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1、|微波活性炭再生介绍1 一、概述本章将专门介绍微波在非通信领域中的应用。所谓非通信领域，指的是仅仅利用微波功率和能量与物质的相互作用，使该物质产生物理或状态上的变化，如加热、脱水、干燥、发泡、膨化、煮白、固色、烧结、焊接、焙烧、熔融、改性、沉积、烧蚀、杀菌、消毒、冶炼、脱蜡、硫化、脱硫、萃取、消解技术领域，即利用微波功率在工业、农业、交通运输业、高新科技领域、医疗卫生事业等方面的非常广泛的应用。在本章中将不涉及信息的交换、存储、传输或传播、信息的转换等有关内容，因此纯粹是一种微波功率的应用。由于电磁波频谱资源的有限性，20 世纪初人类发明了真空二极管和三极管后，从2030 年代开始，人们利用电
2、磁波相继发明了无线电通信、无线电广播、电视、雷达、卫星通信、移动通信、互联网等，这些发明给人们的物质文明和精神生活带来了巨大的变化。20 世纪是无线电电子学蓬勃发展的黄金时代，前半叶是真空电子学和电子管时代，后半叶则是半导体和集成电路迅速发展的微电子时代。最后 20 年中，微机和光通信技术的兴起，形成了两个极具规模的庞大产业。从此，个人电脑和移动通信进入了空前高速发展的新时期。为了使这些应用互不干扰，“世界无线电大会”（一个国际性组织）对每一种无线电应用技术所使用的电磁波的频率都规定了具体的范围，不得超越。对于微波在非通信领域中的应用，1966 年在加拿大成立的“国际微波功率协会”规定了工业、
3、科学、医疗（ISM）可使用的频率。1979 年，世界无线电大会正式公布了这一国际标准，详见表 4-1。表 4-1 工业、科学、医疗（ISM）使用的频率目前世界上普遍采用其中的 915MHz 和 2450MHz 两个主要频率标准，我国也是如此；只有英国采用 896MHz，俄罗斯及东欧一些国家则采用 2375MHz 的频率。回想一下世界上第一台微波炉不正是使用 915MHz 和 2450MHz 这两个工作频率吗？也许 IMPI 正是考虑到这个历史事实，才制定了上述国际标准。由于移动通信的飞越发展，波段拥挤，不得不向上述两个广泛使用的民用频率标准靠近，再加上蓝牙技术的需要，915MHz 和 2450
4、MHz 两个波段正受到愈来愈大的挑战，今后会产生什么情况，目前还难以预测！|2 二、微波加热原理自然界中任何物质（包括固体、液体、气体）在微波电磁场的作用下，都会与其发生相互作用，这种相互作用的效果是多种多样的。例如物体被加热，产生温升，使物料脱水，干燥，膨化，发泡，解冻，消解，萃取；使材料改性，可用于蔬菜煮白，食品灭菌；使橡胶硫化或脱硫，可用于烧结，烘烤；使染料固色，可用做食物烹饪其中最重要和最主要的作用是微波加热，其他许多作用都或多或少地与微波加热有关。因此，在介绍微波的各种应用之前，有必要重点介绍一下微波加热原理，这样才能更好地理解微波有如此之多的神奇功效！作为材料的基本特性，包括它的机
5、械性能、物理性能、化学性能、介电特性等多种，但对微波加热而言，其中介质的介电性能却是最基本、最主要的。大家对介电特性又是最陌生的，因此有必要对这一特性稍作详细的介绍。只有这样才能弄清微波为什么能对一些物料加热？而对另一些物料加热效果不好？有些物料则根本无法加热，像水、酒精、脂肪、蛋白质等在微波作用下能迅速升温；像玻璃陶瓷、四氯化碳、聚乙烯等在微波作用下能保持原有的温度，或只有微小的温升；又像金属这类导体，微波却从其表面上被反射回去了，无法进入其中，或只能进入极微小的厚度中。这也就是为什么家用微波炉总是用各种金属板如镀锌铁皮或不锈钢板作为炉体材料，而将炉门把加热食物的微波屏蔽在炉内，不让微波外泄
