（冶金物理化学专业论文）微波辐射农林废弃物制备活性炭新技术研究.pdf

昆明理工大学硕士论文 摘要 摘要 本文在简述国内外微波加热技术、活性炭制备方法及研究动态的基础上，针 对活性炭制各技术中存在的问题，提出了微波辐射农林废弃物( 椰壳、竹节、棉 秆、烟秆) 制备活性炭的新技术，得到了最佳工艺条件及各因素对活性炭吸附性 能和得率的影响规律，并进行了微观结构和反应机理分析。 ( 一) 、研究了微波辐射椰壳、竹节物理法( 水蒸气法) 制各活性炭的新技术。 ( 1 ) 通过条件试验分析了微波辐射椰壳水蒸气法制备提金活性炭工艺中各因素 对产品吸附性能和得率的影响规律并得到了工艺条件：微波功率7 0 0w ，活 化时间5 m i n ，水蒸气流量4 8 m l m i n 。产品得率为5 4 6 ，碘吸附值为 1 0 4 0 6 m g g 。碘吸附值超过了国家一级标准，得率和活化时闻分别为传统方 法的2 倍和1 6 0 。 ( 2 ) 采用正交试验得到了微波辐射椰壳炭化料水蒸气法制备提金活性炭的最佳 工艺条件：活化时间3 m i n 、微波功率7 0 0 w 、水蒸气流量4 。8 m l m i n 。产品 碘吸附值为1 0 3 i m g g 、亚甲基蓝吸附值为1 0 0 m l g 、得率为6 0 _ 8 。碘吸 附值超过了国家一级标准，得率和活化时i 剞分别为传统方法的2 倍和1 1 0 0 。 ( 3 ) 通过正交试验得到了微波辐射竹节水蒸气法制各活性炭的最佳工艺条件：活 化时间7m i n 、微波功率7 0 0 w 、水蒸气流量3 1 m l m i n ，产品得率为5 2 3 。 碘吸附值为1 0 1 2 2m g g 、亚甲基蓝吸附值为1 6 5m l g 。其吸附指标超过了 国家一级标准，活化时间和得率分别为传统方法的1 4 5 和2 倍。 ( 二) 、研究了微波辐射竹节( 氯化锌法和磷酸法) 、棉秆( 氯化锌法) 、烟秆( 氯 化铵法) 化学法制备活性炭的新技术。 ( 1 ) 通过正交试验得到了微波辐射竹节化学法( 氯化锌法和磷酸法) 制备活性炭 的最佳工艺条件。氯化锌法的最佳工艺条件为：微波功率3 5 0 w ，辐射时间 5 m i n ，氯化锌浓度4 0 。产品碘吸附值为1 0 8 8 4 m g g ，亚甲基蓝吸附值为 2 2 0 m l g ，得率为3 9 2 。碘吸附值超过了国家一级标准，亚甲基蓝吸附值 为国家一级标准的1 8 3 倍，活化时间为传统方法的1 3 6 ；磷酸法的最佳工 艺条件为：微波功率5 6 0 w ，辐射时间9 m i n ，磷酸浓度4 0 。产品碘吸附 值为8 8 9 0 m g g ，亚甲基蓝吸附值为1 7 8 m l g ，得率为3 1 o 。亚甲基蓝吸 附值为国家一级标准的1 4 8 倍，活化时间为传统方法的1 4 5 。 ( 2 ) 采用条件试验分析了微波辐射棉秆氯化锌法制备活性炭中各因素对活性炭 昆明理工大学硕士论文 摘蔓 吸附性能和得率的影响规律并得到了工艺条件：微波功率5 6 0 w ，活化时间 6 m i n ，氯化锌浓度5 0 。产品得率为3 6 8 2 ，碘吸附值为1 0 3 0 2 m g g ，亚 甲基蓝吸附值为18 0 m l g 。碘吸附值超过了国家一级标准，亚甲基蓝吸附值 为国家一级标准的1 5 倍，活化时间为传统方法的1 3 6 。 ( 3 ) 探讨了微波辐射烟秆氯化铵法制备活性的新技术，产品碘吸附值为 7 4 9 3 m g g ，是国外用同类浸渍液所制活性炭碘吸附值的l8 2 倍，得率为 2 9 3 4 ，该法具有流程更短、效率更高、污染更小、经济效益更好的优点。 ( 三) 、讨论了微波辐射农林废弃物( 椰壳、竹节、棉秆) 制备活性炭的微观结构 及反应机理。 活性炭内存在大量的孔隙，微波辐射法所制活性炭较传统方法所制活性 炭具有更加发达的孔隙，孔隙结构保存比较完整，孔隙分布均匀。 关键词：微波；活性炭；竹节；椰壳；棉秆；烟秆；水蒸气；氯化锌；磷酸 氯化铵。 昆明理工大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a o t i nt h i s p a p e r ，a n e w t e c h n o l o g y o n p r e p a r a t i o n f o ra c t i v a t e dc a r b o nf r o m a g r i c u l t u r a l a n df o r e s t r yw a s t em a t e r i a l ( c o c o an u th u s k ，b a m b o ok n o t ，c o t t o ns t e m ， t o b a c c os t e m ) b ym i c r o w a v ei r r a d i a t i o nw a si n v e s t i g a t e db a s e do nt h er e v i e wo ft h e t e c h n o l o g yo fm i c r o w a v eh e a t i n ga n dp r e