1、微波活性炭再生介绍1 一、概述本章将专门介绍微波在非通信领域中的应用。所谓非通信领域，指的是仅仅利用微波功率和能量与物质的相互作用，使该物质产生物理或状态上的变化，如加热、脱水、干燥、发泡、膨化、煮白、固色、烧结、焊接、焙烧、熔融、改性、沉积、烧蚀、杀菌、消毒、冶炼、脱蜡、硫化、脱硫、萃取、消解技术领域，即利用微波功率在工业、农业、交通运输业、高新科技领域、医疗卫生事业等方面的非常广泛的应用。在本章中将不涉及信息的交换、存储、传输或传播、信息的转换等有关内容，因此纯粹是一种微波功率的应用。由于电磁波频谱资源的有限性，20 世纪初人类发明了真空二极管和三极管后，从2030 年代开始，人们利用电磁
2、波相继发明了无线电通信、无线电广播、电视、雷达、卫星通信、移动通信、互联网等，这些发明给人们的物质文明和精神生活带来了巨大的变化。20 世纪是无线电电子学蓬勃发展的黄金时代，前半叶是真空电子学和电子管时代，后半叶则是半导体和集成电路迅速发展的微电子时代。最后 20 年中，微机和光通信技术的兴起，形成了两个极具规模的庞大产业。从此，个人电脑和移动通信进入了空前高速发展的新时期。为了使这些应用互不干扰，“世界无线电大会”（一个国际性组织）对每一种无线电应用技术所使用的电磁波的频率都规定了具体的范围，不得超越。对于微波在非通信领域中的应用，1966 年在加拿大成立的“国际微波功率协会”规定了工业、科
3、学、医疗（ISM）可使用的频率。1979 年，世界无线电大会正式公布了这一国际标准，详见表 4-1。表 4-1 工业、科学、医疗（ISM）使用的频率目前世界上普遍采用其中的 915MHz 和 2450MHz 两个主要频率标准，我国也是如此；只有英国采用 896MHz，俄罗斯及东欧一些国家则采用 2375MHz 的频率。回想一下世界上第一台微波炉不正是使用 915MHz 和 2450MHz 这两个工作频率吗？也许 IMPI 正是考虑到这个历史事实，才制定了上述国际标准。由于移动通信的飞越发展，波段拥挤，不得不向上述两个广泛使用的民用频率标准靠近，再加上蓝牙技术的需要，915MHz 和 2450M
4、Hz 两个波段正受到愈来愈大的挑战，今后会产生什么情况，目前还难以预测！2 二、微波加热原理自然界中任何物质（包括固体、液体、气体）在微波电磁场的作用下，都会与其发生相互作用，这种相互作用的效果是多种多样的。例如物体被加热，产生温升，使物料脱水，干燥，膨化，发泡，解冻，消解，萃取；使材料改性，可用于蔬菜煮白，食品灭菌；使橡胶硫化或脱硫，可用于烧结，烘烤；使染料固色，可用做食物烹饪其中最重要和最主要的作用是微波加热，其他许多作用都或多或少地与微波加热有关。因此，在介绍微波的各种应用之前，有必要重点介绍一下微波加热原理，这样才能更好地理解微波有如此之多的神奇功效！作为材料的基本特性，包括它的机械性
5、能、物理性能、化学性能、介电特性等多种，但对微波加热而言，其中介质的介电性能却是最基本、最主要的。大家对介电特性又是最陌生的，因此有必要对这一特性稍作详细的介绍。只有这样才能弄清微波为什么能对一些物料加热？而对另一些物料加热效果不好？有些物料则根本无法加热，像水、酒精、脂肪、蛋白质等在微波作用下能迅速升温；像玻璃陶瓷、四氯化碳、聚乙烯等在微波作用下能保持原有的温度，或只有微小的温升；又像金属这类导体，微波却从其表面上被反射回去了，无法进入其中，或只能进入极微小的厚度中。这也就是为什么家用微波炉总是用各种金属板如镀锌铁皮或不锈钢板作为炉体材料，而将炉门把加热食物的微波屏蔽在炉内，不让微波外泄的道
6、理所在。任何物质都是由分子组成的，而分子是由原子组成的，原子又由带正电的原子核和环绕原子核作高速旋转运动的多层电子轨道组成的。在常态下，原子中的正负电荷总量相等，正负电荷的重心重合，因此对外不显电性，或者说是一种中性结构，对由大量这种原子形成的分子，当然也呈中性状态，这是从外界感知的宏观表象；但是，当这些材料处在直流静电场或交变电场作用下又如何呢？先来看一下在直流静电场（即对时间是不变的固定的电场，例如在两块平板金属间夹有一层一定厚度的材料时，如在两金属板上加上直流电压，其中建立起来的电场即称为静电场）作用下，材料中的分子、原子及电子会发生什么样的变化呢？1）在外加直流静电场作用下，原子中外层
