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内容介绍
内容简介 本书系统地介绍了微波化学的基本原理、技术设备及其在环境科学与工程中的应用。全书分为12章，着重介绍了微波性质、微波技术、微波化学等基本知识和基本概念，微波强化水处理技术的基本原理、工艺技术和应用 范例，微波强化消毒和微波—紫外联合消毒技术，微波辅助提取技术和微波促进有机合成技术，微波辐射诱变育种技术等环境微波化学技术；并探讨了微波的生物效应与安全防护等问题。

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适读人群 ：相关领域科研人员、研究生。

目录
目 录 丛书序 前言 第1章微波与微波化学技术 1 1. 1微波的性质 1 1.1.1微波的一般性质 1 1.1.2微波与材料的相互作用 3 1.3微波的加热作用 5 1.2微波的产生与设备装置 7 1.2.1微波磁控管的基本结构与参数 7 1.2.2磁控管的工作原理 11 1.2.3微波化学反应器 12 1.2.4体系温度和压力的测量 15 1.2.5工业微波设备选型 19 1.3微波化学与技术 20 1.3.1微波化学与技术的发展历程 20 1.3.2影响微波化学反应速率的因素及规律 21 1.3.3微波合成化学反应作用机制 26 1.3.4微波等离子体化学与技术 30 1.3.5微波化学技术目前存在的问题及研发趋势 34 第2章微波诱导氧化水处理技术 38 2.1微波诱导催化氧化反应原理 38 2.2微波诱导氧化水处理技术中常用催化剂的制备方法 40 FoA-SnCX/ACF催化剂的制备 40 Mn02/y-Al203 催化剂的制备 40 2.3微波诱导氧化工艺条件对污染物处繊果的影响 41 2.4微波诱导氧化在污染治理中的应用 42 2.5微波诱导氧化处理水中污染物的表贩应动力学和机制 43 2.5.1微波诱导氧化水处理工艺的表观反应动力学 43 2.5.2微波诱导氧化水处理工艺反应机制 44 2.5.3催化剂在微波场中的温升行为 46 第3章微波强化氧化还原水处理技术 55 3. 1微波强化C102催化氧化技术酿与应用 55 3.1.1微波强化C102水处理技术原理 55 3.1.2常用催化剂的制备方法与性能 60 3.1.3微波强化C102氧化在污染治理中的应用 83 3.2微波强化还原水处雜术 92 3.2.1微波强化还原亚硝酸盐技术原理 92 3.2.2微波强化还原亚硝酸盐废水工艺技术研究 93 3.2.3微波强化还原在污染治理中的应用 96 第4章微波强化Fenton水处理技术 100 微波强化Fenton水处理技术 100 4.1.1微波强化Fenton水处理技术基本原理 100 4.1.2微波强化Fenton氧化工艺技术研究 102 4.1.3微波强化Fenton混凝水处理技术 113 4.2微波强化类Fenton水处雜术 127 4.2.1微波强化类Fenton水处理技术原理 127 4.2.2常用的固态催化剂的制备与性能 130 4.2.3微波强化类Fenton氧化工艺技术研究 134 4.2.4微波强化类Fenton氧化在污染治理中的应用 136 第0章微波辅助光催化氧化水处理技术 137 5. 1微波辅助光催化氧化的基本原理 137 5.1.1半导体光催化基本原理 137 5.1.2微波辅助光催化基本原理 139 5.2微波辅助光催化氧化反应装置 141 5.2.1微波无极紫外光源 141 5.2.2微波-紫外联合反应器 142 5.3微波辅助光催化氧化用催化剂 145 5.3.1催化剂的制备方法 145 5.3.2催化剂及其性能 146 5.4微波辅助光催化氧化技术在水处理中的应用 148 5.4.1微波辅助光催化反应的影响因素 148 5.4..2微波辅助光催化氧化技术的应用 150 第6章微波强化消毒技术 153 6.1微波杀菌与消毒技术原理与特点 153 6.1.1微波杀菌与消毒技术的特点 153 6.1.2微波杀菌与消毒技术的机理 154 6.1.3影响微波杀菌与消毒效果的因素 156 6.2微波杀菌和消毒设备与工艺 157 6. 