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內容介紹
內容簡介 本書係統地介紹瞭微波化學的基本原理、技術設備及其在環境科學與工程中的應用。全書分為12章，著重介紹瞭微波性質、微波技術、微波化學等基本知識和基本概念，微波強化水處理技術的基本原理、工藝技術和應用 範例，微波強化消毒和微波—紫外聯閤消毒技術，微波輔助提取技術和微波促進有機閤成技術，微波輻射誘變育種技術等環境微波化學技術；並探討瞭微波的生物效應與安全防護等問題。

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適讀人群 ：相關領域科研人員、研究生。

目錄
目 錄 叢書序 前言 第1章微波與微波化學技術 1 1. 1微波的性質 1 1.1.1微波的一般性質 1 1.1.2微波與材料的相互作用 3 1.3微波的加熱作用 5 1.2微波的産生與設備裝置 7 1.2.1微波磁控管的基本結構與參數 7 1.2.2磁控管的工作原理 11 1.2.3微波化學反應器 12 1.2.4體係溫度和壓力的測量 15 1.2.5工業微波設備選型 19 1.3微波化學與技術 20 1.3.1微波化學與技術的發展曆程 20 1.3.2影響微波化學反應速率的因素及規律 21 1.3.3微波閤成化學反應作用機製 26 1.3.4微波等離子體化學與技術 30 1.3.5微波化學技術目前存在的問題及研發趨勢 34 第2章微波誘導氧化水處理技術 38 2.1微波誘導催化氧化反應原理 38 2.2微波誘導氧化水處理技術中常用催化劑的製備方法 40 FoA-SnCX/ACF催化劑的製備 40 Mn02/y-Al203 催化劑的製備 40 2.3微波誘導氧化工藝條件對汙染物處繊果的影響 41 2.4微波誘導氧化在汙染治理中的應用 42 2.5微波誘導氧化處理水中汙染物的錶販應動力學和機製 43 2.5.1微波誘導氧化水處理工藝的錶觀反應動力學 43 2.5.2微波誘導氧化水處理工藝反應機製 44 2.5.3催化劑在微波場中的溫升行為 46 第3章微波強化氧化還原水處理技術 55 3. 1微波強化C102催化氧化技術釀與應用 55 3.1.1微波強化C102水處理技術原理 55 3.1.2常用催化劑的製備方法與性能 60 3.1.3微波強化C102氧化在汙染治理中的應用 83 3.2微波強化還原水處雜術 92 3.2.1微波強化還原亞硝酸鹽技術原理 92 3.2.2微波強化還原亞硝酸鹽廢水工藝技術研究 93 3.2.3微波強化還原在汙染治理中的應用 96 第4章微波強化Fenton水處理技術 100 微波強化Fenton水處理技術 100 4.1.1微波強化Fenton水處理技術基本原理 100 4.1.2微波強化Fenton氧化工藝技術研究 102 4.1.3微波強化Fenton混凝水處理技術 113 4.2微波強化類Fenton水處雜術 127 4.2.1微波強化類Fenton水處理技術原理 127 4.2.2常用的固態催化劑的製備與性能 130 4.2.3微波強化類Fenton氧化工藝技術研究 134 4.2.4微波強化類Fenton氧化在汙染治理中的應用 136 第0章微波輔助光催化氧化水處理技術 137 5. 1微波輔助光催化氧化的基本原理 137 5.1.1半導體光催化基本原理 137 5.1.2微波輔助光催化基本原理 139 5.2微波輔助光催化氧化反應裝置 141 5.2.1微波無極紫外光源 141 5.2.2微波-紫外聯閤反應器 142 5.3微波輔助光催化氧化用催化劑 145 5.3.1催化劑的製備方法 145 5.3.2催化劑及其性能 146 5.4微波輔助光催化氧化技術在水處理中的應用 148 5.4.1微波輔助光催化反應的影響因素 148 5.4..2微波輔助光催化氧化技術的應用 150 第6章微波強化消毒技術 153 6.1微波殺菌與消毒技術原理與特點 153 6.1.1微波殺菌與消毒技術的特點 153 6.1.2微波殺菌與消毒技術的機理 154 6.1.3影響微波殺菌與消毒效果的因素 156 6.2微波殺菌和消毒設備與工藝 157 6. 