微波辐射强化再生技术

徐锐

摘 要 本文以微波辐射强化再生技术的原理为切入点，通过与传统技术的对比，阐明了该项技术的特点及优势，并结合研究现状对其发展前景及趋势进行探讨，分析在应用过程中存在的制约因素。

关键词 微波辐射强化脱附；再生技术；原理

中图分类号 TN2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）11-0025-02

作为化工分离技术中的一种，多孔材料是吸附技术的核心，在多个领域中得到了广泛的应用，为工业化生产过程中所产生的挥发性有机污染物（VOCs）治理创造了可能。在吸附技术应用时，不仅要保证吸附剂的吸附能力满足相关标准的要求，同时还需对吸附剂再生的问题加以重视，实现再生利用的同时，尽量避免破坏原有结构，加强对吸附剂吸附性能的保护。微波本质上属于电磁波，其频率一般为0.3GHz～300GHz之间，在外界条件的作用下会出现衍射、偏振等现象，能量传输也会出现在此过程中。利用微波辐射进行加热，不仅具有更高的效率，也减少了热能损耗。

1 微波辐射加热的原理

微波辐射加热是通过介质在微波场中的极化损耗，进而产生大量的热能。在微波场中放置介质，介质中的微观粒子通过电磁波场的作用会出现重新排列的现象，带正负电的粒子相互趋近，形成排列规则的极化分子。微波电磁场的交变周期一般在10-9～10-12s，变化频率很快，因此介质极化分子也以数十亿次每秒的频率不断变化。在此过程中，分子之间会出现相互摩擦、碰撞以及相应的剧烈运动，导致大量的热能产生，并通过温度增加体现出来。

鉴于此，介质材料通过微波能量的作用，产生相应的热量。在具体的应用过程中，介质材料所吸收的微波功率为：

P=fE?tan

式中：单位体积介质吸收的微波功率表示为P；

微波频率表示为f；

电场强度表示为E；

相对介电常数表示为；

介电损耗角正切表示为tan。

可见介质材料在微波辐射加热的过程中发挥着重要的作用，在选择介质材料时，必须要保证材料的微波频率、介电性质等满足要求。此外，微波传输时对于不同材料的穿透程度存在差异，正是通过微波深入材料内部，实现了介质温度的上升。微波渗透的深度增加，消耗了更多的微波能量，待到达一定深度之后，微波辐射加热就受到限制，形成相应的温度梯度。在材料导热性不足的情况下，会对材料结构产生一定影响，因此还需对介质的导热性加以重视。

2 微波辐射强化再生技术研究现状

自20世纪80年代底，在脱附过程中开始逐渐应用微波技术，通过大量的研究实践表明，采用微波辐射强化再生技术能够有提高效率，减少资源浪费，具有良好的环保节能效果，契合经济性的要求。近年来随着社会经济的不断发展，对于微波辐射强化再生的研究不断深入，为其进一步的应用提供了理论支持。研究者采用超声、微波等进行脱附剂再生试验，通过对最终试验结果的对比得出：物质在接受微波辐射20min以后，实现了90%以上的有机物脱除。而超声作为再生技术，其主要的媒介是水，在水中有机物实际溶解情况决定着最终的脱附效果。

3 微波輻射强化再生技术的优点

目前，在工业生产中较为常用的吸附再生方式是利用高温，从表面至内部进行加热传导。使其温度得到提升，进而脱附有机物质。但是这种再生方式需要消耗大量的能量，其中的循环周期也相对较长，且经过高温之后可能会导致吸附剂的结构出现变化，影响最终的吸附性能。而微波辐射强化再生技术应用的过程中，介质材料在外界作用下出现极化损耗现象，以此来产生热能，属于“内加热作用”，打破了常规加热方式的弊端，不仅传热更快，且加热效果更为明显。

3.1 加热速度快

传统再生脱附技术中，物体在加热作用下，表面的温度先得到提升，温度积累到一定程度后，通过传导和对流向内部拓展，加热效率及速度相对较低。而微波辐射再生技术在热量传递的过程中，不需要介质传导，热量传递更加均匀，物体各部分能够整体升温，在短时间内达到吸附剂再生的目的。

研究学者将两种加热方式分别应用与苯酚的活性炭吸附再生实验中，达到1 124K的高温，常规方式所需的时间为10min～13min，而微波辐射强化再生技术仅需4min即可。

