微波技术的基本原理

微波技术的基本原理以及在环境中的应用
杨燕娜
福州大学环境与资源学院
一、微波的基本知识
微波是一种电磁波，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，也就是波长从1mm到1m左右，频率范围从300 MHz到300 GHz，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
无线电中波广播
微波
50Hz或60Hz
300～3000kHz
300～300000MHz
60000000或50000000
1000～100
1～0.001
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（如表2所示）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2 常用微波频率范围
频率范围/MHz 波段/m 中心波长/m 常用主频率/MHz 波长/m
890～940 2400～2500 5725～5875 22000～22250 L
S
C
K
0.330
0.122
0.052
0.014
915
2450
5800
22125
0.328
0.122
0.052
0.014
微波是电磁波，它是具有电磁波的诸如反射、投射、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、直流电的传输特性参数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）在研究微波问题时，应使用电磁场的概念，许多高频交变电磁场的效益不能忽略。

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播时，伴随着能量不断地向周围空间辐射，波动传播将很快地衰减，所以对传输元件有特殊的要求。

（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匀性。

（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。

哪里存在电磁场，哪里就存在能量。

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。

另外，电磁波是以光的速度传播的，电磁波透入物质的速度也是与光的传播速度相接近；
而将电磁波的能量转变为物质的能量的时间近似是即使的，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。

二、微波加热作用
2.1微波加热的基本原理
用于微波介电加热的频率是918 MHz和2.45 GHz，最常用的频率是2.45 GHz。

在电磁场的作用下，物质中微观粒子可产生四种类型的介电极化，即电子极化(原子核周围电子的重新排布）、原子极化（分子内的原子的重新排布）、取向极化(分子永久偶极的重新取向)和界面极化(界面自由电荷的重新排布)。

电子极化和原子极化需时较短(10-15~10-12s)，在通常应用的微波频率范围内，可以认为是瞬时完成的，而后两种极化，要达到极化的稳定状态，一般需要经历10-8甚至更长的时间。

在微波场的作用下，电介质总的极化率(αt)用式(1)表示：
αt =αe+αa+αd+αi (l)
αe是原子核周围的电子极化率，αa是离子极化率，αd是偶极分子极化率，αi是空间电荷极化率。

自然界中的绝大多数物质是由大量的、具有不对称分子结构的极性分子和非极性分子组成。

在自然状态下，具有永久偶极的极性分子作杂乱无章的运动和排列，偶极矩在各个方向的几率相等，宏观偶极矩为零。

当物质处于电场中，如水处于微波电场时，这些物质的分子会诱导生成电偶极，见图9-1。

在电场中每个极性分子都受到转动力矩的作用而发生旋转，偶极子会重新进行排列，即分子中带正电荷一端趋向负极，带负电荷一端趋向正极，使分子排列有序化，宏观偶极矩不再为零，这就产生了转向极化。

这是极性电介质在电场作用下发生的一种主要极化形式，由于微波产生的交变电场是以每秒高达数亿次的高速变向，这样偶极定向极化跟随不及而滞后于电场的变化，出现极化弛豫现象。

在偶极子定向极化转变过程中，由于分子的热运动，相邻分子间产生磨擦，电介质分子吸收了微波场的能量并转变为热能，由此使得物质本身加热升温。

与此不同，具有对称分子结构的物质，如苯，在高频场中不能被加热，因为它缺少所必需的偶极特征。

除了极性分子转动吸收微波能量转变热能外，在高频微波电场中，正、负离子分别向阴、阳极迁移，离子每秒改变运动方向几十亿次，异性离子之间频繁碰撞，也会吸收微波能量转变热能，见图1。

不过，与偶极分子震荡相比，这种作用所吸收的高频能较小，尤其在常用的2.45 GHz频率范围内。

离子迁移和极性分子转动是使试样吸收微波发热的两种方式。

因为电子和原子极化的建立及消除所需的时间比微波电场反转的时间要短的多，不会产生微波加热。

可见与常规的依靠传导、对流的加热方法不同，微波加热是依靠介质材料在微波场中的极化损耗产生的整体加热，热量产生于材料内部而非来自外部加热源。

这种“内加热作用”使加热更快速、更均匀，无温度梯度，无滞后效应。

图1 在交变电场影响下可极化物质的分子震荡
在微波场中单位体积电介质吸收的微波功率按式(2)计算：
式中:Pˊ为电介质吸收的微波功率(W)，Pˊˊ为单位体积的微波吸收功率或称体积能量密度(W/m3)，f为微波的频率(Hz)，ε0为真空介电常数(等于8.85x10-12F/m)，εrˊ为介质的介电常数，tanδ为介质损耗角正切，δ为介电损耗角，E为物质内部的有效电场强度(V/m)，V为物料吸收微波的有效体积。