2.1間歇式微波殺菌工藝 157 6. 2. 2連續式微波殺菌工藝 158 6.2.3多次快速輻照和冷卻微波殺菌工藝 159 6.2.4脈衝式微波殺菌工藝 160 6.3微波殺菌與消毒技術應用實例 161 6.3.1食品中的微波殺菌與消毒 161 6.3.2醫藥中的微波殺菌與消毒 164 6.3.3環境領域的微波殺菌與消毒 165 6.4微波-紫外聯閤消毒技術 168 6.4.1微波-紫外聯閤消毒技術原理與特點 168 6.4.2微波-紫外聯閤消毒技術研究現狀 169 第7章微波輔助提取技術 170 7.1微波輔助提取的原理和特點 170 7.1.1微波輔助提取的基本原理 170 7.1.2微波輔助提取的特點 171 7.2微波輔助提取工藝參數與技術 173 7.2.1微波輔助提取工藝及參數選擇 173 7.2.2微波輔助提取裝置與設備 173 7.2.3微波輔助微量提取技術 175 7.3微波輔助提取技術的應用 177 7.3.1有機汙染物的微波輔助提取技術 177 7.3.2天然化閤物及生物活性成分的微波輔助提取 182 7.4微波輔助提取製備殼聚糖技術 185 7.4.1微波輔助提取製備殼聚糖工藝路綫 186 7.4.2微波輔助提取製備殼聚糖的工藝條件 187 7.4.3微波輔助提取製備殼聚糖的特點 190 第8章微波促進有機閤成技術 191 8. 1微波加速化學反應的原理 191 8.2微波促進有機閤成的裝置與技術 193 8.2.1微波促進有機閤成裝置與設備 193 8.2.2微波促進有機閤成反應技術 194 8.3微波促進有機閤成技術的應用 203 8.3.1微波促進有機閤成技術在液相反應中的應用 203 8.3.2微波促進有機閤成技術在非溶劑乾反應中的應用 206 8.3.3微波促進有機閤成技術在有機化學其他領域中的應用 209 第9章微波閤成水處理藥劑技術 211 9. 1微波閤成聚羧酸類阻垢緩蝕劑技術 211 9.1.1微波閤成聚天鼕氨酸技術 212 9.1.2微波溶劑法閤成天鼕氨酸-榖氨酸共聚物技術 230 9.1.3微波溶劑法閤成天鼕氨酸-賴氨酸共聚物技術 252 9.2微波輔助閤成天然基絮凝劑 256 9.2.1微波輔助閤成澱粉基絮凝劑 256 9.2.2微波輔助閤成殼聚糖基絮凝劑 258 9.2.3微波輔助閤成其他天然基絮凝劑 262 第10章微波輔助閤成環境友好材料——聚乳酸 264 10.1聚乳酸的製備方法及研究現狀 264 10.2微波輔助閤成聚乳酸化學反應裝置 266 10.3微波輔助開環聚閤法製備聚乳酸 268 10.3.1微波輔助製備聚乳酸中間體丙交酯 268 10.3.2微波輔助開環聚閤法製備聚乳酸 26 9 10.4微波輔助熔融縮聚法製備聚乳酸 273 10.4.1聚乳酸製備方法及過程 274 10. 4. 2微波化學反應裝置與傢用微波爐中乳酸熔融縮聚比較 274 10.4.3 微波的作用 275 10.5微波輔助熔融縮聚反應機理及動力學 277 10.5.1實驗方法 277 10.5.2乳酸熔融縮聚反應動力學方程的建立 277 10.5.3輔助加熱介質對微波輔助乳酸熔融縮聚反應的影響 279 第11章微波輻射誘變育種技術 280 11.1微波輻射變育種原理及釀現狀 280 11.1.1微波輻射的生物學效應 280 11.1.2微波輻射誘變育種原理 282 11.1.3微波輻射在農作物育種方麵的應用 283 11.1.4微波輻射在微生物育種方麵的應用 285 11.2微波輻射變微生物——乳酸高産菌 286 11.3微波輻射變微生物育種的方法 287 11.3.1微波輻射誘變微生物育種操作方法 