zhì)，介質(zhì)中的微觀粒子通過(guò)電磁波場(chǎng)的作用會(huì)出現(xiàn)重新排列的現(xiàn)象，帶正負(fù)電的粒子相互趨近，形成排列規(guī)則的極化分子。微波電磁場(chǎng)的交變周期一般在10-9～10-12s，變化頻率很快，因此介質(zhì)極化分子也以數(shù)十億次每秒的頻率不斷變化。在此過(guò)程中，分子之間會(huì)出現(xiàn)相互摩擦、碰撞以及相應(yīng)的劇烈運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致大量的熱能產(chǎn)生，并通過(guò)溫度增加體現(xiàn)出來(lái)。

鑒于此，介質(zhì)材料通過(guò)微波能量的作用，產(chǎn)生相應(yīng)的熱量。在具體的應(yīng)用過(guò)程中，介質(zhì)材料所吸收的微波功率為：

P=fE?tan

式中：?jiǎn)挝惑w積介質(zhì)吸收的微波功率表示為P；

微波頻率表示為f；

電場(chǎng)強(qiáng)度表示為E；

相對(duì)介電常數(shù)表示為；

介電損耗角正切表示為tan。

可見(jiàn)介質(zhì)材料在微波輻射加熱的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，在選擇介質(zhì)材料時(shí)，必須要保證材料的微波頻率、介電性質(zhì)等滿足要求。此外，微波傳輸時(shí)對(duì)于不同材料的穿透程度存在差異，正是通過(guò)微波深入材料內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)溫度的上升。微波滲透的深度增加，消耗了更多的微波能量，待到達(dá)一定深度之后，微波輻射加熱就受到限制，形成相應(yīng)的溫度梯度。在材料導(dǎo)熱性不足的情況下，會(huì)對(duì)材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，因此還需對(duì)介質(zhì)的導(dǎo)熱性加以重視。

2 微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代底，在脫附過(guò)程中開(kāi)始逐漸應(yīng)用微波技術(shù)，通過(guò)大量的研究實(shí)踐表明，采用微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)能夠有提高效率，減少資源浪費(fèi)，具有良好的環(huán)保節(jié)能效果，契合經(jīng)濟(jì)性的要求。近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于微波輻射強(qiáng)化再生的研究不斷深入，為其進(jìn)一步的應(yīng)用提供了理論支持。研究者采用超聲、微波等進(jìn)行脫附劑再生試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)最終試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比得出：物質(zhì)在接受微波輻射20min以后，實(shí)現(xiàn)了90%以上的有機(jī)物脫除。而超聲作為再生技術(shù)，其主要的媒介是水，在水中有機(jī)物實(shí)際溶解情況決定著最終的脫附效果。

3 微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

目前，在工業(yè)生產(chǎn)中較為常用的吸附再生方式是利用高溫，從表面至內(nèi)部進(jìn)行加熱傳導(dǎo)。使其溫度得到提升，進(jìn)而脫附有機(jī)物質(zhì)。但是這種再生方式需要消耗大量的能量，其中的循環(huán)周期也相對(duì)較長(zhǎng)，且經(jīng)過(guò)高溫之后可能會(huì)導(dǎo)致吸附劑的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，影響最終的吸附性能。而微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，介質(zhì)材料在外界作用下出現(xiàn)極化損耗現(xiàn)象，以此來(lái)產(chǎn)生熱能，屬于“內(nèi)加熱作用”，打破了常規(guī)加熱方式的弊端，不僅傳熱更快，且加熱效果更為明顯。

3.1 加熱速度快

傳統(tǒng)再生脫附技術(shù)中，物體在加熱作用下，表面的溫度先得到提升，溫度積累到一定程度后，通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流向內(nèi)部拓展，加熱效率及速度相對(duì)較低。而微波輻射再生技術(shù)在熱量傳遞的過(guò)程中，不需要介質(zhì)傳導(dǎo)，熱量傳遞更加均勻，物體各部分能夠整體升溫，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到吸附劑再生的目的。

研究學(xué)者將兩種加熱方式分別應(yīng)用與苯酚的活性炭吸附再生實(shí)驗(yàn)中，達(dá)到1 124K的高溫，常規(guī)方式所需的時(shí)間為10min～13min，而微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)僅需4min即可。

3.2 選擇性加熱

微波能量的吸收受到介電性質(zhì)的影響，在微波場(chǎng)中，介質(zhì)材料不同，其加熱速度也存在差異，即微波輻射加熱的選擇性特征明顯。利用這一特征，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行物質(zhì)的局部加熱。微波脫附系統(tǒng)中，既可以應(yīng)用極性吸附物質(zhì)，也可以采用非極性吸附物質(zhì)，根據(jù)所選擇的吸附物質(zhì)確定最終的脫附機(jī)制。應(yīng)用極性吸附質(zhì)時(shí)，可采用微波透明吸附劑，在微波場(chǎng)中產(chǎn)生偶極轉(zhuǎn)動(dòng)、變相，通過(guò)摩擦作用下產(chǎn)生大量熱能。在此過(guò)程中，吸附劑無(wú)需借助外界加熱條件。對(duì)于非極性吸附質(zhì)來(lái)說(shuō)，宜選擇微波吸收性吸附劑脫除吸附質(zhì)。

