1、僅供個人參考微波活性炭再生介紹1 一、概述本章將專門介紹微波在非通信領域中的應用。所謂非通信領域，指的是僅僅利用微波 功率和能量與物質的相互作用，使該物質產生物理或狀態上的變化，如加熱、脫水、干燥、 發泡、膨化、煮白、固色、燒結、焊接、焙燒、熔融、改性、沉積、燒蝕、殺菌、消毒、冶 煉、脫蠟、硫化、脫硫、萃取、消解技術領域，即利用微波功率在工業、農業、交通運 輸業、高新科技領域、醫療衛生事業等方面的非常廣泛的應用。在本章中將不涉及信息的交換、存儲、傳輸或傳播、信息的轉換等有關內容，因此純粹是一種微波功率的應用。由于電磁波頻譜資源的有限性，20世紀初人類發明了真空二極管和三極管后，從2030年代開

2、始，人們利用電磁波相繼發明了無線電通信、無線電廣播、電視、雷達、衛星通 信、移動通信、互聯網等，這些發明給人們的物質文明和精神生活帶來了巨大的變化。20世紀是無線電電子學蓬勃發展的黃金時代，前半葉是真空電子學和電子管時代，后半葉則是半導體和集成電路迅速發展的微電子時代。最后20年中，微機和光通信技術的興起，形成了兩個極具規模的龐大產業。從此，個人電腦和移動通信進入了空前高速發展的新時期。為了使這些應用互不干擾，“世界無線電大會”（一個國際性組織）對每一種無線電應用技術所使用的電磁波的頻率都規定了具體的范圍，不得超越。對于微波在非通信領域中的應用， 1966年在加拿大成立的“國際微波功率協會”規

3、定了工業、科學、醫療（ISM）可使用的頻率。1979年，世界無線電大會正式公布了這一國際標準，詳見表 4-1。表4-1工業、科學、醫療（ISM）使用的頻率目前世界上普遍采用其中的915MHz和2450MHz兩個主要頻率標準，我國也是如此；只有英國采用896MHz俄羅斯及東歐一些國家則采用2375MHz的頻率。回想一下世界上第一臺微波爐不正是使用 915MHz和 2450MHz這兩個工作頻率嗎？也許 IMPI正是考慮到這個歷史 事實，才制定了上述國際標準。由于移動通信的飛越發展，波段擁擠，不得不向上述兩個廣泛使用的民用頻率標準靠近，再加上藍牙技術的需要，915MHz和 2450MHz兩個波段正受

4、到愈來愈大的挑戰，今后會產生什么情況，目前還難以預測！2二、微波加熱原理自然界中任何物質（包括固體、液體、氣體）在微波電磁場的作用下，都會與其發生 相互作用，這種相互作用的效果是多種多樣的。例如物體被加熱，產生溫升，使物料脫水， 干燥，膨化，發泡，解凍，消解，萃取；使材料改性，可用于蔬菜煮白，食品滅菌；使橡膠 硫化或脫硫，可用于燒結，烘烤；使染料固色，可用做食物烹飪其中最重要和最主要的作用是微波加熱，其他許多作用都或多或少地與微波加熱有關。因此，在介紹微波的各種應用之前，有必要重點介紹一下微波加熱原理，這樣才能更好地理解微波有如此之多的神奇功效！作為材料的基本特性，包括它的機械性能、物理性能、

5、化學性能、介電特性等多種， 但對微波加熱而言， 其中介質的介電性能卻是最基本、 最主要的。 大家對介電特性又是最陌 生的，因此有必要對這一特性稍作詳細的介紹。 只有這樣才能弄清微波為什么能對一些物料 加熱？而對另一些物料加熱效果不好？有些物料則根本無法加熱， 像水、酒精、脂肪、 蛋白 質等在微波作用下能迅速升溫； 像玻璃陶瓷、 四氯化碳、 聚乙烯等在微波作用下能保持原有 的溫度，或只有微小的溫升；又像金屬這類導體， 微波卻從其表面上被反射回去了，無法進 入其中， 或只能進入極微小的厚度中。 這也就是為什么家用微波爐總是用各種金屬板如鍍鋅 鐵皮或不銹鋼板作為爐體材料， 而將爐門把加熱食物的微波屏