7、轨道上的电子云相对原子核产生了相对位移，这种位移的结果使原子中正负电荷的重心重合状态发生了改变，导致了重心的偏离。换句话说，正电荷的原子核和外层轨道上众多电子的物理重心不再相互重合了，因而对外呈现出这种由于正负电荷重心不重合而出现的偶电矩（或称为偶极子），这一电学过程称之为“极化”，并且为了与下述其他极化相区别，这里将上述过程称为“电子极化”现象。这种极化产生的偶电矩对外电场非常敏感，建立和消除极化的时间都极短，约为10?1610 ?15s 左右，也就是说此时间与光波的周期相当。因而，人们有时把这种极化又称为“光极化”或“光频极化”。任何物质，不管是固体、液体或气体都会产生这种极化。由于这种极
8、化发生在光学频段，因此在微波波段不会产生与微波的相互作用。2）另一种极化称之为“原子极化”或“离子极化”，这是一种在外电场作用下由原子团或离子相对位移引起的。建立或消除时间与晶格振动具有相同的数量级，即约为10?1310 ?12 s，比电子极化时间略长。因此，处在可见光外的红外线光频上，仍称为“光频极化”。由于离子相对位移只产生于固体的离子晶体中，因而液体和气体是不会产生离子极化的。3）第三种极化称为“偶极子极化”，它是一种只在极性电介质中才会有的极化现象。在无外电场作用下，这类材料中分子本身正负电荷分离，并且具有一定大小的偶电矩，只不过这时由于偶极子杂乱无章随机地分布着，如图 4-1 所示。
9、这样就导致了这些本身具有偶电矩的偶极子从宏观角度看仍然呈现中性状态，是一种不带任何电性的材料。然而在外电场作用下，这些微观具有电性的偶极子却受到外电场力的作用，迫使其顺着电场方向整齐地排列起来。这样不仅从微观角度出发，还是从宏观角度出发，都会发现材料具有极强的极性。由于这种极化过程是由偶极子转向产生的，因此又称这种极化为“转向极化”或叫做“偶极子极化”。此极化建立或消除时间约在 10?1210 ?6 s 之间，正好处在微波波段的周期之内。由此可见，在高频和微波波段，材料的转向极化是该波段内的主要极化形式，是最为关注的。图 4-1 无外场时的偶极子分布下面再来讨论一下在交变电场作用下，上述这些极
10、化又是如何建立和消除的呢？任何极化都需要一定的时间，从上述叙述中已经看到，电子极化和原子极化所需的时间都是非常短促的，都相当于从红外线到可见光的频率范围；但偶极子转向时间相对较长，正好处于高频和微波的频率范围内，当这些波段的交变电场忽正忽负忽大忽小地变化时，分子中的偶极子就要跟随外电场的变化而变化，如图 4-2 所示。图 4-2 存在交变场时偶极子的旋转运动也就是说，在这种外电场作用下，分子中的偶极子开始旋转起来，力图适应外电场的这种变化，但由于排列需要一定的时间（尽管这一时间很短），在重新排列的过程中总是不能同步地旋转，会产生一定的时间滞后（相当于惯性作用），于是就会出现下列几种情况：（1）
11、当频率较低时，这种旋转完全跟得上外电场的变化，因此在偶极子旋转过程中相互摩擦引起的损耗较小；当频率变得很高时，偶极子完全跟不上外电场的变化，只好在原处保持不动，这时的摩擦损耗也趋近于零。只有在频率的某一特定范围内，这种转向损耗才会达到一个最大值。（2）对于单原子、双原子及具有对称结构的多原子气体，都是各向同性的介质，在常温常压下，分子间距大，相互作用小，因此是一种非极性介质，只存在光频段的电子极化，不存在离子极化和转向极化，在微波波段介质损耗可以忽略不计。（3）对于液体和固体来说，要看它们分子的尺寸和对称性。存在电荷对称中心的分子，如氩、碳、四氯化碳、四氟化碳、甲烷、丙烯等都是非极性分子，因此
12、没有偶电矩，这些材料在微波电磁场中是不会被加热的。此外，像聚乙烯、聚四氟乙烯、石蜡、地蜡、玻璃、陶瓷、云母、聚异丁烯、未硫化的橡胶、矿物油等也都是非极性物质，但是像水、酒精、尿素、丙酮、动植物胶、血红蛋白、丙种血清拟球蛋白等都是极性分子，它们没有电荷对称性，因而呈现出很强的偶电矩。在固体材料中，像聚氯乙烯、纤维、酚醛树脂等都是极性材料，在微波电场作用下，它们会呈现出很高的介质损耗。作为家用微波炉里使用的微波餐具就应当选用像聚乙烯、聚丙烯、玻璃、陶瓷这类无毒低损耗的非极性介质材料来做，当然，各种家用瓷具（只要不镶金银边、表里不印彩画上釉）都可作为优选的对象。讲到这里，大家可能明白了这样一个事实：