3.3 節(jié)能高效

傳統(tǒng)的加熱方式在熱力傳導(dǎo)的過(guò)程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)損耗現(xiàn)象，造成了能源資源浪費(fèi)。在此過(guò)程中，外界環(huán)境也受到高溫加熱的影響，嚴(yán)重情況下還可能會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)問(wèn)題。微波輻射強(qiáng)化再生中，反應(yīng)器腔體的主要作用是傳遞微波能，在此過(guò)程中出現(xiàn)的微波損耗不大，加熱介質(zhì)能夠吸收絕大部分的微波能，熱利用的效率相對(duì)較高。環(huán)境中的溫度不會(huì)隨之升高，明顯改善了生產(chǎn)環(huán)境。此外，由于微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)產(chǎn)生的熱慣性很小，如果能夠?qū)⑽C(jī)控制應(yīng)用在此項(xiàng)技術(shù)中，可促進(jìn)自動(dòng)控制加熱過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

4 微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)應(yīng)用前景及展望

微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)具有效率高、能耗少等方面的優(yōu)勢(shì)，具有良好的發(fā)展前景，對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的研究實(shí)驗(yàn)也在逐漸深入，并取得了突破性的成效，但是大規(guī)模的應(yīng)用與實(shí)踐還受到一定的限制。

4.1 缺乏微波適用型吸附劑

由于微波在介質(zhì)材料中的穿透深度受到限制，更深層次的材料無(wú)法得到有效加熱，可能會(huì)導(dǎo)致在局部吸附劑上出現(xiàn)熱量過(guò)于集中的現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)完全再生吸附劑床層的目的，必須輔之以熱傳導(dǎo)，使熱量傳遞至其他部分，其傳遞方向與溫度梯度的方向保持一致。但是對(duì)于一些導(dǎo)熱性不強(qiáng)的材料，會(huì)導(dǎo)致熱量傳遞過(guò)程緩慢，影響了微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)的速度及傳熱均勻性。若在吸附劑內(nèi)外部存在較大的溫度差，內(nèi)部在溫度應(yīng)力的作用下會(huì)出現(xiàn)壓力不斷上升的情況，待達(dá)到一定數(shù)值之后，就會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺陷或者破裂，嚴(yán)重情況下還會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)危害，存在一定的安全隱患?；诖?，相關(guān)學(xué)者設(shè)想利用環(huán)狀床層，來(lái)提高其導(dǎo)熱效果，保證微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)應(yīng)用的安全性。

4.2 溫度測(cè)量與精度控制

介質(zhì)材料需放置在微波場(chǎng)中才能進(jìn)行輻射加熱，在此過(guò)程中存在特殊的電磁感應(yīng)，無(wú)法使用常規(guī)的溫度測(cè)量工具，導(dǎo)致脫附體系中實(shí)際的溫度無(wú)法得到有效的測(cè)量與控制，這也成為制約微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)的研究過(guò)程中，對(duì)于微波脫附溫度的測(cè)量與控制應(yīng)加以重視，學(xué)者對(duì)于這方面的實(shí)驗(yàn)也在不斷深入。例如通過(guò)含硅沸石在微波輻射作用下進(jìn)行吸附再生，通過(guò)對(duì)此過(guò)程中溫度變化的研究，發(fā)現(xiàn)表面溫度相較于其他部位出現(xiàn)明顯的升溫現(xiàn)象。雖然目前對(duì)于溫度測(cè)量與控制還沒(méi)有明確的方法，但是隨著不斷的研究有望突破這一因素的限制。

4.3 大型微波加熱器件缺失

目前，在進(jìn)行微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)試驗(yàn)研究的過(guò)程中，主要采用的加熱器是微波爐，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能與實(shí)際應(yīng)用的情況出現(xiàn)差異，同時(shí)也存在一定的不安全因素。因此需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)更為完善的微波設(shè)備，避免實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)微波泄露的問(wèn)題，為該項(xiàng)技術(shù)大規(guī)模工程化的應(yīng)用提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

綜上所述，微波輻射加熱技術(shù)主要是通過(guò)介質(zhì)在微波場(chǎng)中出現(xiàn)的極化損耗，產(chǎn)生大量的熱能，進(jìn)而提高吸附體系的溫度，進(jìn)行有機(jī)物的脫除，最終實(shí)現(xiàn)脫附劑的循環(huán)再生。與傳統(tǒng)的脫附技術(shù)相比，微波輻射強(qiáng)化再生技術(shù)的效率高，熱量損耗相對(duì)較小，屬于環(huán)保節(jié)能的新型脫附技術(shù)。并且通過(guò)物質(zhì)本身的介電性質(zhì)，能夠進(jìn)行選擇性加熱，提高熱能的利用效率，在一定程度上減少能演資源消耗。

參考文獻(xiàn)

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