6、蔽在爐內， 不讓微波外泄的道 理所在。任何物質都是由分子組成的，而分子是由原子組成的，原子又由帶正電的原子核和環 繞原子核作高速旋轉運動的多層電子軌道組成的。在常態下，原子中的正負電荷總量相等， 正負電荷的重心重合， 因此對外不顯電性， 或者說是一種中性結構， 對由大量這種原子形成 的分子，當然也呈中性狀態，這是從外界感知的宏觀表象；但是， 當這些材料處在直流靜電 場或交變電場作用下又如何呢？先來看一下在直流靜電場（即對時間是不變的固定的電場， 例如在兩塊平板金屬間夾有一層一定厚度的材料時， 如在兩金屬板上加上直流電壓， 其中建 立起來的電場即稱為靜電場） 作用下， 材料中的分子、 原子及電子

7、會發生什么樣的變化呢？1）在外加直流靜電場作用下， 原子中外層軌道上的電子云相對原子核產生了相對位移， 這種位移的結果使原子中正負電荷的重心重合狀態發生了改變， 導致了重心的偏離。 換句話 說，正電荷的原子核和外層軌道上眾多電子的物理重心不再相互重合了， 因而對外呈現出這 種由于正負電荷重心不重合而出現的偶電矩 （或稱為偶極子） ，這一電學過程稱之為 “極化”， 并且為了與下述其他極化相區別，這里將上述過程稱為“電子極化”現象。這種極化產生的 偶電矩對外電場非常敏感，建立和消除極化的時間都極短，約為10?1610?15s左右，也就是說此時間與光波的周期相當。 因而，人們有時把這種極化又稱為 “

8、光極化”或“光頻極化” 。 任何物質， 不管是固體、 液體或氣體都會產生這種極化。 由于這種極化發生在光學頻段，因 此在微波波段不會產生與微波的相互作用。2）另一種極化稱之為“原子極化”或“離子極化”，這是一種在外電場作用下由原子團或離子相對位移引起的。建立或消除時間與晶格振動具有相同的數量級，即約為10?1310?12?s,比電子極化時間略長。因此，處在可見光外的紅外線光頻上，仍稱為“光頻極化”。由于離子相對位移只產生于固體的離子晶體中，因而液體和氣體是不會產生離子極化的。3）第三種極化稱為“偶極子極化”，它是一種只在極性電介質中才會有的極化現象。在無外電場作用下， 這類材料中分子本身正負電

9、荷分離， 并且具有一定大小的偶電矩， 只不 過這時由于偶極子雜亂無章隨機地分布著， 如圖 4-1 所示。 這樣就導致了這些本身具有偶電 矩的偶極子從宏觀角度看仍然呈現中性狀態， 是一種不帶任何電性的材料。 然而在外電場作 用下，這些微觀具有電性的偶極子卻受到外電場力的作用， 迫使其順著電場方向整齊地排列 起來。 這樣不僅從微觀角度出發，還是從宏觀角度出發，都會發現材料具有極強的極性。由于這種極化過程是由偶極子轉向產生的， 因此又稱這種極化為 “轉向極化” 或叫做 “偶極子 極化”。此極化建立或消除時間約在10?1210?6?s之間，正好處在微波波段的周期之內。由此可見，在高頻和微波波段，材料的

10、轉向極化是該波段內的主要極化形式，是最為關注的。圖 4-1 無外場時的偶極子分布下面再來討論一下在交變電場作用下，上述這些極化又是如何建立和消除的呢？任何極化都需要一定的時間，從上述敘述中已經看到，電子極化和原子極化所需的時 間都是非常短促的，都相當于從紅外線到可見光的頻率范圍；但偶極子轉向時間相對較長， 正好處于高頻和微波的頻率范圍內， 當這些波段的交變電場忽正忽負忽大忽小地變化時， 分 子中的偶極子就要跟隨外電場的變化而變化，如圖 4-2 所示。圖 4-2 存在交變場時偶極子的旋轉運動也就是說，在這種外電場作用下，分子中的偶極子開始旋轉起來，力圖適應外電場的 這種變化， 但由于排列需要一定

11、的時間（盡管這一時間很短） ，在重新排列的過程中總是不 能同步地旋轉，會產生一定的時間滯后（相當于慣性作用），于是就會出現下列幾種情況：（1）當頻率較低時，這種旋轉完全跟得上外電場的變化，因此在偶極子旋轉過程中相 互摩擦引起的損耗較小； 當頻率變得很高時， 偶極子完全跟不上外電場的變化， 只好在原處 保持不動， 這時的摩擦損耗也趨近于零。 只有在頻率的某一特定范圍內， 這種轉向損耗才會 達到一個最大值。（2）對于單原子、雙原子及具有對稱結構的多原子氣體，都是各向同性的介質，在常 溫常壓下，分子間距大，相互作用小，因此是一種非極性介質，只存在光頻段的電子極化， 不存在離子極化和轉向極化，在微波波