13、利用微波来加热物料，有一个前提，这就是该材料必须是极性或强极性的介质，像金属导体材料或其他非极性材料，甚至是弱极性材料都是很难用微波来加热的。好在目前工农业产品中，大多数物料都含有不同程度的水分，如木板、皮革、棉纱、布匹、纸张、烟草、茶叶、粮食这些物料在微波作用下是能很好吸收微波功率的。正是由于这种微波的“热效应”，使它目前在工农业生产、科学技术研究、医疗卫生事业中都得到了广泛的应用。图 2-34 几种不同结构的匹配负载（五）阻抗调配器阻抗调配器是专门用来调节不匹配负载使其从调配器前看进去的驻波系数接近于 1，即接近匹配的程度（尽管负载本身是不匹配的）的一种专用元件。因为在实际的微波系统中，不
14、论是工业微波炉，还是各种谐振腔，它们总的来说是不匹配的。图 2-35 波导三销钉阻抗调配器调配器的结构如图 2-35 所示。从图中可以看到，波导调配器是一种在波导管宽边中心部位，从上向下伸入波导中的三根具有一定粗细的金属销钉组成的，每根金属销钉的插入深度都可单独调节（既可手调，也可用小马达自动调节）。三销钉互相配合调节，使调配器前的驻波调至最小为止，这时，为了配合调节，在调配器前必须加接一个可取样反射波信号的定向耦合器，以便指示反射功率的大小。（六）各种弯波导在连接实际波导系统时，经常遇到需要转弯的问题。本来波导也是一种传输线，与低频时的导线一样，但波导是由金属管制成的，具有刚性，需要转弯时就
15、不是那么容易和简单了，为此，专门制作了各种供转弯用的弯曲波导，通称“弯波导”。弯波导用得最多的是 90转弯的弯波导，如图 2-36 所示。图中（a）、（b）为波导窄边弯曲 90的称为“E面弯波导”；图中（c）、（d）为波导宽边弯曲 90的称为“H 面弯波导”。图 2-36 两种 90弯波导（七）过渡波导在波导系统中，有时需要将两种不同规格的波导连接起来，如 BJ-22 与 BJ-26 之间的连接是经常碰到的，由于这两种波导都可传输 2450MHz 的微波信号，但两个波导的尺寸 a和 b 都不相同，为此，必须在这两个波导之间加接一段过渡波导。换句话说，这个波导一端为 BJ-22 的尺寸，而另一端
16、则为 BJ-26 的大小，如图 2-37（a）所示，中间一段波导的截面尺寸 a 和 b 从一个标准逐渐变化至另一标准。图 2-37（b）中示出一种一端为矩形波导，另一端为圆波导时的特制的方圆过渡波导。即一端为圆截面的波导，另一端为矩形波导，这种过渡波导通常用电铸法制造。其截面由圆形逐渐变换成矩形。图 2-37 两种过渡波导3 三、微波加热的特点和优点上面简单介绍了微波加热的基本原理，下面再来看一下这种利用材料的偶极子旋转产生的摩擦损耗。从微波中吸收微波功率达到温升和加热的过程显然与常规的加热方法不同。普通的加热方法是被加热的物料从外部吸收热传导或热辐射过来的热能，使表面温度不断上升，这一温度将
17、向物料的内部传递，因此是一个由表及里的温升过程。这时水分开始从表面蒸发，内部水分则慢慢地从内向外扩散到表面，加热过程的推动力是内外间的温度差，通常需要很高的温度来形成这一所需的温度差，热传导的推动力则是物料内部和表面之间的浓度差。微波加热干燥过程中，电磁波渗透至物料内部（渗透深度及物料的介电特性与微波的工作频率有关），由于介质损耗产生热量，这时传导的推动力则是物料内部迅速产生的蒸汽所形成的压力差。如果物料开始很潮湿（含水量很高），物料内部的压力就很快地升高，这时液体可能在压力差的作用下从物料中排出。初始湿度愈大，压力差对水分排除的影响也愈大。也就是说具有一种“泵”的效应，它会驱使液体流向表面。
18、由此可以看出，微波干燥脱水过程与传统的加热干燥脱水过程存在着明显差别。正是由于这样一个特点，微波加热因此具有下列许多与众不同的特点：（1）加热速度快。由于微波加热基本上是里外一起整体（太厚的物体除外）地被加热，除非电磁波渗透不进去，或渗透深度不够，这种加热方法与热风、燃气、蒸汽、电热、远红外等加热方法相比，速度要快得多，通常为数倍至数十倍甚至更高。（2）加热效率高，省电节能。由于微波加热是电磁波直接与物料分子相互作用的结果，而不像常规热辐射或热传导的方法会使一部分热能无为地浪费掉，微波在空气中传播时的损耗是很小的（在短距离内），能量损耗主要集中于物料体积内，加上微波功率转换效率高，因此可节省电
19、能消耗，提高经济效益。（3）加热均匀。微波加热原理决定了物料的温升过程与常规方法不同，后者的温度分布是外热内冷；而微波加热方法会使里外温差保持相当低的水平，有时甚至会产生内部温度高于表面温度的情况。因此从总体上来说，微波加热产生的温度要均匀得多。（4）选择性加热。对不同物质或不同含水量的物料在微波加热过程中产生的温升是不同的，含水量愈大，加热愈快；反之，则愈慢。这就是通常所说的选择性加热效应。最简单的一个例子就是将食品放在微波炉中加热或烹饪时，食品被加热或烧熟了，而盛放食品的容器及旋转的底盘却仍然是冷的，这就是微波选择性加热的结果。（5）加热过程的即时控制性。微波加热控制起来非常迅速方便，具有