由(2)式可见，物质在微波场中，其单位体积的热能转换取决于微波电场强度的平方，频率以及物质的介电特性(介电常数εrˊ和介质损耗tanδ等因素。

tanδ表示物质在特定微波频率和温度下将电磁能转化为热能的效率，它等于介电常数εr ˊ与介电损耗因子εrˊˊ之比。

式中: εrˊˊ代表介电损耗因子或称动态介电常数，它表示微波穿过介电材料时产生的内电场，诱导了自由电荷移动和偶极子旋转，使材料内部引起介电损耗、减弱了电场并产生热效应。

所以εrˊˊ也代表内电场转变为热的量度。

tanδ值的大小依赖于电磁波的频率，温度和物质的物理状态及其成分。

tanδ值或εrˊˊ值越高的物质，在微波场中越容易被加热。

如水和各种含水物质具有较高的介电损耗因子，这类物质都能很好地吸收高频能和微波能。

表3列出了一些物质的tanδ值。

表3 一些物质的tanδ值
由表3可见，tanδ值很小的物质如玻璃、聚四氟乙烯、苯等材料几乎全透过微波辐射，吸收的微波功率很小，在微波系统中，这类物质称为微波透明体或微波绝缘体。

而tanδ值高的物质如水、盐水和醇等极性化合物，不同程度地吸收微波的能量，称为有耗介质，或称微波吸收体，此外，如铜、银、铝之类的金属能够反射微波、能传播微波能量，这类物质称为微波反射体或微波导体。

物质吸收微波辐射后，微波能部分转变为热能，导致微波强度从物质表面到物质内部指数地迅速减弱。

常用穿透深度(d E)(能量密度减弱到表面处能量密度的1/e倍的深度)描述微波的减弱程度。

微波的穿透深度与物质的介电性质及微波辐射的波长有关，可用式(4)表示：
式中：λ0为真空中的人射波长，在915 MHz时，λ0≈33 cm;在2450 MHz时λ0≈12cm。

由式(4)可见，微波的穿透深度与微波的真空波长成正比。

因为低频时材料内部体积能量密度较低，尽管低频有较大的穿透深度，但加热升温并不明显。

表4为2.45GHz频率的微波对一些物质穿透深度的计算值。

表4 微波的穿透深度
由表4可见，如水或其它极性液体，微波穿透深度约为1cm。

因此，若将微波技术用于液相体系时，最好采用物料流动体系。

与此不同，虽然大多数气体都是微波透明体，但是微波技术能用于含有能控制体系电磁性质固体的气相体系。

分子筛是典型的催化剂或吸附剂，微波穿透深度约在10-100cm之间，其穿透深度取决于分子筛中结晶水和离子的含量。

2.2微波加热在环境中的应用
2.2.1微波加热去除挥发性有机物与土壤净化
当土壤和一些工业废渣中含有一些可挥发的有害有机物时，除去这些有害物净化土壤的常用方法是通过加热。

热处理法包括燃烧法和挥发法。

燃烧法的缺点是可能燃烧不完全，释放出二次污染物，而且这些二次污染物可能比原来的污染物毒性更大。

挥发法是使用普通的加热法时，这种加热是由外到里的，当热量传到土壤内层，外层土壤的结构已经被热破坏，造成土壤使用价值的下降。

而微波法是里外同时加热的，就不会出现上述问题。

对于含有水分的土壤用微波处理时，水吸收微波的能力很强，在升温后形成蒸发，从而将易挥发有机物蒸馏带出土壤。

很显然，这一方法与土壤的含水量有关，含水量高有利于形成蒸馏，并将有机污染物蒸馏去除。

这一过程，温度一般低于100℃，防止有机物分解形成其它的副产物。

对于半挥发性有机污染物，可采用多级蒸馏法，即重复加水、重复用微波照射，直至将它们去除。

George等研究了用微波低温减压条件下净化标加甲苯和对二甲苯的土壤，他们发现，在低温低压条件下，甲苯和对二甲苯不会分解；当土壤中含水质量分数为3%时，这些有机物的挥发速率会增加几倍。