p a r a t i o nf o ra c t i v a t e dc a r b o n t h ep r o c e s s i - n g o p t i m u mc o n d i t i o n sa n dt h ee f f e c tr u l eo ff a c t o r st ot h ea d s o r p t i o nc a p a b i l i t ya n dy i e l d o fa c t i v a t e dc a r b o nw e r eo b t a i n e d t h em i c r o s t r u c t u r eo fa c t i v a t e dc a r b o na n dt h e r e a c t i o nm e c h a n i s mw e r ed i s c u s s e d i 、t h en e w t e c h n o l o g yo np r e p a r a t i o nf o ra c t i v a t e dc a r b o nf r o mc o c o an u t h u s ka n db a m b o ok n o tw i t hp h y s i c a la c t i v a t i o nm e t h o d ( w a t e r v a p o u ra c t i v a t i o n ) b ym i c r o w a v e i r r a d i a t o nw a sr e s e a r c h e d 1 、t h ee f f e c tr u l eo ff a c t o r st ot h ea d s o r p t i o nc a p a b i l i t ya n dy i e l di np r e p a r a t i o n f o ra c t i v a t e dc a r b o no fe x t r a c t i n g g o l d f r o mc o c o an u th u s kw i t hw a t e r v a p o u r a c t i v a t i o nb ym i c r o w a v ei r r a d i a t i o nw a sc a r r i e do u tb yc o n d i t i o n a le x p e r i m e n t t h e p r o c e s s i n gc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d ：m i c r o w a v ep o w e ri s 7 0 0w ，a c t i v a t i o nt i m ei s 5 m i na n df l o wr a t eo fw a t e rv a p o ri s4 8 m l m i n t h ey i e l do fa c t i v a t e dc a r b o no f e x t r a c t i n gg o l di s 5 4 ：6 i o d i n ev a l u ei s 1 ，0 4 0 6 m g g i o d i n ev a l u ee x c e e d st h es t a t e l e v e l ( g b t 1 2 4 9 6 8 1 9 9 9 ) ，a c t i v a t i o nt i m eb ym i c r o w a v e i r r a d i a t i o ni s1 6 0a sf a s ta s t h a to ft h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s y i e l db ym i c r o w a v ei r r a d i a t i o ni st w i c ea sm u c ha s t h a to ft h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s 2 、t h ep r o c e s s i n go p t i m u mc o n d i t i o n so np r e p a r a t i o nf o ra c t i v a t e dc a r b o no f e x t r a c t i n gg o l d f r o mc o c o an u th u s kc h a r c o a lw i t hw a t e r v a p o u r a c t i v a t i o n b y m i c r o w a v ei r r a d i a t i o nw e r eo b t a i n e db yo r t h o g o n a lt e s t ：m i c r o w a v ep o w e ri s7 0 0w i a c t i v a t i o nt i m ei