20、即时性。换句话说，打开微波设备的电源开关，微波立即产生并开始对物料加热，完全没有其他加热方法那样具有热惯性。当将微波电源关闭后，微波立即消失，加热过程立即停止。这在很多加热应用时非常有用，也是用其他方法加热无法做到的。（6）提高产量、质量和档次。由于微波加热时物体表面温度不会太高，不会产生过热、结壳或焦化现象，这对一些物体表面外形或颜色要求较高的应用场合非常有利。（7）微波的物（理）化（学）效应。微波加热时会产生一定的物化效应，因此，目前除了直接利用热效应去作为加热、脱水、干燥、回原、煮白、灭菌、消毒、固色等应用外，还利用这种特有的物化效应去作为膨化、蛋白质变性、化学萃取、消解、淀粉胶化等物化
21、领域中的应用。（8）环境保护好、改善劳动条件。由于微波加热时除物料升温外，整个设备温度不高，人工操作自动化程度较高，环境温度低，操作简单，可靠性高，符合环保要求，因此大大改善了劳动条件。（9）占地面积小、节省投资。由于微波加热设备体积小，只需一定功率大小的电源，因此在使用时占地面积小，可大大节省投资成本。（10）维护成本低。微波加热设备在长期运行时，主要维护成本是微波电源，即产生大功率微波的电子管 磁控管。一般情况下，磁控管的正常工作寿命可达数千小时甚至更长。4 四、微波对活性炭再生的影响微波对活性炭再生的影响，使用未处理的活性炭用于空白实验。使用微波加热用于改性活性炭的制备和再生，活性炭经过
22、多次吸附满载后再生测试有效在生率，为什么要做这种研究呢。代表主要工业污染之一的废水排放。由工业生产的危险有机废物中，酚类化合物是产生的最常见的有机化合物。酚类是危险的有机污染物，因为它们即使在低浓度下也是有毒的。这些酚类化合物通常具有在饮水低阈值，并且还具有对人体健康不利影响。一个用于吸附或保留污染的最重要的和更有效的技术是吸附。中通常用作吸附剂，活性炭材料是最常用的材料之一，由于它们的高孔隙。吸附通过活性炭(AC)是一个成熟的技术广泛用于废水净化。但是活性炭是消耗品，他们在长时间的吸附污染物会导致吸附满载，从而降低了最终的吸附能力和再生的效率。这个时候活性炭就需要再生和更换了。近年来，由于分
23、子级加热的能力，微波(MW)照射作为再生工具引起了关注。有趣的报道已经出现在 MW 加热技术的应用再生活性炭，产生结果非常有研究性。准备研究材料试剂和仪器粒度为 0.1-1.1mm，Cl(%)= 0.025 和 Pb(%)= 0.005，Fe(%)= 0.02 的颗粒活性炭 pH值(50g / l，25)= 5.0-70，Zn(%)= 0.05，酚固体 0.1g 在蒸馏水中稀释成 1000ppm 的溶液并稀释得到不同浓度的溶液。Cu(NO 3)H 2 O 和 Ni(NO 3)H 2O。使用电子天平(JJ 1,000，最大 1,000 克高效液相色谱(HPLC)(LC-10UV，装备有 UV 检
24、测器(UV-1575)和 C18 反相柱(2504.6mm，5_m ODS，采用磁力搅拌器搅拌苯酚溶液，同时设定溶液温度，用 pH计 PH-3C 测定 pH 值。改良的家用微波炉的实验装置该实验装置是一种经改良的家用微波炉，其工作频率为 2,540MHz。改变微波炉以将氮引入锥形石英玻璃中。氮气瓶与流量计连接(图 1)。锥形石英玻璃用作每个实验的反应器。将制备的改性活性炭在室温下在氮气保护下冷却，并从微波炉中取出，用于下一个实验。活性炭的再生实验在 250 毫升的锥形石英玻璃中进行(图 1)。图中显示了用于再生活性炭的实验装置(图 1)。再生之后，活性炭根据最优化的吸附条件。在这些条件下，活性
25、炭的再生在几次吸附之后进行 1 至 10 次再生循环几次。活性炭的再生在氮气流下进行(图 1)以避免活性炭的破坏。在我们以前的研究中，我们调查了改性活性炭的微波再生的最佳条件。活性炭根据最佳条件进行再生。表示如此制备的改性活性炭的照片。如下图所示(图 2)，不同的活性炭呈现不同的颜色。如图所示，装有镍的活性炭着色为蓝色(图 2)。但是装载有铜的活性炭以红褐色表示，并且为了比较，简单地用微波辐射处理的活性炭在与未处理的活性炭相同颜色的黑色上着色。这些结果表明负载有铜和镍的活性炭的颜色不是微波照射的结果，而是通过在活性炭微孔中加载金属的事实，并且每种颜色分别表示负载在金属内部的金属的性质活性炭微孔