2.1间歇式微波杀菌工艺 157 6. 2. 2连续式微波杀菌工艺 158 6.2.3多次快速辐照和冷却微波杀菌工艺 159 6.2.4脉冲式微波杀菌工艺 160 6.3微波杀菌与消毒技术应用实例 161 6.3.1食品中的微波杀菌与消毒 161 6.3.2医药中的微波杀菌与消毒 164 6.3.3环境领域的微波杀菌与消毒 165 6.4微波-紫外联合消毒技术 168 6.4.1微波-紫外联合消毒技术原理与特点 168 6.4.2微波-紫外联合消毒技术研究现状 169 第7章微波辅助提取技术 170 7.1微波辅助提取的原理和特点 170 7.1.1微波辅助提取的基本原理 170 7.1.2微波辅助提取的特点 171 7.2微波辅助提取工艺参数与技术 173 7.2.1微波辅助提取工艺及参数选择 173 7.2.2微波辅助提取装置与设备 173 7.2.3微波辅助微量提取技术 175 7.3微波辅助提取技术的应用 177 7.3.1有机污染物的微波辅助提取技术 177 7.3.2天然化合物及生物活性成分的微波辅助提取 182 7.4微波辅助提取制备壳聚糖技术 185 7.4.1微波辅助提取制备壳聚糖工艺路线 186 7.4.2微波辅助提取制备壳聚糖的工艺条件 187 7.4.3微波辅助提取制备壳聚糖的特点 190 第8章微波促进有机合成技术 191 8. 1微波加速化学反应的原理 191 8.2微波促进有机合成的装置与技术 193 8.2.1微波促进有机合成装置与设备 193 8.2.2微波促进有机合成反应技术 194 8.3微波促进有机合成技术的应用 203 8.3.1微波促进有机合成技术在液相反应中的应用 203 8.3.2微波促进有机合成技术在非溶剂干反应中的应用 206 8.3.3微波促进有机合成技术在有机化学其他领域中的应用 209 第9章微波合成水处理药剂技术 211 9. 1微波合成聚羧酸类阻垢缓蚀剂技术 211 9.1.1微波合成聚天冬氨酸技术 212 9.1.2微波溶剂法合成天冬氨酸-谷氨酸共聚物技术 230 9.1.3微波溶剂法合成天冬氨酸-赖氨酸共聚物技术 252 9.2微波辅助合成天然基絮凝剂 256 9.2.1微波辅助合成淀粉基絮凝剂 256 9.2.2微波辅助合成壳聚糖基絮凝剂 258 9.2.3微波辅助合成其他天然基絮凝剂 262 第10章微波辅助合成环境友好材料——聚乳酸 264 10.1聚乳酸的制备方法及研究现状 264 10.2微波辅助合成聚乳酸化学反应装置 266 10.3微波辅助开环聚合法制备聚乳酸 268 10.3.1微波辅助制备聚乳酸中间体丙交酯 268 10.3.2微波辅助开环聚合法制备聚乳酸 26 9 10.4微波辅助熔融缩聚法制备聚乳酸 273 10.4.1聚乳酸制备方法及过程 274 10. 4. 2微波化学反应装置与家用微波炉中乳酸熔融缩聚比较 274 10.4.3 微波的作用 275 10.5微波辅助熔融缩聚反应机理及动力学 277 10.5.1实验方法 277 10.5.2乳酸熔融缩聚反应动力学方程的建立 277 10.5.3辅助加热介质对微波辅助乳酸熔融缩聚反应的影响 279 第11章微波辐射诱变育种技术 280 11.1微波辐射变育种原理及酿现状 280 11.1.1微波辐射的生物学效应 280 11.1.2微波辐射诱变育种原理 282 11.1.3微波辐射在农作物育种方面的应用 283 11.1.4微波辐射在微生物育种方面的应用 285 11.2微波辐射变微生物——乳酸高产菌 286 11.3微波辐射变微生物育种的方法 287 11.3.1微波辐射诱变微生物育种操作方法 287 