287 11.3.2平皿中的菌懸液誘變方法 288 11.3.3 試管中的菌懸液誘變方法 288 11.3.4水循環冷卻微波育種裝置操作方法 289 微波輻射變育種裝置 290 11.5微波輻射變乳酸高産菌的選育 292 11.5.1突變菌懸液的製備 292 11.5.2微波輻射條件對突變菌株存活率的影響 292 11.5.3突變菌的初步篩選 292 11.5.4高效突變菌的復篩選 293 11.5.5微波輻辦乳酸菌遺傳穩定性的影響 293 11.5.6微波輻射劑量對乳酸菌的産酸性能的影響 293 11.6微波誘變乳酸高産菌株的錶徵 295 11.6.1誘變高産乳酸菌體形態及生理生化特徵295 11.6.2誘變乳酸菌遺傳物質DNA的變化初探298 第12章微波的生物效應與安全防護 302 12.1微波的生物效應 303 12.1.1微波生物效應的作用機製 303 12.1.2微波的緻畸作用 304 12.1.3微波對人體的影響 304 12.2微波的安全防護 306 12.2.1職業輻射防護 306 12.2.2環境微波防護 307 12.2.3微波設備泄漏的防護 308 參考文獻 311

在綫試讀
第1章微波與微波化學技術 當代學科發展齣現瞭空前的分化和綜閤，在這種分化和綜閤的過程中，産生瞭 許多新的學科’極大地促進瞭科學技術的發展和人類社會的進步。微波化學就是 電子學與化學交叉和綜閤的産物，它為微波技術的應用和化學技術的發展開闢瞭 新的廣闊空間。 1.1微波的性質 1.1.1微波的—般性質 微波是一種頻率範圍為0. 3？300GHz的電磁波。微波包括的波長範圍沒有 明確的界限，一般是指分米波、厘米波和毫米波三個波段，也就是波長在1mm! 1( 左右的電磁波。在電磁波譜中，微波區位於紅外綫和無綫電波頻率之間。由於微 波的頻率很高，所以亦稱為超高頻電磁波。微波與工業用電和無綫電中波廣播的 頻率與波長範圍比較如錶）1所示。 錶1!各係統所用頻率與波長範圍 項目 頻率 波長/m 工業用電 50Hz 或 60Hz 60 000 000 或者 50 000 000 無綫電中波廣播 微波因為微波的應用極為廣泛，為瞭避免相互間的乾擾，供工業、科學及醫學使用 的微波頻段(錶1-2)是不同的。目前隻有915MHz和2450MHz被廣泛使用，在較 高的兩個頻率段還沒有閤適的大功率工業設備。 錶1-2常用的微波頻率範圍 比較錶1-3中所列舉的數據，很明顯頻率為2450MHz的微波光子的能量遠不 足以斷開分子中的共價鍵，並且也低於布朗運動所需的能量。所以顯而易見，微波 不能通過電磁波能量的直接吸收來“誘發”化學反應，這與紫外光和可見光的照射 形成對比。 錶1-3輻射類型和鍵能的比較 輻射麵 頻率/MHz 量子能/eV 鍵類型 量子能/eV "射綫 X射綫 紫外 可見光 紅外光 微波無綫電波 微波是電磁波，它具有電磁波的諸如反射、透射、乾涉、衍射、偏振以及伴隨著 電磁波進行能量傳輸等波動特性’這就決定瞭微波的産生、傳輸、放大、輻射等問題 都不同於普通的無綫電、交流電。在微波係統中沒有導綫式電路，交、直流電的傳 輸特性麵以及電容和電感等概念亦失去瞭其確切的意義。在微波領域中，通常 應用所謂“場”的概念來分析係統內電磁波的結構，並采用功率、頻率、阻抗、駐波等 作為微波測量的基本量。具體說來有以下幾點:①在釀微波問題時’應使用電磁 場的概念’許多高頻交變電磁場的效應不能忽略。例如’微波的波長和電路的直徑 尺寸已是同一數量級’位相滯後現象已十分明顯，這一點必須加以考慮。②微波傳 播時是直綫傳播，遇到金屬錶麵將發生反射，其反射方嚮符閤光的反射規律。③微 波的頻率很高’因此其輻射效應更為明顯，它意味著微波在普通的導綫上傳輸時’ 伴隨著能量不斷地嚮周圍空間輻射，波動傳輸將很快地衰減，所以對傳輸元器件有 特殊要求。④當入射波與反射波相遇疊加時能形成波的乾涉現象’其中包括駐波 現象。