与砂土相比，黏土是更强的微波吸收体，所以黏土中有机物挥发的速度更快。

而且，在这种减压条件下，可防止和避免有机物的燃烧。

对于那些半挥发性化合物，还可以采用高温挥发的方法。

但在高温条件下，为了防止燃烧，一般需要用Ar、N2等载气。

这些气体除了可以保护有机物不被O2燃烧氧化外，还有载带有机物进入吸收塔的作用。

George等用这一装置清理了三氯苯酚（沸点为310℃）和污泥中的菲（沸点为340℃）。

为了增强土壤对微波的吸收能力，提高升温速率，可在土壤中加入炭屑（平均粒径为10mm）。

当这些炭屑与土壤混合后，因为对微波有很强的吸收能力，所以当采用微波照射时，其温度迅速上升，同时这些升高温度的炭粒会迅速将热能传导给周围的土壤，使土壤温度也迅速上升。

图2是污泥样品加炭粒后温度随时间的变化图。

%100×−=i
t i C C C DRE （2-1） 式中 C i －微波处理前样品中污染物的浓度；
C t －微波处理后样品中污染物的浓度。

图3是微波加热对土壤中五氯苯酚去除效率（DRE ）的影响。

由图2-3可见，炭的加入大大提高了DRE,但水的加入却基本不影响DRE ，与前面讨论低温蒸馏时所观察到的现象不同，这是由于五氯苯酚的沸点（310℃）比水的沸点（100℃）高得多的缘故。

实验结果表明，DRE 随加入样品中炭的比例增加而增加。

具有一定的局限性，首先油水混合物一般具有很高的粘度，投加的试剂量要大；其次，含油废水不利于化学试剂与之充分混合。

这两个方面都有可能造成处理后的水体中化学试剂量超标，形成新的污染。

加热法中的新兴技术，毫无疑问就是微波技术。

采用微波加热破乳技术进行油水分离，是1983年Klaila 等人提出的，现在已经发展到了现场试验阶段。

从理论上说，微波加热可加速油水分离过程，这主要是它可以加速油滴的上升速度（或油中水滴的下降速度）和凝聚速率。

油水乳浊液中，油水以油滴的形式分散在水相中，而水相又是连续的，这时，可以用Strokes 公式来计算：
()w o w o gD v μρρ182−=
式中 ρw －水的密度；
ρo －油的密度；
D －油滴的直径；
g －重力加速度；
μw －水的粘度；
v o －水中油滴的上升速度。

若为水油乳浊液，即油中含有水，水以水滴分散在油中，这时，水滴的下沉速度也可以用Strokes 公式处来描述。

微波加热与普通加热一样，都可以使乳浊液的温度上升，但微波加热温度上升的更快，且加热体内外同时加热，上式中，μ比（ρ-ρo ）降低的更快，因此微波加热会使油滴的上升速度或者水滴的下沉速度增加，从而加快油水分离。

微波加热的另一个作用是可加速凝聚过程。

由于微波是频率很高的电磁波，施加微波后，会使极性分子快速旋转，从而中和胶体的ξ电势。

表5所示为施加微波对油水乳浊液中油滴表面ξ的影响。

表5 微波对油水乳浊液中油滴表面ξ电势的影响 温度/℃
微波辐射 ξ电势/mv ξ电势降低百分数/% 116.8
无 有 43.3 39.0 9.93 103.8
无 有 58.5 55.6 4.96 96.0 无
有 44.6 40.7 8.74
由表5可见，施加微波后，油滴的ξ电势明显降低。

