Применение СВЧ энергетики для технологических процессов сушки и дегидратации

Традиционно для химической практики использование СВЧ-излучения для сушки и дегидратации препаратов. Особенности этих процессов состоят в том, что обработке СВЧ-полем подвергаются диэлектрики — высокодисперсные материалы, порошки, состоящие, как правило, из частиц небольших размеров, от долей микрометра до нескольких миллиметров.

При прохождении СВЧ-излучения через весь объем отдельных частиц таких порошков его интенсивность ослабевает незначительно. Поэтому разогрев каждой частицы происходит сразу по всему объему. К тому же во многих случаях основной образец, подвергаемый сушке, сам по себе СВЧ-излучение практически не поглощает, так что разогрев порошка и удаление из него воды связаны только со способностью удаляемых молекул воды поглощать СВЧ-излучение и в результате разогреваться. Как только в порошке влаги не оказывается, его разогрев прекращается.

Сокращение времени химических реакций при СВЧ обработке

Эти особенности приводят не только к резкому уменьшению длительности сушки под действием СВЧ-поля, но и к некоторым дополнительным эффектам, которые наблюдаются, например, на кристаллогидратах.

Оказывается, что кристаллогидраты по их отношению к СВЧ-излучению можно разделить на три группы. К первой группе принадлежат кристаллогидраты, которые поглощают СВЧ-энергию так сильно, что в них при наложении СВЧ-поля немедленно вспыхивает разряд и происходит глубокое разложение материала (кристаллогидраты многих нитратов, органические кристаллогидраты).

Ко второй группе можно отнести кристаллогидраты, которые из-за особенностей внутреннего строения СВЧ-энергию вообще не поглощают (например, кристаллогидраты некоторых фосфатов и сульфатов). Кристаллогидраты как первой, так и второй группы для СВЧ-излучения непригодны.

И наконец, третью группу составляют кристаллогидраты, которые под действием СВЧ-излучения постепенно (за несколько десятков секунд или минут в зависимости от мощности обработки) разогреваются, что сопровождается удалением воды из их объема. К числу таких кристаллогидратов принадлежат, например, гипс CaSO4 » 2H2O, ВаСl2 » 2Н2О, тетраборат натрия Na2B4O7 » 5Н2O, кристаллогидраты некоторых фторидов переходных металлов, b-дикетонатные комплексы металлов. В этих случаях с помощью СВЧ-поля можно, во-первых, быстро удалить из кристаллогидратов адсорбционную, слабо связанную воду и получить, например, тетраборат натрия точного состава Na2B4O7═» 4,75Н2O, а также осуществить полное обезвоживание веществ.

Любопытно, что центрами поглощения СВЧ-излучения в кристаллогидратах выступают протяженные дефекты. Около этих дефектов формируются зоны дегидратации. Так как граница между исходным и обезвоженным веществом сама по себе представляет протяженный дефект, то распространение зоны дегидратации носит фронтальный характер.

Использование СВЧ-излучения для регенерации различных осушителей и сорбентов

Обнаружено, что небольшое дозированное воздействие СВЧ-излучения малой мощности на частицы, например, порошка гипса CaSO4 » 2H2O, не приводящее к разогреву образца и изменению его химического состава, приводит к нетермическому отжигу части объемных дефектов микрочастиц гипса.

Оказалось, что в результате СВЧ-излучения, не связанной с нагреванием образца, термическая устойчивость кристалликов гипса заметно возрастает. Другие кристаллогидраты при обработке СВЧ-полем малой мощности ведут себя иначе. Так, если предварительно таким способом обработать некоторые кристаллогидраты фторидов переходных металлов, то при термическом нагреве до 500 С из этих материалов удается удалить воду более полно, чем в том случае, когда термической дегидратации подвергали образцы, которые предварительно СВЧ-полем не облучали.

Перспективно использование СВЧ-энергетики для регенерации различных осушителей и сорбентов, например, активированного угля и цеолитов. При этом СВЧ-обработка может приводить к увеличению сорбционной емкости таких материалов и повышению их эффективности как сорбентов.

Неорганический синтез

Многие неорганические вещества (оксиды, сульфиды, карбиды, некоторые кислородсодержащие соли) способны интенсивно поглощать СВЧ-излучение и при этом со скоростью более 100 град/мин разогреваться до температуры 1000 C и выше, что используют при синтезе различных неорганических материалов, в том числе и высокотемпературных сверхпроводников.

Преимущество такого нагрева состоит, в частности, в том, что удается избежать неконтролируемого изменения состава исходного сырья и осуществить равномерное спекание по всему объему. При проведении таких синтезов используют как смеси, состоящие из компонентов, каждый из которых способен поглощать СВЧ-излучение и нагреваться под его действием, так и смеси, в которых СВЧ-излучение поглощает только один или несколько из всех исходных реагентов.

Иногда для обеспечения необходимой температуры нагрева в сырье дополнительно вводят химически инертный материал, способный интенсивно поглощать СВЧ-излучение, или вещество, не поглощающее СВЧ-излучение и обеспечивающее снижение температуры технологического процесса.

С использованием СВЧ-излучения удается быстро синтезировать такие неорганические соединения, как ZnTe, CuInS2 , CrC3 , WC6 , TiN, CrS, KVO3 , CuFe2O4 , BaWO4 , La1,85Sr0,15CuO4 и многие другие. Наконец, СВЧ-энергия позволяет получить новую информацию о свойствах некоторых неорганических веществ. Так, при использовании нестандартного СВЧ-излучения частотой 35 ГГц удалось обнаружить новые полиморфные превращения в твердом кислом сульфате аммония (NH4)3H(SO4)2 при температурах 242 и 222 К.

Органический синтез

Использование СВЧ-излучения позволяет в десятки раз ускорить прохождение многих органических реакций, повысить выход итогового продукта, направить реакцию по нужному пути (с использованием СВЧ-катализа). СВЧ-излучение применяют в органическом синтезе при проведении химических реакций в условиях нормального давления, а также при повышенном давлении с использованием автоклавов, изготовленных из материалов, прозрачных к СВЧ-излучению. При этом учитывают, во-первых, способность СВЧ-излучения вызывать быстрый и значительный разогрев многих органических растворителей и, во-вторых, способность СВЧ-излучения активировать молекулы реагентов и особенно вызывать их диссоциацию на ионы и свободные радикалы.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что значения констант скоростей некоторых реакций в условиях СВЧ-облучения возрастают примерно в 20-30 раз и более, в области температур 120-170 C. Большое число практических исследований посвящено также использованию СВЧ-излучения для синтеза различных металлоорганических соединений. Учитывая, что СВЧ-нагрев позволяет резко сократить длительность проведения органических химических реакций, его использование эффективно при синтезе различных органических соединений, меченых короткоживущими радионуклидами, периоды полураспада которых составляют несколько минут. Такие меченые препараты можно использовать для медицинской диагностики.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании