Ускорение химических реакций при помощи технологий электромагнитного СВЧ излучения

Бурное развитие промышленности, опирающееся прежде всего на существенное расширение технических возможностей современного оборудования и технологий, которое наблюдается в последние десятилетия, а также тесное переплетение достижений химии, физики, биологии и других областей естествознания привели к тому, что во второй половине XX века в промышленности стало широко применяться СВЧ-излучение.

Технологии СВЧ энергетики объединяют теоретический аппарат физики и химии. Сюда входят химические превращения с участием твердых диэлектриков и жидкостей, связанные с использованием энергии СВЧ поля. На практике было обнаружено, что СВЧ излучение способно в десятки и сотни раз ускорять многие химические реакции, вызывать быстрый объемный нагрев жидких и твердых образцов, эффективно, быстро и полностью удалять влагу из твердых, в том числе и высокопористых, препаратов, модифицировать свойства различных сорбентов.

Объемное нагревание материалов СВЧ полем

В химической промышленности нагревание — самый распространенный способ ускорения различных химических превращений. При классическом нагреве передача теплоты от нагревателя к нагреваемому объекту происходит постепенно, за счет конвекции, теплопроводности и радиационного переноса тепловой энергии от внешних участков к внутренним и всегда связана с возникновением температурного градиента.

При воздействии на образец СВЧ-излучения нагревание обусловлено взаимодействием СВЧ-излучения, во многих случаях обладающего достаточно хорошей проникающей способностью, с молекулами или ионами по всему объему облучаемого образца. В результате нагревание происходит сразу по всему объему облучаемого материала.

Взаимодействие СВЧ-излучения с веществами

Широкие возможности, которые открывает применение СВЧ-излучения в промышленности, вызывают большой интерес во всем мире к изучению и прикладному использованию эффектов СВЧ-энергетики.

СВЧ-излучение может взаимодействовать с веществами, находящимися в газообразном, жидком или твердом состоянии. На анализе взаимодействия СВЧ-излучения с молекулами основана широко используемая в промышленности радиочастотная спектроскопия, позволяющая получать информацию о свойствах молекул. Можно отметить, что по разным причинам практическое проведение химических процессов в газовой фазе с использованием возможностей СВЧ-поля пока еще не начато. Для промышленной практики наиболее интересно взаимодействие СВЧ-излучения с жидкими и твердыми веществами.

Заметное поглощение СВЧ-поля наблюдается при облучении многих жидкостей и жидких растворов. Особенно сильное поглощение наблюдается в случае воды и водных растворов. Взаимодействие СВЧ-излучения с твердыми образцами может сопровождаться его отражением, поглощением и прохождением через объем образца без ослабления.

Взаимодействие СВЧ-излучения с твердыми материалами

Твердые материалы по характеру взаимодействия с СВЧ-излучением можно разделить на три группы. Первая группа — это металлы, гладкая поверхность которых полностью отражает СВЧ-лучи. При этом процессе металл не нагревается, так как потерь энергии СВЧ-излучения в его объем практически нет. Если же поверхность металла шероховата, то СВЧ-излучение способно вызывать на таких поверхностях дуговой разряд.

Вторая группа — это диэлектрики, которые пропускают СВЧ-излучение через свой объем практически неизмененным: плавленый кварц, различные стекла, фарфор и фаянс, полиэтилен, полистирол и фторопласты, тефлон и др.

Третья группа — это диэлектрики, при прохождении через объем которых происходит поглощение СВЧ-излучения, сопровождающееся, в частности, разогревом материала. В промышленной практике для СВЧ-нагрева часто используют смеси, содержащие вещества, слабо и сильно поглощающие СВЧ-излучение. Комбинирую состав таких смесей, удается регулировать максимальную температуру нагрева смеси и состав образующихся продуктов реакций.

Характеристики потерь СВЧ нагрева

Обычно долю исходной энергии СВЧ-излучения, поглощенную материалом и израсходованную на его разогрев, обозначать термином «потери» и называть коэффициентом потерь e». Отношение коэффициента потерь e» к диэлектрической постоянной e’ облучаемого образца — это коэффициент рассеяния tg d = e» / e’ (тангенс потерь). Этот показатель характеризует вещество поглощать СВЧ-излучение определенной частоты и преобразовывать эту энергию в энергию теплового движения при фиксированной температуре. При температуре 25 C значение тангенса потерь для разных материалов изменяется в тысячи раз. Так, при частоте около 2,5 ГГц значение tg d составляет для воды около 157, а для плавленого кварца — всего около 0,06.