6、的道理所在。任何物质都是由分子组成的，而分子是由原子组成的，原子又由带正电的原子核和环绕原子核作高速旋转运动的多层电子轨道组成的。在常态下，原子中的正负电荷总量相等，正负电荷的重心重合，因此对外不显电性，或者说是一种中性结构，对由大量这种原子形成的分子，当然也呈中性状态，这是从外界感知的宏观表象；但是，当这些材料处在直流静电场或交变电场作用下又如何呢？先来看一下在直流静电场（即对时间是不变的固定的电场，例如在两块平板金属间夹有一层一定厚度的材料时，如在两金属板上加上直流电压，其中建立起来的电场即称为静电场）作用下，材料中的分子、原子及电子会发生什么样的变化呢？1）在外加直流静电场作用下，原子中
7、外层轨道上的电子云相对原子核产生了相对位移，这种位移的结果使原子中正负电荷的重心重合状态发生了改变，导致了重心的偏离。换句话说，正电荷的原子核和外层轨道上众多电子的物理重心不再相互重合了，因而对外呈现出这种由于正负电荷重心不重合而出现的偶电矩（或称为偶极子），这一电学过程称之为“极化”，并且为了与下述其他极化相区别，这里将上述过程称为“电子极化”现象。这种极化产生的偶电矩对外电场非常敏感，建立和消除极化的时间都极短，约为10?1610 ?15s 左右，也就是说此时间与光波的周期相当。因而，人们有时把这种极化又称为“光极化”或“光频极化”。任何物质，不管是固体、液体或气体都会产生这种极化。由于这
8、种极化发生在光学频段，因此在微波波段不会产生与微波的相互作用。2）另一种极化称之为“原子极化”或“离子极化”，这是一种在外电场作用下由原子团或离子相对位移引起的。建立或消除时间与晶格振动具有相同的数量级，即约为10?1310 ?12 s，比电子极化时间略长。因此，处在可见光外的红外线光频上，仍称为“光频极化”。由于离子相对位移只产生于固体的离子晶体中，因而液体和气体是不会产生离子极化的。|3）第三种极化称为“偶极子极化”，它是一种只在极性电介质中才会有的极化现象。在无外电场作用下，这类材料中分子本身正负电荷分离，并且具有一定大小的偶电矩，只不过这时由于偶极子杂乱无章随机地分布着，如图 4-1
9、所示。这样就导致了这些本身具有偶电矩的偶极子从宏观角度看仍然呈现中性状态，是一种不带任何电性的材料。然而在外电场作用下，这些微观具有电性的偶极子却受到外电场力的作用，迫使其顺着电场方向整齐地排列起来。这样不仅从微观角度出发，还是从宏观角度出发，都会发现材料具有极强的极性。由于这种极化过程是由偶极子转向产生的，因此又称这种极化为“转向极化”或叫做“偶极子极化”。此极化建立或消除时间约在 10?1210 ?6 s 之间，正好处在微波波段的周期之内。由此可见，在高频和微波波段，材料的转向极化是该波段内的主要极化形式，是最为关注的。图 4-1 无外场时的偶极子分布下面再来讨论一下在交变电场作用下，上述
10、这些极化又是如何建立和消除的呢？任何极化都需要一定的时间，从上述叙述中已经看到，电子极化和原子极化所需的时间都是非常短促的，都相当于从红外线到可见光的频率范围；但偶极子转向时间相对较长，正好处于高频和微波的频率范围内，当这些波段的交变电场忽正忽负忽大忽小地变化时，分子中的偶极子就要跟随外电场的变化而变化，如图 4-2 所示。图 4-2 存在交变场时偶极子的旋转运动也就是说，在这种外电场作用下，分子中的偶极子开始旋转起来，力图适应外电场的这种变化，但由于排列需要一定的时间（尽管这一时间很短），在重新排列的过程中总是不能同步地旋转，会产生一定的时间滞后（相当于惯性作用），于是就会出现下列几种情况：