在微波波導或諧振腔中，微波電磁場的駐波分布現象就很常見。在微波設 備中，也可利用多種模式的電磁場的分布、疊加來改善總電磁場分布的均勻性。 ⑤微波能量的空間分布同一般電磁場能量一樣，具有空間分布性質。哪裏存在電 聰磁’哪裏就存在能量量例如’微波能量傳輸方嚮上的空間某點，其電場能量的數 值大小與該處空間的電場強度的平方有關，微波電磁場總能量為空間點的電磁場 能量的總和。微波電磁波具有兩種傳送狀態:一種是由天綫定嚮嚮空間傳播’與光 綫一樣是直綫傳播;另一種是由人為設置的導行傳輸狀態，也就是製約電磁波在空 心管道中傳送，這種空心管道稱為波導管，一般是矩形或圓形，由銅或鋁等良導體 製成。波導管采用的截麵尺寸與所用微波的頻率有關。在空心波導管中傳播的微 波電磁波，是將能量封閉起來傳送的。可以遠距離傳送，能量損失極小。若在波導 管中充以非金屬物質，造成傳輸功率損耗，傳送的距離就有限。這是由於産生瞭電 磁場和物質的相互作用，已將電磁波的部分能量轉變為物質分子的能量，其轉換比 例與電磁波的頻率及該物質的損耗因子有關。從原理上說，可以把引人波導管中 封閉傳送的電磁波能量全部轉變為物質分子的能量。溫度的升高是物質分子增加 能量的主要標誌。電磁波是以光的速度傳播的，電磁波透人物質的速度也是與光 的傳播速度相接近的;而將電磁波的能量轉變為物質分子的能量的時間近似是即 時的，在微波頻段轉換時間快於韆萬分之一秒。這就是微波可構成內外同時快速 加熱的原理。 1.1.2微波與材料的相互作用 當微波在傳輸過程中遇到不同材料時，會産生反射、吸收和穿透現象，見 圖1-1。這些作用及其程度、效果取決於材料本身的幾個主要的固有特性:相對介 電常數(￡丄介質損耗角正切（tanA簡稱介質損耗）、比熱容、形狀、含水量的大 小等。 圖1-1微波在介質中的傳播 1.微波與常用材料的相互作用 在微波加工係統中，常用的材料有導體、絕緣體、介質、極性和磁性化閤物幾類。導體一定厚度以上的導體，如銅、銀、鋁之類的金屬，能夠反射微波，因此在微波係 統中，常利用導體反射微波的這種特殊形式來傳播微波能量。例如，微波裝置中常 用的波導管，就是矩形或圓形的金屬管，通常由鋁或黃銅製成。它們像光縴傳導光 綫一樣，是微波的通路。 2)絕緣體 在微波係統中，絕緣體有其完全不同於普通電路中的地位。絕緣體可透過微 波，並且它吸收的微波功率很小。微波與絕緣體間的相互作用，就像光綫和玻璃的 關係-樣，玻璃使光綫部分販射，但大部分則透過，隻有很少部分被吸收。在微 波係統中’根據不同情況使賺璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚丙烯之類的絕緣體’它們 常作為反應器的材料。由於這種“透明”特性’在微波工程中也常用絕緣體材料來 防止汙物進入某些要害部位，這時的絕緣體就成為有效的屏障。 介質對微波而言，介質具有吸收、穿透和反射的性能。介質通常就是被加工的物 料’它們不同程度地吸收微波的能量’這類物料也稱為有耗介質質特彆是含汙水和 含脂肪的物料’它們不同程度地吸收微波能量並將其轉變為熱量。 極性和磁性化閤物這類材料的一般性能非常像介質材料，也反射、吸收和穿透微波。應當指齣， 由於微波能量具有能對介質材料和有極性、磁性的材料産生影響的電場和磁’因 此許多極性化閤物、磁性材料同介質材料一樣’也易於作微波加工材料。 .微波對介質的穿透性質 微波進入物料後，物料吸收微波能並將其轉變為熱能’微波的場強和功率就不 斷地被衰減，即微波透入物料後將進入衰減狀態。不同的物料對微波能的吸收衰 減能力是不同的，這隨物料的介電特性而定。衰減狀態決定著微波對介質的穿透 能力。 1)滲透深度(穿透深度） 當微波進入物料時’物料錶麵的能量密度是*大的’隨著微波嚮物料內部的滲 透，其能量呈指數衰減，同時微波的能量釋放給瞭物料。滲透深度可錶示物料纖 波能的衰減能力的大小。一般它有以下兩種定義。 ()滲透深度為微波場強從物料錶麵衰減至錶麵值的1/e(36. 8%)時的距離， 用D錶示，為自然對數底值。 (槡式中，入0 自由空間波長； 相對介電常數； tanS 介質損耗角正切。 ()微波功率從物料錶麵衰減到錶麵值的1/2時的距離，即所謂半功率滲透 深度D1A2，其數學錶達式為 滲透嫌隨波長的增大而深入。換言之，它與頻率有關，頻率越高波長越短， 其穿透力也越弱。在2415MHz時，微波對水的滲透深度為2. 3cm，在915MHz時 增加到20cm;在2450MHz時，微波在空氣中的滲透深度為12. 2cm?915MHz時為 33. 0cmo 由於一般物體的（槡W#!微波滲透深度與所使用的波長是同一數量級 的，這些結論也揭示瞭一個電磁場穿透能力的物理特性。由此可知，目前遠紅外綫 加熱常用的波長僅為十幾個納米，因此，與紅外綫、遠紅外綫加熱相比’微波對介質 材料的穿透能力要強得多。 穿透能力差的加熱方式，對物料隻能進行親加熱，從整個物料的加熱情況來 看，屬熱傳導加熱範疇。而微波依靠其穿透能力較強的特點，能深入物料內部加 熱，使物料麵幾乎同時吸熱升溫形成體熱狀態加熱，其加熱方式顯然有彆於熱傳 導加熱。由此，微波加工工藝帶來一係列不同的加熱效果。 )滲透深度與體係溫度 微波的滲透嫌與物質的溫度有關。實驗結果(錶1-4)錶明，隨物質溫度的 升高，微波的滲透嫌加大。 錶1-4微波對不同溫度物質的滲透深度 溫度/。(物質滲透深度/915MHz2450MH1.1.3微波的加熱作用 微波有物理、化學、生物學效應，可用於各種目的，但應用*廣泛的是微波 加熱。 微波加熱黯自己獨特的優點。采用傳統方法加熱固體物料，必須使之處於 一個加熱的環境中，先加熱物體錶麵，然後熱量由錶麵傳到內部，獲得熱平衡的條 件，這就需要較長的時間。加熱環境一般不可能很嚴格的絕熱封閉，使用很長的加 熱時間，就可能對環境散發瞭很多的熱量。而微波功率是全部封閉狀態，以光速滲 入物體內部，即時轉變為熱量，節省瞭長時間加熱過程中的熱散失，可對物體內外 部進行“整體”加熱，這就是微波加熱的節能原理。微波加熱和射頻加熱相比，具有 場能轉變為熱能的比例高和容易將電磁波屏蔽起來、不逸散等優點。 另外，傳統加熱主要利用的是傳導和對流方式，此時，傳統傳導加熱中所用的 容器常常是熱的不良導體，假如容器內是溶液，容器把熱傳嚮溶液需要時間；由於 液體錶麵齣現蒸發，對流建立瞭熱梯度來傳導熱能，在這種方式下隻有在熱源附近 的少部分液體的溫度可達到容器外部的加熱溫度。此外，被加熱底物內部會産生 溫度梯度，而且反應物局部過熱也導緻産物、底物或是試劑的分解。所以，使用傳 統加熱方式，隻有少量液體的溫度在溶液的沸點溫度之上或是在體係溫度之上。 相反，微波同時加熱所有的介質和物料而不是加熱容器，所以，應用微波加熱時，溶 液溫度能很快達到沸點，固體可很快升溫。如果微波反應器的內腔設計得當，整個 樣品將會同步升溫。由於“熱點”效應，在加熱介質中齣現多個“熱源”，由此産生的 快速加熱效果是傳導和對流方式所達不到的。但由於加熱速度太快和電磁場的空 間分布，用微波加熱可能會齣現局部過熱現象。 微波的加熱作用是通過微波介電加熱效應來有效地加熱物質的。微波介電加 熱依賴於特定物質(如溶劑或試劑）吸收微波能量並將其轉化為熱的能力。微波是 由電場與磁場組成的電磁波(圖1.)。對於大多數與微波閤成有關的實際目而 言，電磁場中的電場成分纖波與物質的相互作用是重要的，盡管有些實例中，與 磁場的作用也有關係(如對於過渡金屬氧化物）。 2.45GHz,波長為 12.25cm 圖1.微波中的電場和磁場成分 下麵從物質的微觀結構來認識微波加熱的基本原理。 自然界中的物質是由大量一端帶正電，另一端帶負電的分子(或偶極子)組成， 我們稱之為介質。在自然狀態下，介質內的偶極子做雜亂無章的運動和排列。當
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