由于ξ电势的降低，油滴凝聚速率加快，油滴直径D 迅速增大。

同时，提供温度和降低粘度也会加快油滴的凝聚，也有利于D 值的增大。

根据式（2-2）可知，随着直径D 的增大，水中油滴的上升（或油中水滴的下降速度）v o 也随之加大。

Fang 等研究了植物油－水－硅藻土乳浊液的微波加热分离技术，并与常规加热以及不加热重力沉降进行了比较。

结果表明，微波加热明显加快了油水的分离过程，并且有更好的油回收率。

三、微波脱附
在化学工业中，吸附分离是一种常用的操作技术。

常用于吸湿干燥，脱臭，脱色，饮用水、空气、工业废气和废水的净化以及和挥发性有机化合物的回收等。

能起吸附分离作用的物质称为吸附剂，被吸附分离的物质称为吸附质。

常用的吸附剂有合成沸石(分子筛)、活性炭、硅胶、活性氧化铝等。

根据吸附剂对吸附质的吸附力差别，分为物理或化学吸附作用。

一般说，物理吸附过程是可逆的，吸附和解吸速度都很快。

而化学吸附过程中要生成化学键，需要一定的活化能，以致吸附或解吸速度都比物理吸附慢。

为了使吸附分离工艺能经济有效地进行，除了使用吸附性能良好的吸附剂外，选择合适的脱附方法使吸附剂再生也十分重要。

吸附剂的再生程度、循环使用寿命，往往是影响吸附分离过程的时间和能耗的关键。

由气相吸附等温线可知，加压降温有利于对吸附质的吸附。

反之，降压升温有利于吸附质的解吸和吸附剂的再生。

变压吸附(PSA)和变温吸附(TSA)是两种适合吸附剂再生的方法。

变压吸附常用于弱吸附质分子(如空气分离)的脱附。

在变压吸附工艺中，欲使吸附剂再生、必需降低吸附剂上被吸附组分的分压，一般采用降压、抽真空、冲洗、置换等方法。

不过这些方法还存在解吸不够充分，吸附剂再生不完全的缺点。

而变温吸附方法常用于较强吸附质分子的脱附。

一般采用间接加热吸附剂或直接用热惰性气体(如氮气)或过热蒸气吹扫吸附剂的方法，使吸附剂加热再生。

温度是变温脱附的关键参数，提高温度有利于解吸的完全。

但是，不能任意提高再生温度，温度过高会产生过热现象，使吸附剂性能下降。

再者，吸附床被加热后需要冷吹，降温到吸附温度时才能再次使用，对吸附床的加热和冷却过程都比较缓慢，所以变温吸附法也存在着循环周期长，能量消耗高，吸附剂使用寿命短等缺点。

近年来，将微波技术用于吸附质的脱附已取得了一定的进展，下面谨就微波脱附的机理及其在化工分离中的一些应用作一简单介绍。

3.1微波脱附机理
由于微波在水一固体系中的穿透深度有限，所以微波脱附主要应用于气固相脱附。

微波脱附效率强烈地依靠吸附剂和吸附质的电磁性质，根据吸附剂对微波吸收能力的差别(见图4)，有两种微波脱附机理：
1)使用微波透过性吸附剂的微波选择脱附机理(微波能量主要被极性分子的吸附质吸收)；
2)使用微波吸收性吸附剂的微波热脱附机理(微波能量主要被吸附剂吸收)。

图4 吸附剂的加热曲线
由图4可看出，微波吸收性吸附剂EnvisorbB+(硅胶-活性碳吸附剂)的微波转换温度要高于微波透过性吸附剂DAY(一种脱去非骨架铝的疏水分子筛)的温度。

