微波-超声波联用技术，一种高效环保的绿色工论文
2019-12-14 13:06:03 207
结合微波和超声的工业技术尚未引起广泛关注。在1980年代后期，科学家提出了微波和超声联合使用的概念，并创建了微波和超声混合反应堆模型。微波和超声活化具有不同的能量特性。组合使用时，它们可以发挥各自的优势，例如改善加热和能量传递，提高能效，减少能量损失以及提高产品质量。微波-超声波联合技术是一种高效，环保的绿色工业技术，具有重要的应用前景。本文简要介绍了微波超声联合技术的相关理论，应用和发展趋势。
进入21世纪，高效，节能和环保已成为发展新兴工业技术的基本概念。在节能和响应控制优化方面，微波技术和超声技术已被证明是非常有效的工业技术，但是这两种技术在应用过程中都有其自身的局限性。如果可以在同一设备上同时使用微波和超声波，则由于微波和超声波激活的能量特性不同，将它们组合使用时，它们可以发挥各自的优势，从而改善加热和能量传递，从而大大提高了能源效率，降低了能源消耗损失，提高产品质量。它在许多工业领域都有良好的应用前景，有可能成为一种新型高效的环保绿色工业技术。
1微波加热的原理和特征
微波是一种非电离的电磁辐射。它是频率在300MHz〜300GHz之间的电磁波，介于红外线和无线电波之间。之间。微波加热的特性源自电磁辐射和物质相互作用中的能量转换所引起的加热。大多数物质在通过微波加热时，主要通过绝缘层加热。微波最有效的绝缘加热频率是0.915至2。45GHz[1,2]。微波辐射的激发将导致分子在外部磁场中调节其偶极子。由于电场引起的极化和重定向现象，大多数微波以化学关系与物质发生反应。因此，自1980年代以来，新兴的学科是微波化学。微波反应器用于有机化学合成，无机化学合成和有机萃取领域，大大提高了化学反应的效率。微波反应器的设计需要考虑以下技术要求：（1）电场分布均匀，反应器需要能够独立搅拌和混合； （2）考虑微波的穿透深度，优化反应器的几何设计；监测反应器中的温度和压力控制参数； （4）电抗器及配件的费用； （5）微波泄漏和安全隐患。当前微波技术研究的热点领域包括：微波和光化学；微波和压力；微波和高温合成；微波和等离子；微波和真空。
2微波技术的应用
微波技术具有以下优点：（1）能量快速传递； （2）体积大，选择性加热； （3）加热均匀； （4）生产效率高； （5）快速开合控制； （6）设备更紧凑； （7）环境保护。图1显示了目前工业上使用的多模微波反应堆
。
目前，微波已在科学和工业中广泛使用。在食品工业中，微波取代了常规的烤箱加热，干燥，解冻和蒸汽灭菌，从而可以有选择地进行调味，着色和避免食品破裂。在橡胶工业中，微波替代了使用热空气或盐浴硫化器的传统橡胶脱硫工艺。在木材加工业中，温和的微波干燥条件可使产品均匀，并将涂料中的残留水降至2％以下。在环保行业中，微波用于市政废物处理，医院废物处理，核污染处理，高毒性物质处理，塑料回收处理等，可节省50％的废物处理成本。在生物药物领域，利用微波反射，渗透，吸收，热效应和快速渗透速度来提取生物组织和细胞中的生理活性物质可以显着增加目标组分的量并减少提取溶剂的用量。此外，微波技术还广泛用于纺织工业，皮革加工和陶瓷工业。
3超声波的原理和特征
超声波是指频率高于20 kHz且频率的下限高于上限的声波。人类的听力。超声波是一种波形。它可以用作检测和加载信息的载体或介质。它也是一种能量。当强度超过一定值时，会通过与传输超声波的介质相互作用而影响介质，从而改变超声波的状态，性质和结构。超声波在介质中传播时，它们可以与介质相互作用，从而在介质中引起物理和化学作用，特别是以下作用：（1）机械作用。超声波的机械作用可以促进液体的乳化，凝胶的液化和固体的分散。 （2）化学作用。超声波的作用可以引起某些化学反应的发生或加速，还可以加速许多化学物质的水解，分解和聚合。超声波对光化学和电化学过程也有重要影响。 （3）热效应。由于超声波的高频和能量，当被介质吸收时，它会产生明显的热效应。 （4）空化。当在液体中传播的声波的压力达到大气压时，其功率密度为0.35 W / cm2。由于液体颗粒的剧烈振动，在液体内部会产生大量微小的空隙。