26、。准备好的活性炭直接用于下一次使用。再生时间的影响活性炭的再生是非常关键的问题。已经进行了许多研究来优化活性炭高再生效率的条件。本文研究了不同类型改性活性炭微波再生的最佳条件，选择活性炭/ Ni 和活性炭 / Cu 作为改性活性炭。( 图 2)。再生效率取决于微波照射时间 (图 3)。当照射功率设定为700W 时，获得最高的再生效率。在最低的微波照射功率下，再生效率没有显着提高(图 3)。选定的时间分别为 3,5,8,13 和 20 分钟。活性炭再生效率随着照射时间的增加而增加(图3)。经过研究发现了活性炭再生的最佳条件。在 700 W 微波照射功率和 3 min 照射时间下，改性活性炭的再生
27、效率可达 98%左右。5 五、微波在工业中的应用根据上面简单介绍的微波加热原理及其许多特点，这一高效节能的独特的加热方法正与其他许多传统的加热方法（如蒸汽加热、热风加热、红外或远红外加热等）一起在加热、干燥、脱水、煮白、膨化、松散、定形、固色、成形、灭菌、硫化、脱硫、烧结、催化、萃取、消解、合成、材料改性、熔解领域中发挥着巨大的作用。在一定的条件下，采用微波加热方法的优点明显超过其他传统方法，因而在最近 1020 年内，它在国民经济中的作用和地位将逐步得到更多工业领域的认同和肯定。尤其是从改革开放以来，旧有的工业企业不断得到改造，设备更新，在采用新技术提高效益的同时，人们更重视节能和环保，而微
28、波加热方法却既能做到节能，又能做到环保，因此目前设计制造生产微波加热各种设备的工业企业不断涌现出来，几大公司生产的家用微波炉几乎占据了世界同类产品总产量的 70%以上，而且这一比例还在不断增加，价格低廉，受到了国内外用户的欢迎。谈到微波加热及其在工农业和医疗卫生事业中的应用，不得不回顾一下这一新技术在我国的发展历史。早在 20 世纪 70 年代初，上海、南京等沿海城市中的几个电子管厂率先研制出了微波加热设备中的心脏部件即微波电子管 磁控管，与此同时，这些工厂及一些研究所也相互配合进行了一些在工业中应用的探索。例如上海轻工业研究所与上海灯泡厂合作，设计一套 45kW 的微波功率设备（隧道式微波干
29、燥机）用于上海儿童食品厂的乳儿糕（一种婴儿吃的粮食制品）生产线上。该生产线原采用蒸汽烘干，技术落后，厂房占地大，工人劳动强度高；采用微波加热方法后，占地面积大大缩小，环境清洁，加热烘干效率大大提高。原来的热风干燥需 68h（小时），采用微波加热方法后，只需 9min（分钟）的极短时间，还解决了产品破碎以及易于酸败等许多问题，同时还实现了生产过程的自动化，节省了 50%的劳动力。唯一的不足是生产成本提高了（主要是生产设备的投资成本）。当时，为了宣传和推广微波新技术在轻工行业中的应用，上海市有关部门还请上海科学教育电影制片厂专门为该车间拍了科教纪录片。美国、英国等西方发达国家在 20 世纪 708
30、0 年代，首先在食品和橡胶这两个行业中开始使用微波加热方法，在对它们的主食面包的发酵和烘烤，油炸食品，蔬菜的煮白，鸡肉、熏肉、火腿、鲱鱼、土豆片、肉馅等进行微波烹调和加工中取得了良好效益，对深度冷冻的肉制品的回原和解冻中效果显著。对汽车轮胎的预加热，对橡胶条的硫化（使橡胶具良好弹性的一种必要的加工处理技术）是微波最具有优势的一种处理方法。在橡胶硫化中，由于微波加热是体积加热，它与常规硫化方法不同，温度上升速率不再取决于橡胶表面上的热流情况；根据产品的厚度，微波加热橡胶可以比常规加热方法快上几十甚至上百倍，从而大大缩短了处理时间，生产率的提高是通过低耗地增加流水线的速度来实现的。我国从 20 世
31、纪 80 年代初开始相继从国外引进了一些微波橡胶硫化设备，不久后，自行研发成功的相应设备也应用在一些工厂中，目前，已有很多厂家能够生产这类设备。橡胶行业应该说是微波技术应用得最为成功、效益最为明显的一个行业之一。最近几年，我国的汽车工业快速发展，因此，像橡胶密封条等汽车配件量将会大量增加，这就使得在橡胶硫化技术中处于优势的微波橡胶硫化设备供不应求。图 4-3 为橡胶微波硫化设备，图 4-4 为微波解冻设备。图 4-3 微波橡胶硫化设备图 4-4 微波解冻设备在国外，微波另一种长期持久的应用是对蔬菜的煮白。所谓煮白就是中止蔬菜中酶的活动，否则在储存期中会降低蔬菜质量。通常，蔬菜和水果在冷冻前都需