s3 m i na n df l o wr a t eo fw a t e rv a d o u ri s4 8 m l m i n t h ei o d i n ev a l u e o fa c t i v a t e dc a r b o ni s 1 ，0 31m g g d e c o l o r i z i n gc a p a c i t y f o r m e t h y l e n e b l u ei s 1 0 0 m l ga n dy i e l d i s6 0 ，8 i o d i n ev a l u ee x c e e d st h es t a t el e v e lf g b t 1 2 4 9 6 8 1 9 9 9 ) a c t i v a t i o nt i m eb ym i c r o w a v ei r r a d i a t i o ni s1 1 0 0a sf a s ta st h a to ft h ec o n v e n t i o n a l p r o c e s s y i e l db ym i c r o w a v ei r r a d i a t i o ni s t w i c ea sm u c ha st h a to ft h ec o n v e n t i o n a l p r o c e s s 3 、t h ep r o c e s s i n go p t i m u mc o n d i t i o n so np r e p a r a t i o nf o ra c t i v a t e dc a r b o nf r o m i i i 昆明理工大学硕士论文a b s t r a c t b a m b o ok n o tw i t hw a t e rv a p o ra c t i v a t i o nb ym i c r o w a v ei r r a d i a t i o nw e r eo b t a i n e db y o r t h o g o n a lt e s t ：m i c r o w a v ep o w e ri s7 0 0 w ，a c t i v a t i o nt i m ei s 7 m i na n df l o wr a t eo f w a t e rv a p o ri s3 1 m l m i n t h e y i e l d o fa c t i v a t e dc a r b o ni s5 2 3 i o d i n ev a l u ei s 1 ，012 2m g ga n dd e c o l o r i z i n gc a p a c i t yf o rm e t h y l e n eb l u ei s16 5 m l gt h ea d s o r p t i o n c a p a b i l i t yo fa c t i v a t e dc a r b o ne x c e e d st h e s t a t el e v e l a c t i v a t i o nt i m eb ym i c r o w a v e i r r a d i a t i o ni s1 4 5a sf a s ta st h a to ft h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s y i e l db ym i c r o w a v e i r r a d i a t i o ni st w i c ea sm u c ha st h a to ft h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s i i 、t h en e wt e c h n o l o g yo np r e p a r a t i o nf o ra c t i v a t e dc a r b o nf r o mb a m b o o k n o t ( z n c l 2 a c t i v a t i o na n dh a p 0 4a c t i v a t i o n ) ，c o t t o n s t e m ( z n c l 2a c t i v a t i o n ) ， t o b a c c os t e m ( n h 4 c ! a c t i v a t i o n ) w i t hc h e m i c a la c t i v a t i o nm e t h o db ym i c r o w a v e i r r a d i a t o nw a sr e s e a r c h e d 1 、t h ep r o c e s s i n go p t i m u mc o n d i t i o n so np r e p a r a t i o nf o ra c t i v a t e dc a r b o nf r o m b a m b o ok n o tw i