微波輻射強化再生技術

徐銳

摘 要 本文以微波輻射強化再生技術的原理為切入點，通過與傳統技術的對比，闡明了該項技術的特點及優勢，并結合研究現狀對其發展前景及趨勢進行探討，分析在應用過程中存在的制約因素。

關鍵詞 微波輻射強化脫附；再生技術；原理

中圖分類號 TN2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0025-02

作為化工分離技術中的一種，多孔材料是吸附技術的核心，在多個領域中得到了廣泛的應用，為工業化生產過程中所產生的揮發性有機污染物（VOCs）治理創造了可能。在吸附技術應用時，不僅要保證吸附劑的吸附能力滿足相關標準的要求，同時還需對吸附劑再生的問題加以重視，實現再生利用的同時，盡量避免破壞原有結構，加強對吸附劑吸附性能的保護。微波本質上屬于電磁波，其頻率一般為0.3GHz～300GHz之間，在外界條件的作用下會出現衍射、偏振等現象，能量傳輸也會出現在此過程中。利用微波輻射進行加熱，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介質在微波場中的極化損耗，進而產生大量的熱能。在微波場中放置介質，介質中的微觀粒子通過電磁波場的作用會出現重新排列的現象，帶正負電的粒子相互趨近，形成排列規則的極化分子。微波電磁場的交變周期一般在10-9～10-12s，變化頻率很快，因此介質極化分子也以數十億次每秒的頻率不斷變化。在此過程中，分子之間會出現相互摩擦、碰撞以及相應的劇烈運動，導致大量的熱能產生，并通過溫度增加體現出來。

鑒于此，介質材料通過微波能量的作用，產生相應的熱量。在具體的應用過程中，介質材料所吸收的微波功率為：

P=fE?tan

式中：單位體積介質吸收的微波功率表示為P；

微波頻率表示為f；

電場強度表示為E；

相對介電常數表示為；

介電損耗角正切表示為tan。

可見介質材料在微波輻射加熱的過程中發揮著重要的作用，在選擇介質材料時，必須要保證材料的微波頻率、介電性質等滿足要求。此外，微波傳輸時對于不同材料的穿透程度存在差異，正是通過微波深入材料內部，實現了介質溫度的上升。微波滲透的深度增加，消耗了更多的微波能量，待到達一定深度之后，微波輻射加熱就受到限制，形成相應的溫度梯度。在材料導熱性不足的情況下，會對材料結構產生一定影響，因此還需對介質的導熱性加以重視。

2 微波輻射強化再生技術研究現狀

自20世紀80年代底，在脫附過程中開始逐漸應用微波技術，通過大量的研究實踐表明，采用微波輻射強化再生技術能夠有提高效率，減少資源浪費，具有良好的環保節能效果，契合經濟性的要求。近年來隨著社會經濟的不斷發展，對于微波輻射強化再生的研究不斷深入，為其進一步的應用提供了理論支持。研究者采用超聲、微波等進行脫附劑再生試驗，通過對最終試驗結果的對比得出：物質在接受微波輻射20min以后，實現了90%以上的有機物脫除。而超聲作為再生技術，其主要的媒介是水，在水中有機物實際溶解情況決定著最終的脫附效果。

3 微波輻射強化再生技術的優點

目前，在工業生產中較為常用的吸附再生方式是利用高溫，從表面至內部進行加熱傳導。使其溫度得到提升，進而脫附有機物質。但是這種再生方式需要消耗大量的能量，其中的循環周期也相對較長，且經過高溫之后可能會導致吸附劑的結構出現變化，影響最終的吸附性能。而微波輻射強化再生技術應用的過程中，介質材料在外界作用下出現極化損耗現象，以此來產生熱能，屬于“內加熱作用”，打破了常規加熱方式的弊端，不僅傳熱更快，且加熱效果更為明顯。

3.1 加熱速度快

傳統再生脫附技術中，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，通過傳導和對流向內部拓展，加熱效率及速度相對較低。而微波輻射再生技術在熱量傳遞的過程中，不需要介質傳導，熱量傳遞更加均勻，物體各部分能夠整體升溫，在短時間內達到吸附劑再生的目的。