11、|（1）当频率较低时，这种旋转完全跟得上外电场的变化，因此在偶极子旋转过程中相互摩擦引起的损耗较小；当频率变得很高时，偶极子完全跟不上外电场的变化，只好在原处保持不动，这时的摩擦损耗也趋近于零。只有在频率的某一特定范围内，这种转向损耗才会达到一个最大值。（2）对于单原子、双原子及具有对称结构的多原子气体，都是各向同性的介质，在常温常压下，分子间距大，相互作用小，因此是一种非极性介质，只存在光频段的电子极化，不存在离子极化和转向极化，在微波波段介质损耗可以忽略不计。（3）对于液体和固体来说，要看它们分子的尺寸和对称性。存在电荷对称中心的分子，如氩、碳、四氯化碳、四氟化碳、甲烷、丙烯等都是非极性分
12、子，因此没有偶电矩，这些材料在微波电磁场中是不会被加热的。此外，像聚乙烯、聚四氟乙烯、石蜡、地蜡、玻璃、陶瓷、云母、聚异丁烯、未硫化的橡胶、矿物油等也都是非极性物质，但是像水、酒精、尿素、丙酮、动植物胶、血红蛋白、丙种血清拟球蛋白等都是极性分子，它们没有电荷对称性，因而呈现出很强的偶电矩。在固体材料中，像聚氯乙烯、纤维、酚醛树脂等都是极性材料，在微波电场作用下，它们会呈现出很高的介质损耗。作为家用微波炉里使用的微波餐具就应当选用像聚乙烯、聚丙烯、玻璃、陶瓷这类无毒低损耗的非极性介质材料来做，当然，各种家用瓷具（只要不镶金银边、表里不印彩画上釉）都可作为优选的对象。讲到这里，大家可能明白了这样一
13、个事实：利用微波来加热物料，有一个前提，这就是该材料必须是极性或强极性的介质，像金属导体材料或其他非极性材料，甚至是弱极性材料都是很难用微波来加热的。好在目前工农业产品中，大多数物料都含有不同程度的水分，如木板、皮革、棉纱、布匹、纸张、烟草、茶叶、粮食这些物料在微波作用下是能很好吸收微波功率的。正是由于这种微波的“热效应”，使它目前在工农业生产、科学技术研究、医疗卫生事业中都得到了广泛的应用。|图 2-34 几种不同结构的匹配负载（五）阻抗调配器阻抗调配器是专门用来调节不匹配负载使其从调配器前看进去的驻波系数接近于 1，即接近匹配的程度（尽管负载本身是不匹配的）的一种专用元件。因为在实际的微波
14、系统中，不论是工业微波炉，还是各种谐振腔，它们总的来说是不匹配的。图 2-35 波导三销钉阻抗调配器调配器的结构如图 2-35 所示。从图中可以看到，波导调配器是一种在波导管宽边中心部位，从上向下伸入波导中的三根具有一定粗细的金属销钉组成的，每根金属销钉的插入深度都可单独调节（既可手调，也可用小马达自动调节）。三销钉互相配合调节，使调配器前的驻波调至最小为止，这时，为了配合调节，在调配器前必须加接一个可取样反射波信号的定向耦合器，以便指示反射功率的大小。（六）各种弯波导在连接实际波导系统时，经常遇到需要转弯的问题。本来波导也是一种传输线，与低频时的导线一样，但波导是由金属管制成的，具有刚性，需
15、要转弯时就不是那么容易和简|单了，为此，专门制作了各种供转弯用的弯曲波导，通称“弯波导”。弯波导用得最多的是 90转弯的弯波导，如图 2-36 所示。图中（a）、（b）为波导窄边弯曲 90的称为“E面弯波导”；图中（c）、（d）为波导宽边弯曲 90的称为“H 面弯波导”。图 2-36 两种 90弯波导（七）过渡波导在波导系统中，有时需要将两种不同规格的波导连接起来，如 BJ-22 与 BJ-26 之间的连接是经常碰到的，由于这两种波导都可传输 2450MHz 的微波信号，但两个波导的尺寸 a和 b 都不相同，为此，必须在这两个波导之间加接一段过渡波导。换句话说，这个波导一端为 BJ-22 的尺