t hc h e m i c a la c t i v a t i o nm e t h o d ( z n c l 2a c t i v a t i o na n dh 3 p 0 4 a c t i v a t i o n ) b ym i c r o w a v ei r r a d i a t i o nw e r eo b t a i n e db yo r t h o g o n a lt e s t t h ep r o c e s s i n go p t i m u m c o n d i t i o n so fz n c l 2a c t i v a t i o nm e t h o dw e r e ：m i c r o w a v ep o w e ri s 3 5 0 w ，a c t i v a t i o n t i m ei s5 m i na n dc o n c e n t r a t i o no f z n c l 2s o l u t i o ni s4 0 t h ei o d i n ev a l u eo fa c t i v a t e d c a r b o ni s 1 ，0 8 8 4 m g g d e c o l o r i z i n gc a p a c i t yf o rm e t h y l e n eb l u ei s2 2 0 m l ga n dy i e l d i s3 9 2 i o d i n ev a l u ee x c e e d st h es t a t e l e v e l ( g b t 1 2 4 9 6 8 1 9 9 9 ) d e c o l o r i z i n g c a p a c i t yf o rm e t h y l e n eb l u ei s 1 8 3t i m e sa sm u c ha st h es t a t el e v e l ( g b t1 2 4 9 6 1 o 一 19 9 9 ) a c t i v a t i o nt i m e b y m i c r o w a v ei r r a d i a t i o ni s1 3 6a sf a s ta st h a to ft h e c o n v e n t i o n a lp r o c e s s t h ep r o c e s s i n go p t i m u mc o n d i t i o n so f h 3 p 0 4a c t i v a t i o nm e t h o d w e r e ：m i c r o w a v ep o w e ri s5 6 0w a c t i v a t i o nt i m ei s9 r a i na n dc o n c e n t r a t i o no fh 3 p 0 4 s o l u t i o ni s4 0 t h ei o d i n ev a l u eo fa c t i v a t e dc a r b o ni s 8 8 9 0 m g g d e c o l o r i z i n g c a p a c i t yf o rm e t h y l e n e b l u ei s17 8m l ga n d y i e l di s31 0 t h ed e c o l o r i z i n gc a p a c i t y f o rm e t h y l e n eb l u ei s1 ，4 8t i m e sa sm u c ha st h es t a t el e v e l ( g b t1 2 4 9 6 ，1 0 - 1 9 9 9 ) a c t i v a t i o nt i m eb ym i c r o w a v ei r r a d i a t i o ni s1 4 5a sf a s ta st h a to ft h ec o n v e n t i o n a l p r o c e s s 2 、t h ee f f e c tr u l eo ff a c t o r st ot h ea d s o r p t i o nc a p a b i l i t ya n d y i e l di np r e p a r a t i o n f o ra c t i v a t e dc a r b o nf r o mc o t t o ns t e mw i t hz n c l 2a c t i v a t i o nm e t h o db ym i c r o w a v e i r r a d i a t i o nw a sc a r r i e do u tb yc o n d i t i o n a le x p e r i m e n t t h ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n sw e r e o b t a i n e d ：m i c r o w a v ep o w e