11.3.2平皿中的菌悬液诱变方法 288 11.3.3 试管中的菌悬液诱变方法 288 11.3.4水循环冷却微波育种装置操作方法 289 微波辐射变育种装置 290 11.5微波辐射变乳酸高产菌的选育 292 11.5.1突变菌悬液的制备 292 11.5.2微波辐射条件对突变菌株存活率的影响 292 11.5.3突变菌的初步筛选 292 11.5.4高效突变菌的复筛选 293 11.5.5微波辐辦乳酸菌遗传稳定性的影响 293 11.5.6微波辐射剂量对乳酸菌的产酸性能的影响 293 11.6微波诱变乳酸高产菌株的表征 295 11.6.1诱变高产乳酸菌体形态及生理生化特征295 11.6.2诱变乳酸菌遗传物质DNA的变化初探298 第12章微波的生物效应与安全防护 302 12.1微波的生物效应 303 12.1.1微波生物效应的作用机制 303 12.1.2微波的致畸作用 304 12.1.3微波对人体的影响 304 12.2微波的安全防护 306 12.2.1职业辐射防护 306 12.2.2环境微波防护 307 12.2.3微波设备泄漏的防护 308 参考文献 311

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第1章微波与微波化学技术 当代学科发展出现了空前的分化和综合，在这种分化和综合的过程中，产生了 许多新的学科’极大地促进了科学技术的发展和人类社会的进步。微波化学就是 电子学与化学交叉和综合的产物，它为微波技术的应用和化学技术的发展开辟了 新的广阔空间。 1.1微波的性质 1.1.1微波的—般性质 微波是一种频率范围为0. 3？300GHz的电磁波。微波包括的波长范围没有 明确的界限，一般是指分米波、厘米波和毫米波三个波段，也就是波长在1mm! 1( 左右的电磁波。在电磁波谱中，微波区位于红外线和无线电波频率之间。由于微 波的频率很高，所以亦称为超高频电磁波。微波与工业用电和无线电中波广播的 频率与波长范围比较如表）1所示。 表1!各系统所用频率与波长范围 项目 频率 波长/m 工业用电 50Hz 或 60Hz 60 000 000 或者 50 000 000 无线电中波广播 微波因为微波的应用极为广泛，为了避免相互间的干扰，供工业、科学及医学使用 的微波频段(表1-2)是不同的。目前只有915MHz和2450MHz被广泛使用，在较 高的两个频率段还没有合适的大功率工业设备。 表1-2常用的微波频率范围 比较表1-3中所列举的数据，很明显频率为2450MHz的微波光子的能量远不 足以断开分子中的共价键，并且也低于布朗运动所需的能量。所以显而易见，微波 不能通过电磁波能量的直接吸收来“诱发”化学反应，这与紫外光和可见光的照射 形成对比。 表1-3辐射类型和键能的比较 辐射麵 频率/MHz 量子能/eV 键类型 量子能/eV "射线 X射线 紫外 可见光 红外光 微波无线电波 微波是电磁波，它具有电磁波的诸如反射、透射、干涉、衍射、偏振以及伴随着 电磁波进行能量传输等波动特性’这就决定了微波的产生、传输、放大、辐射等问题 都不同于普通的无线电、交流电。在微波系统中没有导线式电路，交、直流电的传 输特性麵以及电容和电感等概念亦失去了其确切的意义。在微波领域中，通常 应用所谓“场”的概念来分析系统内电磁波的结构，并采用功率、频率、阻抗、驻波等 作为微波测量的基本量。具体说来有以下几点:①在酿微波问题时’应使用电磁 场的概念’许多高频交变电磁场的效应不能忽略。例如’微波的波长和电路的直径 尺寸已是同一数量级’位相滞后现象已十分明显，这一点必须加以考虑。②微波传 播时是直线传播，遇到金属表面将发生反射，其反射方向符合光的反射规律。③微 波的频率很高’因此其辐射效应更为明显，它意味着微波在普通的导线上传输时’ 伴随着能量不断地向周围空间辐射，波动传输将很快地衰减，所以对传输元器件有 特殊要求。