16、寸，而另一端则为 BJ-26 的大小，如图 2-37（a）所示，中间一段波导的截面尺寸 a 和 b 从一个标准逐渐变化至另一标准。图 2-37（b）中示出一种一端为矩形波导，另一端为圆波导时的特制的方圆过渡波导。即一端为圆截面的波导，另一端为矩形波导，这种过渡波导通常用电铸法制造。其截面由圆形逐渐变换成矩形。|图 2-37 两种过渡波导3 三、微波加热的特点和优点上面简单介绍了微波加热的基本原理，下面再来看一下这种利用材料的偶极子旋转产生的摩擦损耗。从微波中吸收微波功率达到温升和加热的过程显然与常规的加热方法不同。普通的加热方法是被加热的物料从外部吸收热传导或热辐射过来的热能，使表面温度不断上
17、升，这一温度将向物料的内部传递，因此是一个由表及里的温升过程。这时水分开始从表面蒸发，内部水分则慢慢地从内向外扩散到表面，加热过程的推动力是内外间的温度差，通常需要很高的温度来形成这一所需的温度差，热传导的推动力则是物料内部和表面之间的浓度差。微波加热干燥过程中，电磁波渗透至物料内部（渗透深度及物料的介电特性与微波的工作频率有关），由于介质损耗产生热量，这时传导的推动力则是物料内部迅速产生的蒸汽所形成的压力差。如果物料开始很潮湿（含水量很高），物料内部的压力就很快地升高，这时液体可能在压力差的作用下从物料中排出。初始湿度愈大，压力差对水分排除的影响也愈大。也就是说具有一种“泵”的效应，它会驱使
18、液体流向表面。由此可以看出，微波干燥脱水过程与传统的加热干燥脱水过程存在着明显差别。正是由于这样一个特点，微波加热因此具有下列许多与众不同的特点：（1）加热速度快。由于微波加热基本上是里外一起整体（太厚的物体除外）地被加热，除非电磁波渗透不进去，或渗透深度不够，这种加热方法与热风、燃气、蒸汽、电热、远红外等加热方法相比，速度要快得多，通常为数倍至数十倍甚至更高。（2）加热效率高，省电节能。由于微波加热是电磁波直接与物料分子相互作用的结果，而不像常规热辐射或热传导的方法会使一部分热能无为地浪费掉，微波在空气中传播时的损耗是很小的（在短距离内），能量损耗主要集中于物料体积内，加上微波功率转换效率高
19、，因此可节省电能消耗，提高经济效益。（3）加热均匀。微波加热原理决定了物料的温升过程与常规方法不同，后者的温度分布是外热内冷；而微波加热方法会使里外温差保持相当低的水平，有时甚至会产生内部温度高于表面温度的情况。因此从总体上来说，微波加热产生的温度要均匀得多。（4）选择性加热。对不同物质或不同含水量的物料在微波加热过程中产生的温升是不同的，含水量愈大，加热愈快；反之，则愈慢。这就是通常所说的选择性加热效应。最简单的一个例子就是将食品放在微波炉中加热或烹饪时，食品被加热或烧熟了，而盛放食品的容器及旋转的底盘却仍然是冷的，这就是微波选择性加热的结果。（5）加热过程的即时控制性。微波加热控制起来非常
20、迅速方便，具有即时性。换句话说，打开微波设备的电源开关，微波立即产生并开始对物料加热，完全没有其他加热方法那样具有热惯性。当将微波电源关闭后，微波立即消失，加热过程立即停止。这在很多加热应用时非常有用，也是用其他方法加热无法做到的。（6）提高产量、质量和档次。由于微波加热时物体表面温度不会太高，不会产生过热、结壳或焦化现象，这对一些物体表面外形或颜色要求较高的应用场合非常有利。|（7）微波的物（理）化（学）效应。微波加热时会产生一定的物化效应，因此，目前除了直接利用热效应去作为加热、脱水、干燥、回原、煮白、灭菌、消毒、固色等应用外，还利用这种特有的物化效应去作为膨化、蛋白质变性、化学萃取、消解