32、要用开水或蒸汽煮白，其目的是使过氧化氢酶和过氧化物酶灭活。因为它们是蔬菜中最耐热的氧化酶，由于它们的存在，会使冷冻或解冻后的产品产生颜色和口感风味上的变化。研究表明，为使蔬菜和水果内部的酶灭活，用常规的开水或蒸汽处理，不仅维生素 C 和液体的损失都比较大，而且由于表面过热，使外形和味道也受到一定程度的影响。利用微波煮白，上述损失就要小得多。与常规技术相比，利用微波的优点是温升快，而常规方法的主要缺点是由于长时间地暴露在水或蒸汽中，将会由于水分及营养物的滤出而失重过多，但在过去，主要认为对于这种季节性的廉价产品，微波设备的成本过高，折中的办法是做成组合系统，即用常规方法将蔬菜加热到 60，然后在
33、蒸汽环境中再用微波迅速将其加热到 90，一台具有蒸汽注入的 20kW 的微波蔬菜煮白设备在英国制成后，每小时的处理速度约为 300kg。该系统需要蒸汽提供 20%的热量。与常规技术相比，组合系统的总处理时间减少，而且产品煮白均匀。国外开发的另一个项目是利用微波从肉、骨头和脂肪残渣中炼油，用来生产油脂及动物饲料。这种高级油脂可用来生产人造奶油和优质肥皂。在微波炼油中，一旦油脂开始熔化和被熔解，它们就会从微波设备中直接流出，这与用常规加压熬煮方法相反，在后一方法中，油脂要一直处理到最后才能从设备中取出，这样，就会使油脂降级。微波熬油实际上没有初始的水分蒸发，只是把脂肪从骨头中分离出来。一台 30k
34、W 功率的微波熬油机可以达到 1500kg/h 的产量，效率很高。在日本，报道了采用微波和热风组合的加热设备（频率为 915MHz，功率为 125kW）对快煮鸡蛋面作最后的干燥之用，它以每小时 600kg 的速度处理面条，使面条中的含水量从30%下降到 13%，而热风则维持在 80的温度。另一个成功应用的例子就是干燥紫菜一种具有良好风味的海藻产品。该产品像纸一样薄，只有 0.3mm，故在传送带上通过干燥机，用 12kW 的功率从大约每秒 6 张的速度处理，最后的含水量为 5%。最近 10 年来，我国在方便面的脱水干燥工艺中逐渐采用微波方法取代传统的油炸方法，收到了成效，节约了时间，提高了效率和
35、产品的质量。现在上海等沿海厂商正在增产这种用于方便面干燥的自动生产线，以供市场上的急需。在英国，报道了一台利用微波和热风组合的装置，在干燥洋葱中取得了显著的成效的事例。它先用常规热风将洋葱的含水量从 80%烘干到 10%，再利用微波使其含水量从 10%降到 5%。要知道在这一段含水量降低过程中，如果仍采用常规方法进行，那么其干燥过程将是十分漫长的，从而大大增加了能源成本。而采用微波加热技术方法后则要迅速得多，从而节约了 30%的能源成本，并使含菌量减小 90%。美国微波干燥公司研制了一条915MHz，60kW 的通心面干燥机，该机先用 7182的热风在 35min 内将面条的含水量降到18%左
36、右，然后采用微波加热方法，辅以温度为 8293、相对湿度为 15%20%的热风对流。利用微波快速升温，由里向外蒸发水分的优点，再用热风加速了表面水分的蒸发，在12min 内将含水量再降到 13%13.5%，最后进行冷却。该机组比原有设备节能 25%，加工时间从 8h 缩短到 1.5h。日本也有类似的产品。用上述设备加工的产品其色泽、口味、口感等都比传统方法的好，这类加工设备还可干燥薯片等食品。法国国际微波公司应用微波真空干燥生产速溶橘粉，它们设计了直径为 1.5m，长度12m，高达 3.3m 的圆柱形真空室，馈入 2450MHz，48kW 的微波功率，使用玻纤增强聚四氟乙烯输送带的连续隧道式微
37、波真空干燥机。其原理是先将含有 63%固形物的橘浆抽吸并涂在宽为 1.2m 的传送带上，堆高至 37mm，在 100016 000Pa 的低压强下输入微波功率，加热 40min，可使产品膨化到厚度为 80100mm，制成含水量为 20%的速溶橘粉。每小时产量为 49kg，年生产能力为 220t（吨）。该产品不仅保持了橘汁原有的颜色和风味，而且保留的维生素 C 含量是喷雾干燥方法不可能达到的。由此可见，微波加热方法的优点是其他任何传统加热方法无可比拟的。日本成功地用 16 个 2450MHz，5kW 的微波源干燥蛋黃粉。加工的方法是把浆料分布在传送带上，先用远红外线预热到 80，然后用微波加热，