ri s5 6 0w la c t i v a t i o nt i m ei s6 m i na n dc o n c e n t r a t i o no f z n c l 2s o l u t i o ni s5 0 t h ey i e l do fa c t i v a t e dc a r b o ni s3 6 8 2 i o d i n ev a l u ei s 1 v 昆明理工大学硕：卜论文 1 ，0 30 2 m g g d e c o l o r i z i n gc a p a c i t y f o r m e t h y l e n e b l u ei s18 0 m l g i o d i n ev a l u e e x c e e d st h es t a t el e v e l ( g b t1 2 4 9 6 8 1 9 9 9 ) d e c 0 1 0 r i z i n gc a p a c i t yf o rm e t h y l e n eb l u e i s1 5t i m e sa sm u c ha st h es t a t el e v e l ( g b t1 2 4 9 6 1 0 1 9 9 9 ) a c t i v a t i o nt i m eb y m i c r o w a v ei r r a d i a t i o ni s1 3 6a sf a s ta st h a to ft h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s 3 、t h en e wt e c h n o l o g yo np r e p a r a t i o nf o ra c t i v a t e dc a r b o nf r o mt o b a c c os t e m w i t hn h 4 c 1a c t i v a t i o nm e t h o db ym i c r o w a v ei r r a d i a t i o nw a sr e s e a r c h e d t h ei o d i n e v a l u eo fa c t i v a t e dc a r b o ni s7 4 9 3m g ga n di ti s1 8 2t i m e sa sm u c ha si o d i n ev a l u eo f a c t i v a t e dc a r b o nt h a tw a sm a n u f a c t u r e db ys c i e n t i s to v e r s e a s y i e l di s2 9 3 4 i ti sa s h o r t e rf l o w ，h i g h e re f f i c i e n c y ，g e n t l y e rp o l l u t i o na n dm o r ee c o n o m i c a lt e c h n o l o g y 、t h em i e r o s t r u e t u r eo fa c t i v a t e dc a r b o na n dt h er e a c t i o nm e c h a n i s mo f t h et e c h n o l o g yo np r e p a r a t i o nf o ra c t i v a t e dc a r b o nf r o ma g r i c u l t u r a la n df o r e s t r y w a s t em a t e r i a l ( c o c o an u th u s k ，b a m b o ok n o ta n dc o t t o ns t e m ) b ym i c r o w a v e i r r a d i a t i o nw e r ed i s c u s s e d t h e r ew e r eg r e a td e a l so f p o r e si nt h ea c t i v a t e d c a r b o n t h e m i c r o p o r e o fa c t i v a t e d c a r b o nm a n u f a c t u r e db ym i c r o w a v ei r a d i a t i o ni sm o r ed e v e l o p e da n dm o r eu n i f o r m t h a nt h ec o n v e n t i o n a lp r o c e s s t h es t r u c t u r eo fa c t i v a t e dc a r b o ni s i n t e g r i t ya n dp o r e d i s t r i b u t i n gi su n i f o r m k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ；a