21、、淀粉胶化等物化领域中的应用。（8）环境保护好、改善劳动条件。由于微波加热时除物料升温外，整个设备温度不高，人工操作自动化程度较高，环境温度低，操作简单，可靠性高，符合环保要求，因此大大改善了劳动条件。（9）占地面积小、节省投资。由于微波加热设备体积小，只需一定功率大小的电源，因此在使用时占地面积小，可大大节省投资成本。（10）维护成本低。微波加热设备在长期运行时，主要维护成本是微波电源，即产生大功率微波的电子管 磁控管。一般情况下，磁控管的正常工作寿命可达数千小时甚至更长。4 四、微波对活性炭再生的影响微波对活性炭再生的影响，使用未处理的活性炭用于空白实验。使用微波加热用于改性活性炭的制备和
22、再生，活性炭经过多次吸附满载后再生测试有效在生率，为什么要做这种研究呢。代表主要工业污染之一的废水排放。由工业生产的危险有机废物中，酚类化合物是产生的最常见的有机化合物。酚类是危险的有机污染物，因为它们即使在低浓度下也是有毒的。这些酚类化合物通常具有在饮水低阈值，并且还具有对人体健康不利影响。一个用于吸附或保留污染的最重要的和更有效的技术是吸附。中通常用作吸附剂，活性炭材料是最常用的材料之一，由于它们的高孔隙。吸附通过活性炭(AC)是一个成熟的技术广泛用于废水净化。但是活性炭是消耗品，他们在长时间的吸附污染物会导致吸附满载，从而降低了最终的吸附能力和再生的效率。这个时候活性炭就需要再生和更换了
23、。近年来，由于分子级加热的能力，微波(MW)照射作为再生工具引起了关注。有趣的报道已经出现在 MW 加热技术的应用再生活性炭，产生结果非常有研究性。|准备研究材料试剂和仪器粒度为 0.1-1.1mm，Cl(%)= 0.025 和 Pb(%)= 0.005，Fe(%)= 0.02 的颗粒活性炭 pH值(50g / l，25)= 5.0-70，Zn(%)= 0.05，酚固体 0.1g 在蒸馏水中稀释成 1000ppm 的溶液并稀释得到不同浓度的溶液。Cu(NO 3)H 2 O 和 Ni(NO 3)H 2O。使用电子天平(JJ 1,000，最大 1,000 克高效液相色谱(HPLC)(LC-10UV
24、，装备有 UV 检测器(UV-1575)和 C18 反相柱(2504.6mm，5_m ODS，采用磁力搅拌器搅拌苯酚溶液，同时设定溶液温度，用 pH计 PH-3C 测定 pH 值。改良的家用微波炉的实验装置|该实验装置是一种经改良的家用微波炉，其工作频率为 2,540MHz。改变微波炉以将氮引入锥形石英玻璃中。氮气瓶与流量计连接(图 1)。锥形石英玻璃用作每个实验的反应器。将制备的改性活性炭在室温下在氮气保护下冷却，并从微波炉中取出，用于下一个实验。活性炭的再生实验在 250 毫升的锥形石英玻璃中进行(图 1)。图中显示了用于再生活性炭的实验装置(图 1)。再生之后，活性炭根据最优化的吸附条件。在这些条件下，活性炭的再生在几次吸附之后进行 1 至 10 次再生循环几次。活性炭的再生在氮气流下进行(图 1)以避免活性炭的破坏。在我们以前的研究中，我们调查了改性活性炭的微波再生的最佳条件。活性炭根据最佳条件进行再生。表示如此制备的改性活性炭的照片。如下图所示(图 2)，不同的活性炭呈现不同的颜色。如图所示，装有镍的活性炭着色为蓝色(图 2)。但是装载有铜的活性炭以红褐色表示，并且为了比较，简单地用微波辐射处理的活性炭在与未处理的活性炭相同颜色的黑色上着