38、使浆料膨化至 37cm 厚，再急剧冷却到 40，切碎后继续用常规方法干燥，最后制成蛋黄粉，每天产量可达 1t。我国在食品的微波加工和处理技术中应用更广泛。例如，南京某营养食品厂生产的天然花粉是一种高级滋补营养品，含有多种维生素及各种营养素，处理温度不能超过 60。传统方法的工艺是采用冷冻干燥和钴-60 放射线灭菌，生产效率低，能耗大，成本高。而采用 2450MHz，10kW 的隧道式微波干燥灭菌机后，实现了连续化生产，缩短了加工周期，提高了劳动生产率，效率提高了几十倍，节省电力 92.5%，加热均匀，产品质量好，具有低温灭菌效果，改善了劳动条件，减少了占地面积。利用微波对瓜子实现干燥喷香焙炒自
39、动化生产后，具有膨化均匀，无焦痕，酥脆，香味浓厚，无菌等优点，比远红外焙烤节能 50%，成为城乡人民喜好的传统炒货食品之一。此外，还在软糖、方糖、魔芋片、槟榔芋、豆腐皮、鱼片、鱼丸、可可粉、盐水鸭等许多传统风味食品领域做了大量可喜的试验和探索，有的已经成功并已进行批量生产，有的有待改进提高。采用微波处理不仅节能明显，而且具有杀菌功效，这种灭菌机理与传统的巴氏高温灭菌机理不同，属于低温灭菌范围，因此对食品的营养成分损失很小。在另一个工业领域即造纸工业中，很早就对纸张、浸渍纸、复合纸以及涂层油墨、胶合剂的微波干燥进行了大量研究，有的已成功地用于生产。用微波干燥纸张不仅速度快，而且由于微波具有选择性
40、加热的特点，而使水分自动调平，干燥均匀能保证印刷质量。用微波干燥树脂浸渍纸，由于其内外同时被加热，使纸内部的树脂聚合较快，很少流动到表层，因此分布比较均匀，提高了纸的内部黏结强度与表面耐磨性能，折曲性能也大大提高。利用微波和远红外组合机对瓦楞纸板进行干燥，不仅可以增加产量，提高产品质量，产品挺度和抗压强度都得到了提高，杀菌防霉效果明显，达到了外贸包装要求，并且大大节能。此外，在纸板电池生产、彩色印刷品上光干燥过去都是采用红外线烘干，上光油与纸张黏合性能差，表面有皱纹而且不平整，光亮度也不够，而采用 2450MHz，10kW 组合加热器后，产量质量提高，色彩鲜艳，提高了劳动生产率，在耗电量相同情
41、况下，产量提高了50%。在纺织工业中，微波的成功应用是印染固色，即在纤维中固定染料的颜色，使其不褪色。通常是将微波和饱和蒸汽一起把纺织纤维快速升温，在一定的温度和湿度条件下，使染料分子完全扩散到纤维内部，发生化学反应而结合，达到固色的效果。微波所需的能量仅为远红外的 20%，加工速度可提高 2.7 倍，而且各项物理指标色泽等都有一定程度的提高。我国一些工厂在染料、化肥、药品特别是中成药的干燥灭菌工艺中积累了丰富的经验，特别是最近若干年来，微波在中药和一些植物根茎的萃取和提取工艺中取得了惊人的进展，有的已有成套提取装置在药械市场上销售。常规的提取原理是将天然产物与适当的溶媒混合加热，其中可溶性成
42、分在浓度差推动下，依靠热的作用，从物质内部逐步迁移到表面，再转移到溶媒中。而微波的提取技术则不同，当被提取物和溶媒共同处在微波电场中时，物质及溶媒分子都将受到微波场的作用，并将产生剧烈的分子运动，分子本身获得了巨大的能量（活化能），它们会挣脱周边环境的束缚，当环境存在浓度差时，可溶性分子在非常短的时间内，实现分子自内向外的迁移，从而完成提取过程。另外还有一种观点认为，强的微波电场可能会使某些分子的细胞壁穿透，从而使细胞膜内一些通常无法渗透出来的有效成分得以提取。除了像天麻、当归、薄荷、人参、灵芝中药外，还可对芥菜籽、花生、黄豆、芝麻、海带各种作物进行提取。近年来，在烟草工业中利用微波进行烟叶复
43、烤、烟丝及烟梗的膨化、烟草的灭虫、整捆烟叶的松包等技术中取得了突破，正在进行试生产和推广应用。这几项技术很多都具有自主知识产权，有些还申报了国家专利，对烟草工业的技术革新和品质提高都发挥了重要的作用。由于目前世界各国的烟厂，普遍采用将过去丢弃的烟梗等没有充分利用的原料重新利用，以减少资源的浪费，因此近年来，烟草行业已经采用许多能使烟梗膨化的技术和方法；但实验证明，采用微波膨梗技术效果很好，膨化后的膨化率很高，没有木质等异味，图 4-5、图 4-6 和图 4-7 中示出了利用微波膨化前后的对比照片。从照片中可以看出体积比超过 310 倍！膨化后的烟梗还要经过回潮、打碎、再烘干等一系列工序，与其他
44、烟丝一起混合后才能卷成烟支。图 4-5 烟梗膨化前的照片烟叶打包后运往烟厂进行进一步加工时遇到的第一个难题是，如何将加压打捆成近1m3体积的成梱烟叶松散开来？过去采用过不少方法，但效果不佳，破碎率高。几年前，我国某公司发明了利用微波方法来松包的技术，效果很好，效率高，烟叶完整，得到了烟厂的认可，目前已形成批量生产能力，为许多烟厂提供了这一松包新技术设备。图 4-8、图4-9 示出了微波松包机的外形，图上可见出口处的整梱烟包。图 4-10 示出了松散后的烟叶照片。可以看到这些烟叶的颜色和光泽都是非常漂亮的。图 4-6 烟梗膨化后的照片图 4-7 某根烟梗膨化前后的对比照片图 4-11 示出了烟草
