巖石礦物分析中微波能分解法的運用研究

王 雪

（核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽 110135）

在化學(xué)分析領(lǐng)域里中的多元素快速分析中，為了制備試液以及試樣分解而采用的傳統(tǒng)加熱方法在試液處理上的效率不夠高，從而影響到原子發(fā)射和吸收進(jìn)行多元素的快速分析。在國外最近幾十年來研發(fā)的微波加熱快速分解試樣的技術(shù)突破了傳統(tǒng)的試液處理瓶頸，也在我國開始逐漸應(yīng)用起來。這種新技術(shù)最初是在一種敞口系統(tǒng)中進(jìn)行，通過將微波加熱和熱壓分解的方法相結(jié)合，能由于這種方法是讓受熱后的容器內(nèi)外同時加熱，其對于熱能的利用效率明顯升高，升溫速度快等等，能夠讓試液快速分解，達(dá)到較好的多元素快速分析的效果。

1 微波能分解試樣的反應(yīng)原理

在化學(xué)分析的試驗過程中，為了讓分解的試樣各部分能夠一起在同一個時間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，就需要加入相應(yīng)的化學(xué)溶劑進(jìn)行接觸。這是微波加熱與傳統(tǒng)的加熱方法不同的地方，在分解的試樣微粒與加入的溶劑進(jìn)行充分的混合后，再運用微波加熱的方法在容器的內(nèi)外部同時進(jìn)行加熱，就可以使得他們的混合物能夠得到快速和較為充分的溶解。溶劑使得試樣全都分割成了各個細(xì)小的微粒，這種高密度迅速升溫使得微粒上聚集的熱量促使微粒劈裂，然后完成化學(xué)反應(yīng)。另外，酸性物質(zhì)或者水與介電微粒產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后的巨大溫差產(chǎn)生強烈的熱流傳遞效應(yīng)，使得微粒的受到攪動，其粒子表層不間斷地暴露在溶液里，也更進(jìn)一步加快了分解的速度，方便化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。綜合來說，微波加熱的方法，可以在內(nèi)外同時對試樣進(jìn)行分解，同時還能利用系統(tǒng)內(nèi)的熱反應(yīng)促進(jìn)分解的作用，從而加快了試樣的分解效率。

2 微波能加熱特點

2.1 高頻高溫的加熱特點

在微波能進(jìn)行加熱的過程中，由于反應(yīng)爐中物質(zhì)的內(nèi)部和外部可以同時進(jìn)行加熱，這樣就促進(jìn)了物質(zhì)的自由運動進(jìn)而使得反應(yīng)爐內(nèi)出現(xiàn)比較大頻率的高溫震蕩的現(xiàn)象，這種高頻高溫的現(xiàn)象為物質(zhì)的分解提升了很高的速度。

2.2 場強高熱的加熱特點

場強高溫主要是說在利用微波能進(jìn)行加熱的過程中，由于使用的是電磁爐產(chǎn)生了一定范圍的磁場，由于其反應(yīng)爐的空間小，而電能較大等等因素，其產(chǎn)生的磁場強度比較高。對于實驗的工作人員在進(jìn)行此類實驗的時候，應(yīng)該充分注意好實驗周圍的環(huán)境安全，保護(hù)好周圍的環(huán)境。此外，由于這種高強度的磁場和產(chǎn)生的高熱會可能給人體帶來一定的安全隱患，因此操作人員應(yīng)該注意做好個人的安全防護(hù)措施，以免發(fā)生實驗意外的情況。

2.3 具有較強的穿透力

在利用微波熱能進(jìn)行加熱的時候，主要還是利用物質(zhì)中的原子和分子所帶電荷不斷的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生加熱效果的一種加熱方式，這種加熱方式具有很強的穿透效果，這種穿透效果能夠很深入地作用于巖石礦物質(zhì)的深層內(nèi)部，將其相對很徹底地進(jìn)行分解作用，給相應(yīng)的后續(xù)反應(yīng)和操作做好鋪墊。

2.4 提供良好的操作環(huán)境

傳統(tǒng)的加熱方法需要操作者長期站在高熱巨大的反應(yīng)爐前進(jìn)行長時間的工作，工作量、強度高。使用微波熱能加熱的方法，簡化了相關(guān)的加熱分解操作步驟，大大地改善了實驗室的工作環(huán)境，同時也保障了相關(guān)技術(shù)工作者的實驗安全。此外，由于其常規(guī)的需要具體的操作技術(shù)變得簡單起來，使這項加熱工作的難度、強度、工作量等等都得到了相應(yīng)的減低，因此這項工作的準(zhǔn)入門檻也相應(yīng)地降低了。

