1.微波化學需要建立系統(tǒng)的理論基礎

       1986年加拿大Gedye教授發(fā)表了第一篇微波催化化學合成的論文（這個實驗是在家用微波爐內(nèi)做成的），把微波電磁場作為加速化學反應的手段，引起了世人廣泛的關注。激發(fā)了化學工作者利用家用微波爐這個易得的實驗條件，在化學和化工的廣泛領域做了許多開創(chuàng)性的試驗，并獲得了令人振奮的成果。1992年9月在荷蘭召開了第一次世界微波化學會議，正式采用“微波化學”這個術語,概括了這個科學研究的方向。化學工業(yè)界有識之士認為,發(fā)現(xiàn)了催化劑是化學工業(yè)快速發(fā)展的第一個里程碑，可以期待著微波電磁場輔助催化化學反應的發(fā)展，有可能成為化學工業(yè)快速發(fā)展的第二個里程碑。

       微波技術工作者以十分興奮的心情閱讀了大量的微波化學的試驗結果，認識到這個領域正是微波功率工程研究應該辛勤耕耘的一塊土地。微波功率工程應該為微波化學的發(fā)展做好自己的工作，這是自己光榮的責任。就微波功率工程應用的整體工作來說，是一個“服務性行業(yè)”，設計考察的首要條件是服從應用學科的科學規(guī)律，微波設計以參變的方法使微波理論的規(guī)律和應用學科的規(guī)律找到一個會合點，這是項目成功的首要條件。

       從我們目前看到的微波化學的論文來看，實驗的內(nèi)容是相當豐富的。但缺少化學實驗和電磁場理論相結合的方法，分析實驗成果的系統(tǒng)理論。這種系統(tǒng)理論，正是微波技術工作的出發(fā)點。

       是否可以將眾多實驗結果的“點”演繹成為規(guī)律，而這些規(guī)律和電磁場的參數(shù)具有內(nèi)在關系。

       我們認為，從微波理論的角度，可以引出的理論出發(fā)點如下：

       化學反應催化劑的研究已經(jīng)有一百年的歷史，對加快化學反應速率起著決定的作用。從電磁場理論的角度來觀察，電磁場并非替代催化劑或分子篩的功能，是一種輔助功能，并不完全是取而代之，而是使原有催化劑的功能發(fā)揮得更好，發(fā)展其潛力，延長其壽命。實際上電磁場的存在改善了固體的表面效應，這些表面效應正是催化劑催化化學反應的用武之地。所以，從理論上可以預期，一些原先不可能作為催化劑的物質(zhì)，在電磁場存在的前提下可以具有催化功能。

       理論分析是很清楚的，固體表面電磁場的存在：（1) 可提高分子碰撞的概率；（2)添加分子的碰撞能量（3）改變分子能量的類型（4)改變分子碰撞的方位（5)可能延長反應分子的碰撞時間。

       從微波加熱的特點來考慮，電磁場加熱具有選擇性加熱的特點，催化劑的電介常數(shù)大，在催化劑顆�；蚍勰┑泥徑�，呈現(xiàn)著陡峻的溫度梯度；所以反應分子在催化劑的鄰近區(qū)域接收“強活化”的條件后，迅速離開高溫區(qū)，可防止反應的逆轉。傳統(tǒng)的由表及里的傳熱加熱方法，是不可能產(chǎn)生微區(qū)的高溫條件的，也不可能建立不平衡的陡峻的溫度梯度。大塊的金屬是不可能進行微波加熱的，但金屬催化劑粉末或顆粒，可以進行微波加熱。

       從微波氣體放電的理論來分析，在催化劑微粒的附近可能出現(xiàn)低溫等離子體鞘（qiao)層或電暈。

       在大氣壓微波加熱的實驗中，我們常常會發(fā)生初始狀態(tài)氣體放電現(xiàn)象。從微波加熱應用器設計的角度來考慮，這些氣體放電現(xiàn)象是不會出現(xiàn)的；應用器不可能出現(xiàn)如此高的電擊穿場強。這是由于加熱材料的尖端效應，或高電介質(zhì)常數(shù)邊界切向電場連續(xù)效應（高電介常數(shù)物料鄰近的切向電場遠高于遠區(qū)）這些效應，可以在催化劑鄰近構成電暈或輝光放電，在此條件下為獲得離子、新生態(tài)原子、激發(fā)態(tài)粒子、自由基等，提供了有利條件。

       這些電暈或輝光放電的鞘層，可以處于星星點點的分布狀態(tài)，不構成整體的等離子體現(xiàn)象。這些星星點點的等離子體鞘層的微區(qū)，正是化學反應取得強活化的條件。