45、薄片微波烘干设备，其微波功率连续可调，以适应不同含水量的烘干要求。在出口处配有水分仪，可对出口的物料含水量自动实时监控。这种设备适用于造纸法和辊压法制成的烟草薄片的均匀高效烘干，在烘干过程中能去除木质味及其他杂味，纯化烟草香味，使薄片起泡膨化，有利于提高填充值。这是微波方法所独有的。图 4-8 微波松散烟包的连续生产线（915MHz，200kW）图 4-9 在微波松包机经松包后在出口处的烟包图 4-10 经微波松包后自行落下的松散烟叶图 4-11 烟草薄片烘干机近年来，我国又在进行一种高效节能而又符合环保要求的修补公路沥青路面沟缝和坑洼的微波新方法，即微波再生沥青修补技术。这种方法早在 20
46、多年前就已在美国和法国出现，但未得到推广应用，原因不详。目前我国研发的微波方法显然与过去出现过的不同，不仅使用的频段不同，输出功率也大大超过国外的设备。它既适用于旧沥青路面沟缝和坑洼的修补，也可用于大面积老化沥青路面的重新铺设。其工序是用微波天线阵将沟缝局部路面烤软、剥离和破碎，加入少量新的沥青混合物后就地拌匀和摊铺，整形和压实，一次性完成路面的修补。其优点是可连续作业，一次性就可就地完成 20100cm 沟缝和坑洼路面的修补。微波可加热至 12.7cm 深，深部温度达到 93150，使新旧沥青混合料中的黏结剂熔化，其黏结强度远远超过传统的热搅拌法，还可节省 35%65%的材料及 40%50%
47、的能源，不会氧化沥青，施工过程中无环境污染，大大减轻了工人的劳动强度，并且还可不受环境和天气的影响，可在雨天和寒冷天气中作业，如图 4-12 所示。在这种专用的车上，必须配备有柴油发电机组，磁控管用高压电源，供磁控管阳极冷却用的水流的循环设备，以及其他的辅助设备。微波通过阵列式天线辐射器向地面定向辐射，同时也应防止微波的功率泄漏，因为在这类大型微波加热设备中，输出总功率可达 150200kW，不采取一定的隔离防范措施是很难保证满足对微波泄漏的国家标准的（即小于 5mW/cm2）。图 4-12 修补沥青路面的微波专用车当前，我国各地都在加快交通运输事业的发展，新公路特别是高速公路的大量修建，每年
48、需要返修和养护的里程数数量巨大，微波这一新技术的使用范围将得到大大的扩展。在工业应用中还有很多，如皮革、木材、木板、家具等的烘干，塑料发泡、尼龙丝的热定形，铸造工业中的砂芯干燥、精密石蜡铸造中的快速熔蜡、石膏模型的干燥，矿石或混凝土的破碎、矿山开采等领域都有微波加热发挥巨大效能的应用场所和市场。利用微波干燥砂芯可以大大缩短时间，减少固化剂的用量，改善劳动条件。对于复杂的砂型，可以采用分割制作的方法，然后用胶合剂粘接起来，并在加压条件下用微波在很短时间内加热接合。在精密石蜡铸造中，可以在蜡中掺入吸收微波性能较好的碳粉、铁磁粉、石墨粉等作为触媒剂，从而使得微波能够快速熔化石蜡。其优点是外壳破损率小
49、，质量上乘，石蜡容易回收。20 世纪 80 年代中后期，美国政府部门根据微波快速加热矿物能急剧膨胀产生热应力的机理，对矿石破碎试验取得明显效果。这种作业方法具有快速、节能、选择性加热、便于控制范围及加热速度等优点。这种方法使破碎效率从一般的火药破碎率为 1%5%、机械破碎效率的 15%20%提高到 60%70%，尤其适合于铁矿石的破碎。用微波法破碎岩石或混凝土还具有无声、无尘、无震的好处。此外，在煤的脱硫、油田开采、原油输送、原油乳化、废橡胶脱硫和炼油、炭黑生产、粉末冶金、化学工业中的催化、合成、萃取、消解中有的已经采用了微波方法并已投产，有的正在大力研发进行工艺试验。用微波处理化工产品，应用的范围极其广泛。在塑料制品的生产中，英国最早将微波用于泡沫塑料汽车坐垫的生产，近几年来利用微波生产传热率极差的发泡塑料的研究和发展更为迅速。日本东芝公司很早就将微波用于尼龙绳的热定形生产中。上海的企业也曾对降落伞绳-锦纶丝作热定形处理，从而解决了绳子延伸不均匀的技术难题，提高了产品技术等级，并曾获重大科研成果奖。总之，到目前为止，微波在工业中的应用领域正在不断拓宽，效益极为显著。这一新技术正在得到各行各业人们的关注和认可，相信它会成为微波功率应用的后起之秀，为国民经济的发