c t i v a t e dc a r b o n ；b a m b o ok n o t ；c o c o an u th u s k ； c o t t o ns t e m ；t o b a c c os t e m ；w a t e rv a p o u r ；z i n cc h l o r i d e ；p h o s p h o r o u sa c i d ；a m m o n i u m c h l o r i d e v x6 6 9 1 4l 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不合 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 曰期： 糍廓妥 2 0 0 4 年1 月4 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名 论文作者签名望鱼竺 日期：2 q q 垒生! 月垒旦 垦塑里三查兰塑： ：笙兰一一篓二兰垡! ! ! 堕 1 1 微波的基本概念1 1 第一章微波概述 所谓“微波”，通常是指频率从3 1 0 8 h z 到3 l o t l h z 的电磁波。凡低于3 l o s h z 的即通常所说的无线电波，包括长波、中波和超短波。凡高于3 x 1 0 “h z 的则 属于红外线或可见光等。 微波是超高频率无线电波。由于这种电磁波频率非常高，故微波又称为超高频 电磁波。电磁波的传播速度c 与其频率，、波长 有下列固定关系 c = ， - - 。( 1 1 ) 若波是在真空中传播，则其速度为c = 3 1 0 8 m s ，微波频率范围通常为3 1 0 8 h ，3 1 0 n i l z ，对应的波长范围从l m n l m m 。由此可见，微波是指频率很鬲， 波长很短的波，在微波波段中，又可划分为4 个分波段，见表1 1 1 。 表1 1 1 微波的分波段划分 波段名称 波长范围 颧率范围 分米波 1 m - 1 0 c m 3 0 0 m h z 3 g h z 厘米波 1 b e r n - l o r e 3 g h z - 3 0 g h z 毫米波lcm-lmm 3 g h z 3 0 g h 毫米波 i m m 00 1 r a m 3 0 0 g h z 3 0 0 0 g h z 一 为了避免与微波通讯、雷达等相互干扰，国际上对微波加热的频率有专门的规 定，其专用加热波段见表】12 所示。 表1 、1 2 微波加热的专用波段 频率( 兆赫) 波段 中心波长( 米) 8 9 0 9 4 0 l 0 3 3 0 2 4 0 0 2 5 0 0 s 01 2 2 5 7 2 5 5 8 7 5 c 0 0 5 2 2 2 0 0 2 2 2 5 0 k 0 0 0 8 一 尽管在不同国家可能有不同规定，应用微波进行加热通常有三个主要频率段。 ( i ) i g h z 的低频段，由于牵涉到某种技术难题以及合法性，而很少用于加热应用， 昆明理：r 大学硕卜论文 第一章微波概述 常见于无线收视和移动通讯技术中。( 2 ) 3 0 g h z 以上的高频段，在这个频段上，大 规模低成本工业加热应用似乎很困难，仅多见于高频等离子体技术中。( 3 ) 介于这 两者之间的频段是目前加热应用研究的主要频段，考虑到微波器件和设备的标准 化，以及避免使用频率太多造成对雷达和微波通信干扰，目前微波加热所采用的常 用频率为0 9 15 g h z 和24 5 g h z ，其对应波长分别为0 3 3 0 m 和0 1 2 2 m ，而其中 2 ，4 5 g h z 则已成功和合法地应用在家用微波炉上。 1 2 微波技术发展的历史 微波是本世纪2 0 年代初发展起来的一门新技术，首先应用于通讯方面。由于 微波具有内部加热，可克服物判中的“冷中心”，快速加热，选择性加热，易控制 等特点，微波加热技术已广泛应用于食品、轻纺、农、林等行业之中。 第二次世界大战以前，有关微波加热技术方面的报道很少，但第二次世界大战 之后，人们对该技术的兴趣逐渐增加。从1 9 3 7 年以后到第二次世界大战以前，仅 有几个有关微波加热的专利，但到了1 9 8 0 年，专利的数量已超过15 0 个了。到了 6 0 年代末期至7 0 年代初期，更多的研究者把注意力集中到微波能的应用技术上来。 1 9 6 5 年，m l l e v i n s o n 申请了微波炉加热材料的专利。1 9 6 6 年在加拿大成立 了国际微波能协会i m p i ( t h ei n t e r n a t i o n a lm i c r o w a v ep o w e ri n s t i t u t e ) ，随后又创 办了微波能杂志j o u r n a lo fm i c r o w a v ep o w e r ( 现已更名为j o u r n a lo fm i c r o w a v e p o w e ra n d e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y ) 。