       從這里也可以看出微波催化化學反應和微波等離子體化學兩者是具有內(nèi)在聯(lián)系的。

       微波化學的內(nèi)容是多學科交叉的內(nèi)容，首先應當是化學反應熱力學、化學反應動力學和電磁場理論的充分滲透。在這個結合點上給出微波化學的理論出發(fā)點，給工程工作指出一個方向。微波化學的發(fā)展還需要其他學科的配合，特別是材料科學的配合。也就是說微波化學的發(fā)展，是需要多個學科聯(lián)合攻關的系統(tǒng)工程。

       2.微波化學應從電磁場的全部參數(shù)來考察應用效果

       電磁場的參數(shù)是：頻率、頻率純度、極性、功率密度（場強）、調(diào)制狀況等。

       從理想的條件出發(fā)選擇頻率，可以從整個電磁頻譜來考慮問題，在寬頻領域廣角度探索后再深入研究。國外有采用行波管放大器的寬帶功率源，其目的即在于此。

       目前國內(nèi)微波化學的研究工作，大部分在2450MHZ這個頻段上進行，部分還可能采用915MHZ頻段。這兩個頻段均采用連續(xù)波磁控管，并做成連續(xù)波功率微波源。但實際情況均具有較大的波紋因素，說得確切一些是三相全波整流或單相全波整流的波形被磁控管銳化了波紋狀態(tài)。家用微波爐的電路結構實際上是可控的單相半波倍壓整流電路，其波紋因素更大。

       這種工作狀態(tài)受電網(wǎng)波動的影響，平均功率不斷變化，具有很大的不穩(wěn)定性，造成功率密度的不確定。在實驗要求很嚴格的情況下，會造成實驗結果重復性不滿意。

       近來微波等離子體的研究首先發(fā)現(xiàn)這些問題，電源的不穩(wěn)定性會造成等離子體參數(shù)的變化。

       用毫秒級的脈沖調(diào)制連續(xù)波磁控管，在許多實驗中取得了良好的實驗效果。理論分析調(diào)制通斷時間的選定可以獲得改善效果。

       1. 物料介電損耗的正溫度系數(shù)銳化了不均勻的加熱效果，造成局部點的熱失控現(xiàn)象。必要的周期停頓，利用熱平衡的過程，可以緩解這些不均勻因素，抑制熱失控現(xiàn)象的建立。

       2. 避免了微波輔助催化反應過程中若干不需要副反應的累積。周期性的停頓可以避免這些副反應累積增強，停頓就是副反應的衰落，再從新開始，這樣就避免了副反應的過度增長。

       從這些情況可以看出，嚴格的微波化學實驗，微波設備應能給出穩(wěn)定可靠的設備技術參數(shù)，從而可以從這些設備給出的確切工作狀態(tài)，換算成進行實驗的電磁波參數(shù)。

       目前微波等離子體化學研究工作，已經(jīng)較充分的考慮了這種嚴格的設備條件，這是微波化學實驗可以借鑒的。

       3 .用家用微波爐作微波化學實驗的局限性

       應當承認家用微波爐進入化學實驗室是一種初級的實驗儀器，作一些簡易改裝，可以滿足多種實驗的條件。但是其存在著許多局限性，一些理論預計可以成功的實驗，有時無法在家用微波爐內(nèi)實現(xiàn)。

       主要的限制性是：

       1. 一般而言，功率密度較低，一些需要高場強的實驗無法在家用微波爐內(nèi)實現(xiàn)，尤其是一些低損耗的實驗，是無法在家用微波爐內(nèi)完成的。

       2. 市售的家用微波爐均勻度欠佳，尤其厚層物料上下均勻度更差。

       3. 真實饋入微波爐腔的有效功率，受電網(wǎng)電壓的波動影響有較大幅度的變化，影響了對功率密度要求很嚴格的這類應用實驗的重復性。

       4. 無法知道較具體的工作狀態(tài)，即缺少入射功率和反射功率的正比顯示。因此在家用微波爐的實驗無法標明場密度對實驗效果的關系。

       應當說家用微波爐進入化學實驗室，已取得了豐富多彩的成果，這個成績是不可磨滅的，但是家用微波爐的實驗的成果，無法為中試設備的設計提供確切的設計數(shù)據(jù)。為家用微波爐所否定的實驗，很可能在許多專用的微波實驗系統(tǒng)內(nèi)取得效果。