3.2 选择性加热

微波能量的吸收受到介电性质的影响，在微波场中，介质材料不同，其加热速度也存在差异，即微波辐射加热的选择性特征明显。利用这一特征，可以根据实际情况进行物质的局部加热。微波脱附系统中，既可以应用极性吸附物质，也可以采用非极性吸附物质，根据所选择的吸附物质确定最终的脱附机制。应用极性吸附质时，可采用微波透明吸附剂，在微波场中产生偶极转动、变相，通过摩擦作用下产生大量热能。在此过程中，吸附剂无需借助外界加热条件。对于非极性吸附质来说，宜选择微波吸收性吸附剂脱除吸附质。

3.3 节能高效

传统的加热方式在热力传导的过程中，不可避免的会出现损耗现象，造成了能源资源浪费。在此过程中，外界环境也受到高温加热的影响，严重情况下还可能会出现火灾问题。微波辐射强化再生中，反应器腔体的主要作用是传递微波能，在此过程中出现的微波损耗不大，加热介质能够吸收绝大部分的微波能，热利用的效率相对较高。环境中的温度不会随之升高，明显改善了生产环境。此外，由于微波辐射强化再生技术产生的热惯性很小，如果能够将微机控制应用在此项技术中，可促进自动控制加热过程的实现。

4 微波辐射强化再生技术应用前景及展望

微波辐射强化再生技术具有效率高、能耗少等方面的优势，具有良好的发展前景，对于该项技术的研究实验也在逐渐深入，并取得了突破性的成效，但是大规模的应用与实践还受到一定的限制。

4.1 缺乏微波适用型吸附剂

由于微波在介质材料中的穿透深度受到限制，更深层次的材料无法得到有效加热，可能会导致在局部吸附剂上出现热量过于集中的现象。为了实现完全再生吸附剂床层的目的，必须辅之以热传导，使热量传递至其他部分，其传递方向与温度梯度的方向保持一致。但是对于一些导热性不强的材料，会导致热量传递过程缓慢，影响了微波辐射强化再生技术的速度及传热均匀性。若在吸附剂内外部存在较大的温度差，内部在温度应力的作用下会出现压力不断上升的情况，待达到一定数值之后，就会出现结构性缺陷或者破裂，严重情况下还会导致火灾危害，存在一定的安全隐患。基于此，相关学者设想利用环状床层，来提高其导热效果，保证微波辐射强化再生技术应用的安全性。

4.2 温度测量与精度控制

介质材料需放置在微波场中才能进行辐射加热，在此过程中存在特殊的电磁感应，无法使用常规的温度测量工具，导致脱附体系中实际的温度无法得到有效的测量与控制，这也成为制约微波辐射强化再生技术大规模应用的一个关键因素。因此，微波辐射强化再生技术的研究过程中，对于微波脱附温度的测量与控制应加以重视，学者对于这方面的实验也在不断深入。例如通过含硅沸石在微波辐射作用下进行吸附再生，通过对此过程中温度变化的研究，发现表面温度相较于其他部位出现明显的升温现象。虽然目前对于温度测量与控制还没有明确的方法，但是随着不断的研究有望突破这一因素的限制。

4.3 大型微波加熱器件缺失

目前，在进行微波辐射强化再生技术试验研究的过程中，主要采用的加热器是微波炉，使得实验结果可能与实际应用的情况出现差异，同时也存在一定的不安全因素。因此需要根据实际情况设计更为完善的微波设备，避免实验时出现微波泄露的问题，为该项技术大规模工程化的应用提供物质基础。

5 结论

综上所述，微波辐射加热技术主要是通过介质在微波场中出现的极化损耗，产生大量的热能，进而提高吸附体系的温度，进行有机物的脱除，最终实现脱附剂的循环再生。与传统的脱附技术相比，微波辐射强化再生技术的效率高，热量损耗相对较小，属于环保节能的新型脱附技术。并且通过物质本身的介电性质，能够进行选择性加热，提高热能的利用效率，在一定程度上减少能演资源消耗。

参考文献

[1]潘能婷，苏展军，蔡显英，等.微波辐射强化再生技术：一种环保节能型吸附剂再生技术[J].广东化工，2010，37（4）：3-5.

[2]刘晓咏，欧阳平.吸附材料微波辐射再生的研究进展[J].应用化工，2016，45（2）：328-331.