3 存在問題與對應(yīng)的處理方法

3.1 存在的問題

由于微波熱能加熱分解的相關(guān)技術(shù)還處于一種相對新近加熱分解的技術(shù)，在實際應(yīng)用到實驗和生產(chǎn)操作過程中還是會產(chǎn)生一定的問題。首先，市面上現(xiàn)在銷售的微波爐都是比較方便、廉價的裝置，這種微波爐如果其密閉性不是很好，那么在實驗過程中，其反應(yīng)產(chǎn)生的各種酸性的物質(zhì)會泄露出來，造成腐蝕。另外，在加熱過程中如果由于密閉性不好，還會出現(xiàn)微波輻射的危險，同樣也會導(dǎo)致相關(guān)操作人員的人身安全受到一定的威脅。

3.2 可行的解決方法

對于上述存在的問題，可以通過研究配置質(zhì)量相對較好的微波裝置，并且通過制定嚴(yán)格的操作流程保證操作人員的實驗安全。比如，在對微波爐的內(nèi)腔材料可以選用那種防止酸性腐蝕的以及能夠承受快速加熱的冷卻適應(yīng)能力的諸如硼硅酸鹽材料的玻璃箱、酸霧氣體洗滌器等等作為實驗裝置。在實驗具體操作的過程中，應(yīng)該注意到反應(yīng)爐內(nèi)的熱點不平衡情況，避免在真空環(huán)境的操作以影響磁控管的使用壽命。在日常電磁爐的養(yǎng)護(hù)方面，可以將一個盛水的燒杯放到反應(yīng)爐內(nèi)，利用熱吸收的方法將爐內(nèi)的溫度保持一定的平衡，確保安全操作。

4 微波熱能加熱在巖石礦物分析中的運用

微波熱能加熱法實際應(yīng)用到分析巖石礦物質(zhì)以及沉積物的元素分析中表現(xiàn)出了良好的準(zhǔn)確性和可靠性。在實際實驗操作過程中，這種實驗方法所運用到的微波熱能加熱分解方法和操作步驟相較于傳統(tǒng)的加熱分解方法相對簡單，還能夠有效地提高其分解的效率和速率。此外，這種分解技術(shù)相對容易學(xué)習(xí)，降低了技術(shù)人員的學(xué)習(xí)曲線，能夠較為快速廣泛地開展實驗工作。

在對礦泥或者一些濕性的試料的加熱中，微波干燥的方法能夠在較短的時間內(nèi)進(jìn)行烘干，而傳統(tǒng)的方法不能夠完成。這是由于傳統(tǒng)的烘干方法諸如電烘箱是由表及里地進(jìn)行加熱，而微波烘干則是在試樣內(nèi)外一起進(jìn)行烘干的，這樣的烘干方式均勻、快速，能夠提高礦物元素分析的效率。

但是同時應(yīng)該注意到，由于微波熱能加熱分解法的加熱速率相對較快，在操作的過程中應(yīng)該注意不能夠?qū)悠芳訜岬胶芨叩臏囟壬趸蛘舾蓸悠罚駝t會導(dǎo)致一些混發(fā)型元素的丟失，影響實驗的進(jìn)行和實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 微波能在化學(xué)分析中的應(yīng)用前景展望

經(jīng)過較長時間的發(fā)展，微波能在化學(xué)分析中的實際應(yīng)用已經(jīng)在巖石、礦物、煤炭等等相關(guān)工業(yè)原料方面取得了一定的成效。但是，在我國國內(nèi)依然還存在著一些問題，在其研究范圍上發(fā)掘的還不夠，在一些較難分解的礦物質(zhì)、巖石等物質(zhì)上的應(yīng)用技術(shù)還需要進(jìn)一步的提高。

將來在化學(xué)分析的領(lǐng)域中，微波能還可以在微波等離子、微波化學(xué)等等用來促成依稀而化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，微波等離子質(zhì)譜也可以得到應(yīng)用，利用微波能來產(chǎn)生活性氧化有機(jī)物，微波法測定無機(jī)硫在煤中的含量等等問題。此外，微波在通訊設(shè)備、導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)醫(yī)用器材、滅菌、醇化等等問題上還能夠有所進(jìn)一步的發(fā)展，為化學(xué)分析以及其他各行各業(yè)的發(fā)展提供新的思路，打開新的天地。

6 結(jié)語

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，微波熱能加熱分解以其高頻高溫、場強高溫、穿透性強、操作簡便易學(xué)等等優(yōu)勢在微波能分解應(yīng)用研究中取得了不俗的成績。但是，在當(dāng)前國內(nèi)對于微波熱效能分解、烘干的研究深度應(yīng)該說還不夠充分，在對于難以分解的材料上的實際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。微波能的利用解決了電能耗和資源浪費的問題，也推動了我國微波能技術(shù)的發(fā)展。