微波技术及在化学化工中的应用

1、 有机化学有机化学 邵振邵振 微波是什么？微波是指频率为0.3GHz300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波” 微波的基本性质微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。微波的产生微波能通常由直流电或50Hz交流电通过一特殊的器件来获得。可以产生微波的器件有许多种，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件

2、。电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管。在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管、多腔速调管、微波三、四极管、行波管等。在微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。微波发射器微波的热效应微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响。热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热；体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量；一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加。微波的加热原理微波是频率在300MHz到3000GHz的电波，被加热介质物料中的水分子是极性分子。它在快速变化的

3、高频电磁场（微波）作用下，其极性取向将随着外电场的变化而变化。造成水分子的自旋运动的效应，此时微波场的场能转化为介质内的热能，使物料温度升高，产生热化等一系列物化过程而达到微波加热干燥的目的。微波的杀菌作用微波杀菌是利用了电磁场的热效应和生物效应的共同作用的结果。微波对细菌的热效应是使蛋白质变化，使细菌失去营养，繁殖和生存的条件而死亡。微波对细菌的生物效应是微波电场改变细胞膜断面的电位分布，影响细胞膜周围电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透性能，细菌因此营养不良，不能正常新陈代谢，细胞结构功能紊乱，生长发育受到抑制而死亡。此外，微波能使细菌正常生长和稳定遗传繁殖的核糖核酸RNA和脱氧核糖核酸D

4、NA，是由若干氢键松弛，断裂和重组，从而诱发遗传基因突变，或染色体畸变甚至断裂。 医疗垃圾具有毒性，一般的处理方法难以杀菌。医疗废物在转移运输前会对医疗废物进行粉碎，再用微波进行处理。不仅可以起到杀菌的作用还可以将废物的体积减小60%到90%。用微波处理的垃圾比焚烧更方便，时间更短。微波萃取利用微波能来提高萃取率的一种最新发展起来的新技术。它的原理是在微波场中，吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对差的萃取剂中；微波萃取具有设备简单、适用范围广、萃取效率高、重现性好、节省时间、节省试

5、剂、污染小等特点。除主要用于环境样品预处理外，还用于生化、食品、工业分析和天然产物提取等领域。在国内，微波萃取技术用于中草药提取这方面的研究报道还比较少。 微波有机合成技术微波有机合成反应是使反应物在微波的辐射作用下进行反应, 它需要特殊的反应技术, 这与常规的有机合成反应是不一样的。微波反应技术大致可以分为3 种: 微波密闭合成技术、微波常压合成技术和微波连续合成技术。1.微波密闭合成技术1986年Richard Gedye 等人首次将微波引入有机合成方面的研究采用的就是密闭合成技术, 即将反应物放入密封的反应器中进行微波反应的一种合成技术。因为密闭体系在反应瞬间即可获得高温、高压,易使反应

6、器变形或发生爆裂, 于是化学家们不断地对反应装置进行改进。 1991年D. Michael P.Mingos 等人设计了可以调节反应釜内压力的密封罐式反应器;它可以有效控制反应体系的压力,从而达到控制温度的目的,但它只能粗略的控温。 1992年Kevin D. Raner 等人成功地运用计算机技术实现了对微波反应温度的监测; 1995年Kevin D. Raner等人发展了密闭体系下的微波间歇反应器(MRR), 该装置容量可达200 mL ,操作温度可达到260 ,压力可达到10MPa ,微波输出功率为1. 2 KW ,具有快速加热能力。该装置实现了对微波功率的无极调控,吸收和反射微波能的测量

7、,负载匹配设计达到了最大的热效率,可直接测量反应体系的温度和压力；2. 微波常压合成反应 1991年Bose等对微波常压技术进行了尝试, 他们成功地在微波炉内用锥形瓶进行了阿斯匹林中间产物的合成。因为是敞开的反应体系, 反应物和溶剂易挥发到微波炉体内, 一碰着火星就会着火甚至爆炸.。 为使微波常压有机合成反应在安全可靠的条件下进行, D. Michael P. Mingos等人在家用微波炉壁上打孔, 使反应用烧瓶与冷凝器相接, 在微波快速加热时, 溶液能在这种装置中安全回流。利用该装置成功地合成了RuCl2 (PPh)3 等一系列金属有机化合物。 1992年刘福安等人对微波炉进行了改造,改造后

8、的反应装置既有回流系统,又有搅拌和滴加系统，使反应装置与一般有机合成反应装置更接近、更有实用性. 与密闭技术相比, 常压技术所用的装置简单、方便、安全, 适用于大多数微波有机合成反应。常压反应装置3. 微波连续合成反应技术 随着微波有机合成技术的不断改进, 一种新的设想逐步形成。 如果能控制反应液体的流量及流速,连续不断的通过炉体进行反应, 这样效率将会得到很大提高, 并可用于工业生产中。 早在1990年台湾大学Chen等人就开展了微波连续合成技术的研究； 1994年Cablenski等人研制出了一套新的微波连续技术的反应装置, 该系统的总体积约为50mL,盘管长约3m, 加工速率约1L/ h, 停留时间为1 2min( 流速约为15mL/ min) 能在200 和1400KPa时满意地运转.利用此装置已经成功进行了用丙酮制备丙三醇、PhCOOMe 的水解等反应, 反应速率都比常规反应得到了很大的提高。作为一种连续技术, 特别适用于加工一定量的原料及用于优化反应, 并有利于组合化学的进一步应用, 但对于含固体或高粘度的液体的反应、需要在低温条件下进行的反应及原料或反应物与微波能量不相容的反应(含金属或反应物主要为非极性有机物)。 微波前景的展望 微波具有清洁、高效、耗能低、污染少等特点, ,它在越来