研究學者將兩種加熱方式分別應用與苯酚的活性炭吸附再生實驗中，達到1 124K的高溫，常規方式所需的時間為10min～13min，而微波輻射強化再生技術僅需4min即可。

3.2 選擇性加熱

微波能量的吸收受到介電性質的影響，在微波場中，介質材料不同，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，可以根據實際情況進行物質的局部加熱。微波脫附系統中，既可以應用極性吸附物質，也可以采用非極性吸附物質，根據所選擇的吸附物質確定最終的脫附機制。應用極性吸附質時，可采用微波透明吸附劑，在微波場中產生偶極轉動、變相，通過摩擦作用下產生大量熱能。在此過程中，吸附劑無需借助外界加熱條件。對于非極性吸附質來說，宜選擇微波吸收性吸附劑脫除吸附質。

3.3 節能高效

傳統的加熱方式在熱力傳導的過程中，不可避免的會出現損耗現象，造成了能源資源浪費。在此過程中，外界環境也受到高溫加熱的影響，嚴重情況下還可能會出現火災問題。微波輻射強化再生中，反應器腔體的主要作用是傳遞微波能，在此過程中出現的微波損耗不大，加熱介質能夠吸收絕大部分的微波能，熱利用的效率相對較高。環境中的溫度不會隨之升高，明顯改善了生產環境。此外，由于微波輻射強化再生技術產生的熱慣性很小，如果能夠將微機控制應用在此項技術中，可促進自動控制加熱過程的實現。

4 微波輻射強化再生技術應用前景及展望

微波輻射強化再生技術具有效率高、能耗少等方面的優勢，具有良好的發展前景，對于該項技術的研究實驗也在逐漸深入，并取得了突破性的成效，但是大規模的應用與實踐還受到一定的限制。

4.1 缺乏微波適用型吸附劑

由于微波在介質材料中的穿透深度受到限制，更深層次的材料無法得到有效加熱，可能會導致在局部吸附劑上出現熱量過于集中的現象。為了實現完全再生吸附劑床層的目的，必須輔之以熱傳導，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。但是對于一些導熱性不強的材料，會導致熱量傳遞過程緩慢，影響了微波輻射強化再生技術的速度及傳熱均勻性。若在吸附劑內外部存在較大的溫度差，內部在溫度應力的作用下會出現壓力不斷上升的情況，待達到一定數值之后，就會出現結構性缺陷或者破裂，嚴重情況下還會導致火災危害，存在一定的安全隱患。基于此，相關學者設想利用環狀床層，來提高其導熱效果，保證微波輻射強化再生技術應用的安全性。

4.2 溫度測量與精度控制

介質材料需放置在微波場中才能進行輻射加熱，在此過程中存在特殊的電磁感應，無法使用常規的溫度測量工具，導致脫附體系中實際的溫度無法得到有效的測量與控制，這也成為制約微波輻射強化再生技術大規模應用的一個關鍵因素。因此，微波輻射強化再生技術的研究過程中，對于微波脫附溫度的測量與控制應加以重視，學者對于這方面的實驗也在不斷深入。例如通過含硅沸石在微波輻射作用下進行吸附再生，通過對此過程中溫度變化的研究，發現表面溫度相較于其他部位出現明顯的升溫現象。雖然目前對于溫度測量與控制還沒有明確的方法，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，在進行微波輻射強化再生技術試驗研究的過程中，主要采用的加熱器是微波爐，使得實驗結果可能與實際應用的情況出現差異，同時也存在一定的不安全因素。因此需要根據實際情況設計更為完善的微波設備，避免實驗時出現微波泄露的問題，為該項技術大規模工程化的應用提供物質基礎。

5 結論

綜上所述，微波輻射加熱技術主要是通過介質在微波場中出現的極化損耗，產生大量的熱能，進而提高吸附體系的溫度，進行有機物的脫除，最終實現脫附劑的循環再生。與傳統的脫附技術相比，微波輻射強化再生技術的效率高，熱量損耗相對較小，屬于環保節能的新型脫附技術。并且通過物質本身的介電性質，能夠進行選擇性加熱，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

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