④当入射波与反射波相遇叠加时能形成波的干涉现象’其中包括驻波 现象。在微波波导或谐振腔中，微波电磁场的驻波分布现象就很常见。在微波设 备中，也可利用多种模式的电磁场的分布、叠加来改善总电磁场分布的均勻性。 ⑤微波能量的空间分布同一般电磁场能量一样，具有空间分布性质。哪里存在电 聰磁’哪里就存在能量量例如’微波能量传输方向上的空间某点，其电场能量的数 值大小与该处空间的电场强度的平方有关，微波电磁场总能量为空间点的电磁场 能量的总和。微波电磁波具有两种传送状态:一种是由天线定向向空间传播’与光 线一样是直线传播;另一种是由人为设置的导行传输状态，也就是制约电磁波在空 心管道中传送，这种空心管道称为波导管，一般是矩形或圆形，由铜或铝等良导体 制成。波导管采用的截面尺寸与所用微波的频率有关。在空心波导管中传播的微 波电磁波，是将能量封闭起来传送的。可以远距离传送，能量损失极小。若在波导 管中充以非金属物质，造成传输功率损耗，传送的距离就有限。这是由于产生了电 磁场和物质的相互作用，已将电磁波的部分能量转变为物质分子的能量，其转换比 例与电磁波的频率及该物质的损耗因子有关。从原理上说，可以把引人波导管中 封闭传送的电磁波能量全部转变为物质分子的能量。温度的升高是物质分子增加 能量的主要标志。电磁波是以光的速度传播的，电磁波透人物质的速度也是与光 的传播速度相接近的;而将电磁波的能量转变为物质分子的能量的时间近似是即 时的，在微波频段转换时间快于千万分之一秒。这就是微波可构成内外同时快速 加热的原理。 1.1.2微波与材料的相互作用 当微波在传输过程中遇到不同材料时，会产生反射、吸收和穿透现象，见 图1-1。这些作用及其程度、效果取决于材料本身的几个主要的固有特性:相对介 电常数(￡丄介质损耗角正切（tanA简称介质损耗）、比热容、形状、含水量的大 小等。 图1-1微波在介质中的传播 1.微波与常用材料的相互作用 在微波加工系统中，常用的材料有导体、绝缘体、介质、极性和磁性化合物几类。导体一定厚度以上的导体，如铜、银、铝之类的金属，能够反射微波，因此在微波系 统中，常利用导体反射微波的这种特殊形式来传播微波能量。例如，微波装置中常 用的波导管，就是矩形或圆形的金属管，通常由铝或黄铜制成。它们像光纤传导光 线一样，是微波的通路。 2)绝缘体 在微波系统中，绝缘体有其完全不同于普通电路中的地位。绝缘体可透过微 波，并且它吸收的微波功率很小。微波与绝缘体间的相互作用，就像光线和玻璃的 关系-样，玻璃使光线部分贩射，但大部分则透过，只有很少部分被吸收。在微 波系统中’根据不同情况使赚璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙烯之类的绝缘体’它们 常作为反应器的材料。由于这种“透明”特性’在微波工程中也常用绝缘体材料来 防止污物进入某些要害部位，这时的绝缘体就成为有效的屏障。 介质对微波而言，介质具有吸收、穿透和反射的性能。介质通常就是被加工的物 料’它们不同程度地吸收微波的能量’这类物料也称为有耗介质质特别是含污水和 含脂肪的物料’它们不同程度地吸收微波能量并将其转变为热量。 极性和磁性化合物这类材料的一般性能非常像介质材料，也反射、吸收和穿透微波。应当指出， 由于微波能量具有能对介质材料和有极性、磁性的材料产生影响的电场和磁’因 此许多极性化合物、磁性材料同介质材料一样’也易于作微波加工材料。 .微波对介质的穿透性质 微波进入物料后，物料吸收微波能并将其转变为热能’微波的场强和功率就不 断地被衰减，即微波透入物料后将进入衰减状态。不同的物料对微波能的吸收衰 减能力是不同的，这随物料的介电特性而定。衰减状态决定着微波对介质的穿透 能力。 1)渗透深度(穿透深度） 当微波进入物料时’物料表面的能量密度是*大的’随着微波向物料内部的渗 透，其能量呈指数衰减，同时微波的能量释放给了物料。渗透深度可表示物料纖 波能的衰减能力的大小。一般它有以下两种定义。 ()渗透深度为微波场强从物料表面衰减至表面值的1/e(36. 8%)时的距离， 用D表示，为自然对数底值。 (槡式中，入0 自由空间波长； 相对介电常数； tanS 介质损耗角正切。 ()微波功率从物料表面衰减到表面值的1/2时的距离，即所谓半功率渗透 深度D1A2，其数学表达式为 渗透嫌随波长的增大而深入。换言之，它与频率有关，频率越高波长越短， 其穿透力也越弱。在2415MHz时，微波对水的渗透深度为2. 3cm，在915MHz时 增加到20cm;在2450MHz时，微波在空气中的渗透深度为12. 2cm?915MHz时为 33. 0cmo 由于一般物体的（槡W#!微波渗透深度与所使用的波长是同一数量级 的，这些结论也揭示了一个电磁场穿透能力的物理特性。由此可知，目前远红外线 加热常用的波长仅为十几个纳米，因此，与红外线、远红外线加热相比’微波对介质 材料的穿透能力要强得多。 穿透能力差的加热方式，对物料只能进行親加热，从整个物料的加热情况来 看，属热传导加热范畴。而微波依靠其穿透能力较强的特点，能深入物料内部加 热，使物料麵几乎同时吸热升温形成体热状态加热，其加热方式显然有别于热传 导加热。由此，微波加工工艺带来一系列不同的加热效果。 )渗透深度与体系温度 微波的渗透嫌与物质的温度有关。实验结果(表1-4)表明，随物质温度的 升高，微波的渗透嫌加大。 表1-4微波对不同温度物质的渗透深度 温度/。(物质渗透深度/915MHz2450MH1.1.3微波的加热作用 微波有物理、化学、生物学效应，可用于各种目的，但应用*广泛的是微波 加热。 微波加热黯自己独特的优点。采用传统方法加热固体物料，必须使之处于 一个加热的环境中，先加热物体表面，然后热量由表面传到内部，获得热平衡的条 件，这就需要较长的时间。加热环境一般不可能很严格的绝热封闭，使用很长的加 热时间，就可能对环境散发了很多的热量。而微波功率是全部封闭状态，以光速渗 入物体内部，即时转变为热量，节省了长时间加热过程中的热散失，可对物体内外 部进行“整体”加热，这就是微波加热的节能原理。微波加热和射频加热相比，具有 场能转变为热能的比例高和容易将电磁波屏蔽起来、不逸散等优点。 另外，传统加热主要利用的是传导和对流方式，此时，传统传导加热中所用的 容器常常是热的不良导体，假如容器内是溶液，容器把热传向溶液需要时间；由于 液体表面出现蒸发，对流建立了热梯度来传导热能，在这种方式下只有在热源附近 的少部分液体的温度可达到容器外部的加热温度。此外，被加热底物内部会产生 温度梯度，而且反应物局部过热也导致产物、底物或是试剂的分解。所以，使用传 统加热方式，只有少量液体的温度在溶液的沸点温度之上或是在体系温度之上。 相反，微波同时加热所有的介质和物料而不是加热容器，所以，应用微波加热时，溶 液温度能很快达到沸点，固体可很快升温。如果微波反应器的内腔设计得当，整个 样品将会同步升温。由于“热点”效应，在加热介质中出现多个“热源”，由此产生的 快速加热效果是传导和对流方式所达不到的。但由于加热速度太快和电磁场的空 间分布，用微波加热可能会出现局部过热现象。 微波的加热作用是通过微波介电加热效应来有效地加热物质的。微波介电加 热依赖于特定物质(如溶剂或试剂）吸收微波能量并将其转化为热的能力。微波是 由电场与磁场组成的电磁波(图1.)。对于大多数与微波合成有关的实际目而 言，电磁场中的电场成分纖波与物质的相互作用是重要的，尽管有些实例中，与 磁场的作用也有关系(如对于过渡金属氧化物）。 2.45GHz,波长为 12.25cm 图1.微波中的电场和磁场成分 下面从物质的微观结构来认识微波加热的基本原理。 自然界中的物质是由大量一端带正电，另一端带负电的分子(或偶极子)组成， 我们称之为介质。在自然状态下，介质内的偶极子做杂乱无章的运动和排列。当
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