Факторы поглощения энергии СВЧ поля веществом

Поглощение СВЧ-излучения обусловлено действием двух факторов. Во-первых, при наложении СВЧ-поля движение полярных молекул или иных обособленных групп атомов приобретает определенную ориентацию, связанную с характером налагаемого поля. Когда интенсивность СВЧ-поля уменьшается, возникшая ориентация пропадает, а хаотичность вращательного и колебательного движения диполей восстанавливается, при этом выделяется тепловая энергия.

При частоте 2,45 ГГц ориентация диполей молекул и их разупорядочение может происходить несколько миллиардов раз в 1 с, что и приводит к быстрому разогреву вещества. Для поглощения СВЧ-излучения по этому механизму необходимо, чтобы связь молекулы с окружающими его в веществе атомами обеспечивала определенную свободу его вращательного или колебательного движения. Если диполь связан с матрицей жестко и такие колебания слабы, то и заметного поглощения энергии СВЧ-поля по этому пути происходить не будет.

Второй фактор, особенно важный для тепловыделения при СВЧ-воздействии в водных растворах, обусловлен направленной миграцией присутствующих в растворе ионов под действием внешнего электромагнитного поля. Такая миграция заряженных ионов — это по сути протекающий через вещество электрический ток силой I. Прохождение тока I через проводник с сопротивлением R приводит к выделению джоулевой теплоты, пропорциональной IR^2. Так как сопротивление раствора возрастает с ростом температуры, а сила переносимого ионами тока I — с ростом их концентрации, то оба этих фактора заметно влияют на тангенс потерь СВЧ-излучения в растворах.

Определение тангенса потерь для различных веществ

В настоящее время технические возможности еще не позволяют найти значения как тангенса потерь, так и коэффициенты потерь для твердых тел, жидкостей или растворов исключительно расчетным путем. Приходится эти значения для каждого конкретного вещества определять экспериментально.

Глубина проникновения СВЧ-излучения в объем образца зависит от значения тангенса потерь и различна для разных материалов. Так, при частоте излучения 2,45 ГГц глубина проникновения СВЧ-излучения в твердые оксидные материалы составляет около 5 мм, для жидкой воды — около 3,5 см, а для некоторых стекол и полимерных материалов — несколько метров.

При облучении массивных образцов с высокими значениями тангенса потерь (некоторые оксиды и соли) интенсивность СВЧ-излучения быстро уменьшается с глубиной его проникновения в объем вещества. В таких случаях температура поверхностных слоев облучаемого материала будет значительно выше, чем слоев, лежащих в глубине от поверхности. Если же значение тангенса потерь мало или размер испытуемого образца материала невелик (например, образец состоит из небольших частиц), то СВЧ-излучение практически равномерно проникает по всему объему образца и обусловливает быстрый и достаточно равномерный разогрев всего его объема.

Преимущества объемного нагревания материала в химических процессах

По всему объему, а не только по поверхности, как это происходит при обычном тепловом воздействии, характер разогрева облучаемых материалов — важная особенность воздействия СВЧ-поля. Если контейнер для вещества изготовлен из материала, практически не поглощающего СВЧ-излучение, то под действием СВЧ-поля может произойти быстрый рост температуры по всему объему содержащегося в контейнере вещества.

В результате такого облучения возникает ощутимое ускорение различных химических процессов (органические реакции, процессы разложения, спекания). Кроме того, при СВЧ-облучении водных суспензий твердых материалов, например, при кислотном вскрытии образцов руд и минералов, наблюдается резкое возрастание скорости растворения не только из-за повышения температуры, но и за счет усиления конвекционных потоков в растворе, а также действия некоторых других факторов.

Микроволновый катализ

Воздействие СВЧ-излучения может приводить к разрушению молекул и появлению в облучаемом образце повышенной концентрации свободных радикалов. Это позволяет в некоторых случаях проводить с использованием СВЧ-облучения химические реакции, начало которых обусловлено появлением в жидкой среде этих радикалов. Так как такие реакции осуществить без СВЧ-облучения вообще не удается, то их протекание под действием СВЧ-излучения иногда называют микроволновым катализом. К сожалению, в настоящее время теория взаимодействия СВЧ-излучения с диэлектриками пока еще не достигла такой степени развития, которая позволила бы заранее предсказать, будет или нет наблюдаться сильное поглощение СВЧ-поля диэлектрическим материалом. Поэтому перед промышленным применением приходится проводить обширные исследования по изучению воздействия СВЧ-излучения на различные объекты.

Наши контакты

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