微波技术及其应用

    微波通常是指波长在lm-lmm的电磁波，初期主要用于通讯、广播电视等行业。20世纪60年代后，人们逐渐将微波加热技术用在纸类、林木的物理加工过程。随着现代科技的迅速发展，微波技术己被广泛应用于包括化学在内的许多领域，尤其作为实现绿色化工的手段之一而倍受人们关注。本文就微波加热机理和微波技术在化学合成、化学分析、食品加工、环境监侧与保护等领域的应用作一简要概述。

1微波加热机理及特点

1.1微波加热的机理

    微波是一种高频率的电磁波，微波加热意味着将微波的电磁能转变为热能，转变过程与物质中分子等微观粒子的运动有关。当微波作用到物质上时，物质中微观粒子可产生四种类型的介电极化，即电子极化、原子极化、界面极化和偶极转向极化，其中偶极转向极化对物质的加热起主要作用。

    极性电介质的分子在无外加电磁场作用时，偶极矩在各个方向的几率相等，宏观偶极矩为零。在微波场作用下，物质的偶极子将重新取向，使宏观偶极矩不再为零，形成偶极转向极化。由于微波产生的交变电场以每秒高达数十亿次的超高频率变向，偶极转向极化跟不上交变电场的变向而滞后，导致材料内部功率耗散，一部分微波能因此转变为热能，使物体本身升温，即所谓的“内加热”。换言之，就是在超高频微波场的作用下，被加热物质的分子之间相互发生碰撞、挤压和摩擦，由此产生深层、快速和均匀的加热效果。物质吸收微波能的程度可用介质损耗角正切tg δ来描述，tgδ等于介电常数e’。与介电损耗因子e’’之比，物质吸收微波能的能力随tg δ的增大增加，因此，任一定的微波场中，物质本身的介电仍性决定着微波场对其作用的大小。

    根据物质对微波能的吸收程度，可将各种材料分成导体、绝缘体和介质。导体主要为金属，如银、铜、铝等，微波不能进入导体，只能在其表面反射;因此，为减小微波辐射对人体造成的伤害，可用金属屏蔽微波辐射。绝缘体是指可穿透微波而对微波吸收很少的材料，其tg δ很小，如玻璃、陶瓷、耐热塑书}、竹木器具等，均可作为微波加热的容器。介质能吸收微波，吸收程度用tg δ大小衡量，大多数有机化合物、极性无机盐和含水物质都能很好地吸收微波能并使温度快速升高，这就为以微波技术手段介入有关化学反应或化学分析工作提供了有利条件。

1.2微波加热的特点

    众所周知，传统加热方法是利用外部热源通过热辐射由外到内逐渐传导加热，为避免温度梯度过大，加热速度往往不能太快，更无法对处于同一反应装置内的混合物料的不同组分进行选择性加热。与传统加热方式相比，微波加热具有以下特点：

   （1）热能不经容器由外到内逐渐传导，加热速率快。

   （2）热效率高，能耗小。

   （3）无热滞后效应，易实现温度控制。

   （4）加热均匀，表里一致，温度梯度小。

   （5）可以对混合物料中的各个组分进行选择性加热，容易实现白动化控制。

   （6）能同时促进吸热与放热反应，对化学反应具有催化作用。

   （7）能降低化学反应的温度。

   （8）能赋予某些高分子材料理想的性能。

2微波技术的应用

2.1在化学合成中的应用

    微波技术在有机合成上的应用始于二十世纪八十年代，当Gedye等人发现将微波加热技术应用于有机小分子合成能显著提高反应速度后，利用微波技术促进有机反应便成为人们关注的焦点。日前涉及微波加热技术的有机合成反应有烷基化反应、酯化反应、取代与消除反应、磺化反应、烯烃加成反应、缩合反应、重排反应、周环反应和有机金属反应等类型。研究表明，微波技术在有机合成上的应用不仅可以加快反应速度，缩短反应时间，而且还具有操作方便、产率高、产品易纯化等优点。

    在无机化合物的合成方面，微波加热主要要用于烧结和水热合成。例如.以硅溶胶、偏铝酸钠、溴代十六烷基毗啶氢氧化钠等为原料，采用传统的电烘箱加热方法，在80℃下晶化，72 h才能制得MCM-41分子筛。若在微波加热条件下进行同样的反应，由于微波加热迅速而均匀，晶化时间仅为2h。这不但节省了时间，降低了能耗，还可控制生成分子筛的晶型和结晶度。许多在工业生产上具有重要意义的无机化合物，如碳化物、氮化物、复合氧化物、硅化物、沸石等都可用微波加热技术进行合成。