1 9 6 8 年，r e r e n n e r 等用微波等离子体烧结了 氧化铝、氧化铍等，并与传统方法进行比较。发现在相同温度和时间条件下，与传 统烧结方法相比，微波等离子体烧结的氧化铝具有较高的相对密度，较小的颗粒尺 寸和较高的抗张强度。7 0 年代，己出现微波在干燥、铸模脱蜡、云母熔化、硼硅酸 玻璃、瓷器、氧化铝加热和烧结、融化u 0 2 的研究报道。8 0 年代，开始了微波粉 浆浇注、火花塞绝缘体烧结等半工业化试验，并在玻璃、各种氧化物、非氧化物处 理，陶瓷材料焊接等领域有了新用途。1 9 9 0 年德国陶瓷协会举办了陶瓷的微波过程 学术会议。1 9 9 1 年，国际微波能协会在荷兰举办了第一届微波化学大会。19 9 2 年， 美国化学学会在旧金山举办了高分子材料的微波过程学术会议。1 9 9 4 年，德国举办 了第一届欧洲材料的微波过程学术讨论会议，1 9 9 6 年又举办了德国首届材料的微波 过程学术会议，1 9 9 7 年德国又举办了第二届欧洲材料的微波过程学术讨论会议。 总之，自5 0 年代以来，研究者们在微波与材料之间的相互反应，微波等离子 体过程、微波干燥、微波合成、微波烧结、微波焊接、微波冶金、微波在商分子中 的应用、微波在废弃物再生中的应用、微波过程中的计算机模拟和控制等方面做了 昆叫理工大学硕士论文 第一章微被概述 许多报道，致使微波能技术应用研究出现了热潮。 1 3 微波加热的特点”、2 1 实践和理论都证明，在单位体积的介质内损耗的微波功率尸“与电场强度e 和 频率f 之间有下列关系： p a = f - e 3 t g8 ( 1 2 j 总的说来，微波加热有加热速度快、选择性加热、控制及时、改善劳动条件 等优点，具体情况见下： ( 1 ) 加热均匀、速度快 一般传统加热方法是加热周围环境，借助热量辐射或通过热对流的空气使物 体表面先被加热，然后通过热传导传到物体内部，这种方法效率低，加热时问长。 微波加热的最大特点是：热量是在被加热物体内部产生的，热源来自物体内部， 加热均匀，不会造成“外焦里不熟”的夹生现象有利于提高产品质量，同时由 于“里外同时被加热”，缩短了加热时阳j ，加热效率高。微波加热的惯性很小，可 以实现快速控制，有利于连续生产的自动控制。 ( 2 ) 选择性加热 微波加热所产生的热量和被加热介质的损耗有着密切关系，各个介质的t a n8 在o0 0 1 到o 5 的范围内，所以各种物体吸收微波的能力有很大差异，一般说t a n 8 大的介质很容易用微波加热，如水的t a n6 = 0 3 ，所以水能强烈地吸收微波，而 一般含水在百分之几到百分之十的物质都能有效地用微波加热。相反t a n6 太小的 介质就不能用微波加热。这就是微波对物质具有选择性加热的特点。 ( 3 ) 控制及时，改善劳动条件 一般的加热方法，如蒸汽加热、电热、红外加热等，升温或改变炉温，需要 较长时间，在发生故障或停止加热时，温度下降又需要较长时间，而微波加热可 在几秒钟内迅速地将微波功率调到所需的数值，即可实现正常运转，而且调整微 波输出功率，物料加热情况立即无情性地随着改变，因此便于自动化和连续化生 产。一般传统工业加热设备比较大，占地多，周围环境温度也比较高，操作工人 劳动条件差，强度大。而微波加热则占地面积小，避免了环境高温，工人的劳动 条件得到了大大改善。 昆明理工大学矾土论文 第一帝微波概述 ( 4 ) 场强高温 1 - 2 式告诉我们，介质中单位体积内吸收的微波功率正比于电场强度e 的甲方， 因此电场越强，吸收的功率就越多，在单位时间单位体积内，产生的热量与在相 同热容量和相同散热条件下的温升就越大，可以通过调节场强来控制加工件上的 温升，在很高场强下能使加工物件在极短时间内上升到需要的加工温度，这在某 些场合是非常有利的，它能使食品在加热过程中维生素等营养成分不受破坏，产 品的质量不发生变化。场强高温还能在产品质量不受影响下，产生杀菌作用。 ( 5 ) 高频高温 1 2 式还指出提高频率也可以提高单位时间、单位体积内产生的热量以及在相 同热容量和散热条件下的温升，这一点告诉我们为什么微波加热比高频介质加热 优越。对于某t a n8 的介质，要增加单位体积内的吸波功率有两个办法： 。是增加 电场强度，一是提高频率。但前者受到高频率击穿的限制，特别是在低气压和水 蒸气密度大的场合更容易产生高频击穿，因此在一定击穿场强的限制下，要提高 吸收功率只有采用更高的频率更为有利。例如，高频加热的最高频率为4 啦6 8 兆赫， 与微波9 15 兆赫相比，在相同场强下单位体积内吸收的微波功率要比高频功率高 二十多倍，这就是采用微波加热较为有利的重要因素之一。 ( 6 ) 微波加热透射能力强 远红外线的加热频率比微波加热的频率更高，照理加热效率不是要更好吗? 其实不然，这里面还存在一个穿透能力的概念。 红外线加热虽有许多优点，应用也比较广，但从物体的穿透能力看，红外线 就远不如微波。那么，什么叫穿透能力呢? 穿透能力就是电磁波穿透到介质内部 的本领，电磁波从表面进入介质并在其内部传播时，由于能量不断被吸收并转化 为热能，它所携带的能量就随着深入介质表面的距离以指数形式衰减。 