4超声技术的应用
超声是一种波形，可以用作检测和负荷信息（例如医学中的超声诊断）的载体或介质）同时，它也是一种能量形式。当其强度超过某个值时，它可以通过与传播超声波的介质相互作用（例如超声波化学作用，医学超声波治疗等）来影响和改变后者的状态，特性和结构。因此，超声目前广泛用于化学（合成化学，电化学），医学（超声成像，超声治疗），药学（超声药物输送，天然药物超声提取）和其他主题领域。尤其是，超声波清洗技术以其快速的清洗速度，良好的质量以及大大减少的环境污染而成为电子工业，机械工业，纺织工业，化学工业以及日常生活中必不可少的实用技术。
在罗马尼亚开发的静态超声反应器可以将植物中提取药用成分的时间从28天缩短到10小时。 Prosonix公司开发的Prosonitron P500超声反应器用于晶体结晶，可实现无籽诱导结晶并精确控制晶体粒径。 Hielscher制造的世界上最大功率（16,000W）超声反应器设计为三到四个单元，可以均化和分散大量流体，处理能力为50m3 / h。
5微波-超声联合技术的建议和发展
微波和超声技术联合使用会产生什么影响？在1980年代后期，意大利和法国的科学家提出了结合使用微波和超声波的概念。从动作分析原理来看，这两种技术是互补的。微波提供了对固体颗粒进行间接加热和选择性加热的可能性，而超声波的空化作用可以提供大量的集中能量释放
。当将两种技术结合使用时，它们可以在改善加热和能量传递，提高能量利用效率，减少能量损失以及提高产品质量方面发挥各自的优势。
在1995年，雅克·伯兰（Jacques Berlan）等人。首次生产实验规模的微波-超声混合反应堆模型。然而，在制造实用的微波-超声混合反应器中仍然存在许多技术困难，例如，如何将金属超声装置放置在微波区域中。已经提出了一些解决方案：包括使用分开的微波和超声反应器，以及通过循环泵将液体从一个反应器转移到另一个反应器。并使用单个反应器来同步内置的超声波和微波。基于此，科学家设计了具有不同结构的微波-超声联合反应器。在新的微波-超声联合反应器中，微波能量是从外部产生的，并由外部循环波导导入反应器内部，并位于反应器的中心。另一种是在反应混合物中同时使用微波天线和超声传感器。这种结构可以避免微波从反应堆泄漏的危险，并且当超声波强度大时，微波天线不会受到影响。
目前，微波-超声联合技术已显示出良好的应用前景。 Cravoto和Cintas等将微波-超声波结合技术应用于化学领域，发现两种能量的结合可以促进大量的化学反应。该反应发生，也可用于天然产物的提取和化学分析的样品制备。
近年来，我国微波超声联合技术的应用很少。二手研究报告。例如，肖古清等人使用微波-超声波联合技术提取了中药黄连中的总生物碱。杨胜旦等综述了微波-超声波联合技术提取中药有效成分的研究工作。微波-超声波联合技术在中药和天然产品中有效成分的提取中显示出巨大的优势。它可以充分利用超声波产生的强振动，空化作用，搅拌作用，以及微波反射，渗透，吸收，热效应和快速渗透的特点，可以显着增加有效成分的提取量，缩短减少提取时间，减少提取使用溶剂可减少环境污染。 Chen Donglian等人报道说，微波-超声波联合技术被用于从废弃的乙酸乙烯酯催化剂中回收活性炭。
6结束语
微波和超声技术的结合为我们展示了诱人的应用前景，但这项新兴技术远非实际应用。有待解决的问题，例如获得用于微波和超声联合反应器的高性能材料，将金属超声设备与微波设备匹配，如何有效防止微波在反应器中泄漏，反应器的同步加热操作以及温度控制等问题。目前，微波和超声反应器的组合仍处于实验室研究阶段，但是我们可以肯定的是，一种高效，环保的绿色工业技术正在向我们走来。