       從設備的角度來看，微波化學進一步的發(fā)展，研制更適合微波化學實驗效果的設備是非常必要的。設備可從二種類型發(fā)展：

       一、微波化學實驗專用微波爐 。

       二、實驗室微波化學實驗系統(tǒng)目的是使電磁場條件更易明確而穩(wěn)定的確立，使研究工作更有效的進行，加快研究的進度。

       4.微波化學專用微波爐 

       微波化學專用微波爐，是為特定的化學研究領域而設計的，能充分滿足特 定領域實驗的需要。

       一般情況下，可使用同一的腔體，但引入不同的門結構。（如高氣壓實驗的微波爐，宜采用升降門結構，以滿足實驗條件下的安全性能）采用穩(wěn)定可靠的磁控管電源設計，提高功率輸出的穩(wěn)定度及重調(diào)精確度。應設置入射功率和反射功率的比例顯示，實時顯示具體的工作狀態(tài)�？蓳Q算成應用微波功率的具體量值。

       專用微波爐采用較大功率的微波源（可以二種類型，采用5KW，2KW磁控管或采用800W，三管制），以取得比家用微波爐更高的功率密度。如需要，爐腔內(nèi)微波電場的取向，可沿X•Y•Z三個方向的設置，并增加腔體底部饋能，腔底饋能可改善上下的均勻程度。還可以增加兼容托盤或容器旋轉功能。

    專用微波爐的類型如下：微波馬佛爐，微波焚燒爐，微波消解爐，含高氣 壓容器微波爐，微波樣品處理儀，微波病理分析儀等。

       用專用微波爐做微波化學的實驗研究，估計可取得更好的實驗效果，改善實驗效果的重復率。采用專用微波爐對于高介電常數(shù)或中等介電常數(shù)的處理對象，可得到比較理想的效果。在專用微波爐內(nèi)取得的實驗數(shù)據(jù)，對中試設備或產(chǎn)業(yè)化設備的研制就更具有參考價值。

       5.實驗室微波化學試驗系統(tǒng)

       實驗室微波化學試驗系統(tǒng)應由微波功率源,大功率波導元件、微波應用器及傳感與控制四部分組成。應用器是針對應用試驗的類型而設計，其微波功率密度按需要而設定，并按試驗需要兼容各種功能，具有較強的專用性質(zhì)。微波功率源、大功率波導元件及傳感和控制三種類型的部件，是通用的部件，可按需要而選定。

       我們致力于不斷改善通用部件性能，達到高質(zhì)量、高可靠，為整個試驗確立可靠的狀態(tài)奠定基礎。

       實驗室微波化學試驗系統(tǒng)對不同的實驗可按需要進行積木式的組裝，需要更改的僅是微波應用器。所以既有普遍適應的功能，又有最適合實驗所需要的電磁場環(huán)境，應該說這種方法是最理想的。

       對于低損耗物質(zhì)來說，微波應用器應設計成高品質(zhì)因素的諧振腔，諧振腔的功能是貯存微波電磁場能量，腔中的物質(zhì)損耗越小，諧振腔貯存的能量越高，越可以達到一個穩(wěn)定的貯能值。此時輸入的功率全部變?yōu)榍恢袚p耗的功率，而維持貯能值不變，所以諧振腔的功能就是：

       (1) 將微波電磁場密度貯存到需要高度；

       (2）最有效的將能量耦合給物質(zhì)。

       所以專用的微波應用器就有可能做成在家用微波爐無法做成的實驗，并可給出相應實驗的電磁場參數(shù)，為中試或生產(chǎn)性設備的設計給出可靠的數(shù)據(jù)。

       應用器必須適應實驗所需要的容積、狀態(tài)、條件及兼容的需要，這是微波原理和應用學科需要充分討論的。微波技術應提出許多新的設計方法，并盡可能的適應這種需要。

       6.微波功率工程應為微波化學的產(chǎn)業(yè)化提前作一些考慮

       首先，微波功率源的高可靠、長壽命，應放在首位�；ぴO備運行是不間斷的工作，故障的出現(xiàn)會造成不可估量的損失。整體設備的可靠性也同等的重要。只有微波設備的高可靠性實現(xiàn)，微波化學的產(chǎn)業(yè)化才有條件。

       其次，大功率源的研制（單管或多管組合），大功率波導元件的研制和準備（估計目前10KW、20KW級的元件用于50KW、100KW會出現(xiàn)許多不足）及各波段微波化學反應應用器標準件的準備（如密封窗）都是需要的。只有大功率源等基礎件提前作準備。今后規(guī)模的應用器的設計才有較可靠的依據(jù)。

       微波化學是一個多學科交叉的研究課題，應加快從實驗室的試驗成果逐步走向產(chǎn)業(yè)化的進程，使研究工作和發(fā)展生產(chǎn)緊密的結合起來。微波技術和化學工程多渠道的對話是需要的。

       就微波技術工作者來說，要了解化學家的研究方法，使微波設計的方案和此種研究方法相符合。 

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