穿透深度定义为：材料内功率密度为表面能量密度的】e 或3 68 算起的深度， 用_ d 表示，其训。算公式为： 1 d ：上一，l 一( i - 3 ) 2 7 r , e t a n 6 式中： “。一电磁波在自由空间波长 s 一介质常数 昆明型t 大学硼j 论文 第一章微波概述 t a n 一损耗角正切，为介电损耗对介电常数之比。 从1 3 式可看出穿透深度和波长是同数量级，微波加热所对应的波长是儿 米到几十厘米。因此，除了特大的物体外，一般可以做到表单一起均匀加热。而 远红外加热的波长范围在56 1 0 0 0 微米，加热时穿透能力很差，在远红外线照别 下，只有物体表面一薄层发热，而热量要穿透到内部主要靠热传导，这样不仅加 热时间长，而且容易造成加热不均匀。根掘对比，微波加热的穿透能力比远红外 线加热强得多。 1 4 微波加热系统 微波加热系统的主要部件有：微波发生器、波导、微波能应用器、物料输送 系统和控制系统，如图1 4 1 所示，在所有加热系统中，微波发生器是最关键部分， 其由磁控管和微波电源组成，其最主要作用是产生系统所需的微波能量，以便将 此能量传输到相应的微波能应用器中，并在其中实现对物料不同目的地加工处理。 微波波导通常是一段具有特定尺寸的矩形或圆形截面微波传输线，用空心会 属管组成。波导中的电场和磁场被限制在波导内的空间中，由于没有辐射损耗， 甚至介质损耗也可以忽略不计，能够保证将微波发生器所产生的微波能量馈送到 微波能应用器中。 图1 4 1微波加热设备结构简图 微波能应用器是实现物料与微波场相互作用的空间，微波能量在此转化为热 能、化学能等，来实现对物料的各种处理。在微波能应用器中可以把物料在一定 控制气氛下暴露于微波场中进行加热，其目的是使微波能与物料在安全、可靠、 5 一 昆叫理工大学颂，i 论文 第章微波概述 经济、高效的条件下进行相互反应。根据微波应用器的工作原理可分为：行波场 微波应用设备、驻波场谐振腔式微波能应用设备和辐射场天线式微波能应用设备 等形式，另外，根据不同的产品要求，还出现了混合型微波能应用器，如热风微 波混合型、真空微波混合型以及真空冷却微波混合型微波能应用器等。 控制系统是用来调节微波加热系统各种运行参数的装置，保证设备输出功率、 输送速度、冷却或排潮机构根据规定的最佳工艺规范，方便、灵活地调整控制。 1 5 微波加热技术在材料制备中的应用3 目前研制成型的微波设备，己广泛应用在食品加工、皮革加工、化学、t 燥、 制药、纸品、酿酒、橡胶、化工和医疗等领域 45 1 。自5 0 年以来，研究者们在微 波与材料以及冶金之间的相互反应、微波等离子体过程、微波干燥、微波合成、 微波烧结、微波焊接、微波冶金、微波在高分子材料过程中的应用、微波在废物 再生中的应用、微波技术应用于纳米材料合成的研究、微波在煤炭工业中的应用、 微波焙烧冶金物料、微波过程中的计算机模拟和控制等方面作了许多的报道，致 使微波能技术应用研究出现了热潮【6 “。最近，美国宾夕法尼亚州立大学材料研究 实验室的科学家用微波对铁、镍、钴、铜、铝和锡等金属的粉末进行加热试验， 并利用微波加热烧结法成功地用金属粉末制成了小型齿轮极它环状、管状的机械 零件，其部件具有均质结构，内部空隙很少，不仅牢固致密，具有更好的延展性 和韧性，而且烧结时间缩短，能耗降低【8 】。再者，国外w a d a 9 】等用微波介电加热 的方法成功地制各了平均粒径为7 n m 的n i 纳米颗粒；l i u m “ 等把微波加热技术 成功地应用到p t 、i r 、r h 、r u 、a u 和p d 等纳米金属团簇的制备中。国内李巧玲 【12 1 、翟慕衡 1 引、张文敏 1 ”、董吉溪 1 5 等分别利用微波辐射法制备了均匀的q f e 2 0 3 、c u 2 0 、b i o c i 和磷酸钴纳米粒子，这些研究为微波能应用开辟了一个崭新 的应用领域。 近年来，微波能应用技术正在向纵深发展，并不断出现了新的应用领域。随 着科学技术的发展，微波能应用将不断拓宽，渗透到各个学科中。目前微波加热 技术须解决的问题有：进一步完善微波材料问的相互作用理论，并实现定量化研 究；完善材料的介电性能及介质损耗与微波频率及温度之问关系的理论基础数据； 加强微波工艺、微波材料与微波设备的综合研究与丌发，从而使试验成果迅速转 化成生产力。相信随着微波加热系统和关键技术的完善与发展，微波辐射在材料 制备中的实际应用将迅速向前推进。 昆驯理工大学硕士论文 第一章微波概述 1 6 本章小结 本章由微波的基本概念出发，概述了微波的历史、发展情况、微波加热的特 点及微波加热系统，重点介绍了微波加热技术在材料制备中的应用。 昆_ ! ! j 理工大学硕卜论文第二二章活性炭概述 2 1 活性炭简介”“” 第二章活性炭概述 活性炭是一种无毒无味，化学稳定性好，机械强度高，使用后易再生且具有 发达细孔结构和巨大比表面积的优良炭制吸附材料。活性炭具有特殊的微晶结构、 发达的微细孔、很高的比表面积和较强的吸附能力，已被广泛应用于国防、化工、 石油、纺织、食品、医药、原子能工业、城市建设、环境保护以及人类生活的各 个方面。在工业废水、生活废水、城市污水中含有大量有害、有毒物质，如果未 经处理就排入江河湖泊，必然对环境造成极大危害( 高原明珠