3.1.1单组分脱附
1)选择脱附一DAY(一种脱去非骨架铝的疏水分子筛)。

在脱附过程中，欲使吸附质从吸
附相进人气相必需吸收能量。

如果吸附剂不吸收能量(如DAY)，那么要达到有效脱附，要求吸附质必需具有很高的损耗因子(动态介电常数)。

损耗因子不同的组分吸收微波的能量不同，这样就会有一个组分先脱离吸附剂。

这种工艺过程无需加热整个吸附相，因而可以节省能量。

图5为各种溶剂分别被吸附剂饱和吸附后，在微波场中用冲洗剂冲洗的脱附曲线。

由图5可看出，微波能直接被吸附质吸收，而且高介电常数溶剂乙醇、丙醇吸收微波能的速度显著大于低介电常数溶剂甲苯、环己烷。

因而乙醇、丙醇的流出浓度要高于甲苯、环己烷的流出浓度。

随着吸附床上极性溶剂的洗脱，吸附床温度逐渐降低，致使非极性溶剂在吸附床上仍有较高的残留量。

图5 单组分选择脱附
2)热脱附一Envisorb B+。

若使用微波吸收性吸附剂，微波能容易地被吸附剂吸收。

图6为单组分的热脱附曲线。

图6 单组分热脱附曲线
与图5比较，微波幅射不是直接被吸附质吸收，而是被固定床耗损。

固定床优先被微波加热，然后再传导给吸附质。

因此，各组分的洗脱峰变宽，直到90 min后极性溶剂才基本洗脱完全，到120 min时，其余溶剂全被洗脱，固定床上几乎没有溶剂残留。

3.1.2多组分脱附
1)微波透过性吸附剂DAY。

选择一种极性溶剂(乙醇)和非极性溶剂(甲苯)混合物为吸附质，固定床上甲苯和乙醇的负载分别为37 g和9g。

微波功率为250W，脱附阶段用的冲洗气流速为l000L/h。

图7为在微波透过性吸附剂上的脱附。

图7 在微波透过性吸附剂上的脱附
由图7可看出，脱附开始阶段两种溶剂质量浓度很快出现极大值，20 min后乙醇脱附完成。

60min后甲苯仍在继续脱附，固定床上还有甲苯的残留量。

在乙醇没有完全离开固定床前，固定床的温度一直在增加。

直到乙醇完全脱附，温度才逐渐降低。

由上述各组分的洗脱行为，可以得出微彼能主要被乙醇吸收的结论。

因为洗脱开始阶段的高能吸收，甲苯也高浓度的脱附，当乙醇完全离开吸附床后，留在微波透过性吸附剂上的甲苯继续单独脱附。

从这个实例可以看出极性分子的选择脱附。

但是发生在固定床上的高能吸收，势必也会影响到非极性组分的脱附。

2)微波吸收性吸附剂Envisorb B+。

如果微波吸收性吸附剂Envisorb B十的介电常数介于丁醇和水的介电常数之间，介电常数按水-Envisorb B+-丁醇顺序降低。

吸附剂上水和丁醇的饱和负载为20g和28g，两种脱附机理会同时出现。

开始阶段大部分微波能被水吸收，使水选择脱附，部分丁醇也随水脱附，吸附床温度缓慢地上升。

70 min前微波能主要用于水的脱附当水几乎被完全脱附后，微波快速地加热吸附床，吸附床的升温速率加快，丁醇脱附加快，出现第二个丁醇脱附峰，至150 min时丁醇才完全脱附。

水具有很高的介电损耗因子，水的脱附主要是选择脱附，而丁醇的脱附分成两部分，一部分是随水一起选择脱附，另一部分是热脱附。

3.2微波脱附的影响因素
l)微波功率的影响。

图8为微波功率对脱附的影响。

由图8可看出，随着微波功率增大，出口气流中丁醇浓度增大，脱附时间缩短。

图8 微波功率对脱附的影响
2)物料尺寸和质量的影响。

玻璃、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等材料几乎能全透过微波幅射，这些物质可以选作吸附塔材料。

由于吸附塔材料是固体，不能像液体那样流动而传导能量，所以要特别注意微波对吸附塔材料的穿透深度，吸附塔材料的尺寸(厚度)以在微波的穿透深度范围内为佳。

另外由式(2)可知，微波对物料加热属于体积加热。

微波功率相同时，物料
的体积越大，物料吸收的功率也越大，所以物料的质量越大，吸收的微波功率也相应增大，但是，质量(体积)增大，物料与外界的接触面积也加大，向环境传热越显著，物料升温速度反而降低，因此应适当选择物料量。

3)冲洗气流量的影响。

在微波脱附过程中，常通入冲洗气(载气)，使被吸附组分的分压随冲洗气通过吸附床而降低，脱附下的吸附质随载气流出体系。

当通人温度较低的载气时，载气从吸附床通过，必然会带走部分热量。

随着载气线速度的增加，吸附床的升温速率明显变慢，而且载气流量过大还会使出口气吸附质的浓度降低，所以选择载气流量应适当，见图8。

4)热失控和热点的形成。

如果吸附剂的介电损耗会随温度升高而增大，当吸附剂在微波场中被加热时，其介电损耗的增大会促进吸附剂的体加热，而随着吸附剂的本体加热的增强，吸附剂会变得更热，从而使吸附剂的介电损耗增长更大，很快导致热失控现象，甚至吸附剂会出现内部烧结。

遇此情况，必需降低功率，将吸附剂过热部位的热量通过载气传导带出。

此外，由于微波场的不均匀分布或吸附剂材料内部组分的不均匀，也会导致吸附床某一局部出现热点。

5)吸附床填料密度的影响。

微波加热的特性除与物料的介电特性以及微波的工作频率有关外，还需注意物料本身的密度。

粗粒度填料密度小，填料颗粒间的空隙大，空隙中充满空气，而空气的介电常数是很低的，所以粗粒度填料吸附床的升温速度要较细粒度、密度大的吸附床的升温速度慢。

四、微波溶样
4.1微波溶样理论基础
微波具有电磁波的性质。

从宏观上讲，微波能可被物质吸收，吸收的程度可用物质的介质损耗角正切tan δ来描述。

'
'tan εεδ′= 式中 ε′－物质的介电常熟；
''ε－物质的介电损失因子。

上式中ε′和''ε间并没有严格的关系，但物质吸收微波能的能力随tan δ增大而增加。

从微观上讲，虽然还不能像讨论原子、分子那样用量子力学来严格的描述介电加热过程，但是可用经典理论，从分子等微观粒子的运动来讨论介电加热。

当对某一样品施加微波时，在电磁场的作用下，样品内微观粒子产生四种类型的介电极化，即电子极化、原子极化、取向极化及空间电荷极化。

当然，微波加热与微波频率以及样品的组成、温度、形状等有关。

4.2微波消解设备。