    此外，微波加热技术对粘度大、导热性差的高分子化合物的合成与加工，对天然高分子材料的改性和固化也有良好的支持作用。

2.2在化学分析中的应用

    微波在化学中应用最广泛的领域是分析化学，除用于微波等离子体(MWP)原子光谱分析所包含的MWP原子发射光谱分析(MWPAES), MWP原子吸收光谱分析(MWPAAS>. MWP原子荧光光谱分析(MWPAFS)和MWP原子质谱分析(MWPMS)外，还可用于溶样、苯取、脱附、测湿、干燥、分离富集、热雾化、显色和形态分析等。

    在样品特别是固体样本分析过程中，最耗时、最费力的工作往往是样品的溶解。与传统热溶解样品方法相比，微波加热溶样最突出的特点就是快速、节能。日前已建立的微波溶样方法涉及的样品包括化学、生物、药物、食品以及众多的合成材料。

    微波萃取主要用于对固体样品的萃取，将样品粉碎后加入溶剂，随后施加微波在常压、高压或流动条件下进行萃取。与传统萃取法相比，微波萃取有快速、回收率高、能耗小、溶剂用量少等优点。由于避免了因长时间加热而引起的热分解，微波萃取法有利于极性和热不稳定化合物的萃取。

    微波加热干燥是用微波加热除去样品中的挥发性物质。微波加热干燥用于重量法可测定水中固体或悬浮体。快速，节能同样是微波加热干燥法测定水分的突出特点。

食品保鲜通常离不开防腐剂，然而防腐剂的食用会对人体健康产生不良影响。实践表明，微波杀菌的显著效果能确保食品不添加任何防腐剂而延长保鲜期。与其它生物体一样，细菌也是由水、蛋白质、核酸等物质组成，其中水是极性分子，在微波超高频产生的交变电场的作用下被进一步极化，井随微波场极性的迅速改变而引起蛋白质分子团急剧旋转、振动和升温，进而导致蛋自质分子变性。在微波辐射下食品升温的过程中，细菌和酵母菌等微生物将在短时间内被杀死，而食品的色、香、味和营养成分并未受损。可见，微波技术对食品杀菌和保鲜具有重要价值。日前，瑞典、德国、丹麦和意人利等国使用微波对切片面包杀菌、防霉、保鲜已达到工业化生产程度，我国的一些食品生产企业也开始将微波杀菌技术应少目到部分食品的加工、运输、贮藏及销售中。

2.4在环境监测与保护中的应用

      环境监测工作离不开对样品的消解。在环境监测中，几乎所有的分析测试方法均要求将样品制各成溶液，样品消解步骤直接影响到待测样品分析测试的检出限和准确度。本文有关微波在化学分析中的应用部分已经就微波消解的特点作了简单介绍，由于该方法能加快样品消解速度并减少痕量元素的损失，对环境的二次污染义小，故在环境监测领域己作为准方法广泛应用于样品分析的预处理。

当今世界能源危机日益严峻，为提高能源利用率，改善环境质量，实现经济、社会和环境的可持续发展，我们必须重新审视传统的工作与生活方式。微波环保技术是微波处理技术与环境资源回收利用技术的新兴交叉技术，其快速、高效、环境资源回收率高、省时节能和成本低等优点都符合现代环保要求，相关技术已应用在废弃物的处理与回收、消除水土污染、处理废电路板并回收贵金属、处理烟气中的二氧化硫和制备环保材料等。

2.5在医学上的应用

    微波所产生的高强度电磁场会改变生物组织内电荷与分子的运转规律，改变细胞电位和细胞膜通透性，破坏微生物化学成分及结构，进而导致细胞死亡。低温短时的微波福射对霉菌、放线菌、酵母菌较敏感，对其它细菌亦有很强的杀灭作用。文献资料表明，该方法用于口腔内疾病治疗具有复诊次数少、充填疗效好、不产生机体免疫损害以及副反应小等优点。

    此外，微波技术在药物合成、病理诊断、标本前期处理以及染色、免疫组织化学反应、电镜标本制备和陈旧性标本的再利用等方面亦有不俗的表现。

3结语

    微波技术因其显著特点，在化学、医学、食品加工、环境监测与保护等领域的研究与应用具有无穷魅力。微波技术的发展前景，就是要突破传统内容，与更多的学科相结合，创建一系列新的研究方向，充分发挥其快速、高效和节能环保等优点，为保护和合理利用自然资源服务。

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