12、段介質損耗可以忽略不計。（3）對于液體和固體來說， 要看它們分子的尺寸和對稱性。 存在電荷對稱中心的分子， 如氬、碳、四氯化碳、四氟化碳、甲烷、丙烯等都是非極性分子，因此沒有偶電矩，這些材 料在微波電磁場中是不會被加熱的。此外，像聚乙烯、聚四氟乙烯、石蠟、地蠟、玻璃、陶 瓷、云母、聚異丁烯、未硫化的橡膠、 礦物油等也都是非極性物質， 但是像水、 酒精、尿素、 丙酮、動植物膠、血紅蛋白、丙種血清擬球蛋白等都是極性分子，它們沒有電荷對稱性，因 而呈現出很強的偶電矩。在固體材料中，像聚氯乙烯、纖維、酚醛樹脂等都是極性材料，在 微波電場作用下，它們會呈現出很高的介質損耗。作為家用微波爐里使用的微波餐具

13、就應當選用像聚乙烯、聚丙烯、玻璃、陶瓷這類無 毒低損耗的非極性介質材料來做，當然， 各種家用瓷具（只要不鑲金銀邊、 表里不印彩畫上 釉）都可作為優選的對象。講到這里，大家可能明白了這樣一個事實：利用微波來加熱物料，有一個前提，這就 是該材料必須是極性或強極性的介質， 像金屬導體材料或其他非極性材料， 甚至是弱極性材 料都是很難用微波來加熱的。好在目前工農業產品中，大多數物料都含有不同程度的水分， 如木板、皮革、棉紗、布匹、紙張、煙草、茶葉、糧食這些物料在微波作用下是能很好 吸收微波功率的。 正是由于這種微波的 “熱效應” ，使它目前在工農業生產、 科學技術研究、 醫療衛生事業中都得到了廣泛的應

14、用。圖 2-34 幾種不同結構的匹配負載（五）阻抗調配器阻抗調配器是專門用來調節不匹配負載使其從調配器前看進去的駐波系數接近于1，即接近匹配的程度（盡管負載本身是不匹配的）的一種專用元件。因為在實際的微波系統中， 不論是工業微波爐，還是各種諧振腔，它們總的來說是不匹配的。圖 2-35 波導三銷釘阻抗調配器調配器的結構如圖 2-35 所示。 從圖中可以看到， 波導調配器是一種在波導管寬邊中心 部位，從上向下伸入波導中的三根具有一定粗細的金屬銷釘組成的， 每根金屬銷釘的插入深 度都可單獨調節（既可手調，也可用小馬達自動調節）。三銷釘互相配合調節，使調配器前 的駐波調至最小為止， 這時， 為了配合調

15、節， 在調配器前必須加接一個可取樣反射波信號的 定向耦合器，以便指示反射功率的大小。（六）各種彎波導在連接實際波導系統時，經常遇到需要轉彎的問題。本來波導也是一種傳輸線，與低 頻時的導線一樣， 但波導是由金屬管制成的， 具有剛性， 需要轉彎時就不是那么容易和簡單 了，為此，專門制作了各種供轉彎用的彎曲波導，通稱“彎波導”。彎波導用得最多的是 90°轉彎的彎波導，如圖2-36所示。圖中（a）、（ b）為波導窄邊彎曲 90°的稱為“ E面彎波導”；圖中（c）、（ d）為波導寬邊彎曲90°的稱為“ H面彎波導”。圖 2-36 兩種 90°彎波導（七）過渡波導在

16、波導系統中，有時需要將兩種不同規格的波導連接起來，如BJ-22 與 BJ-26 之間的連接是經常碰到的，由于這兩種波導都可傳輸2450MHz的微波信號，但兩個波導的尺寸a和b都不相同，為此，必須在這兩個波導之間加接一段過渡波導。換句話說，這個波導一端為BJ-22的尺寸，而另一端則為 BJ-26的大小，如圖2-37（a）所示，中間一段波導的截面 尺寸a和b從一個標準逐漸變化至另一標準。圖2-37（ b）中示出一種一端為矩形波導，另一端為圓波導時的特制的方圓過渡波導。 即一端為圓截面的波導， 另一端為矩形波導， 這種 過渡波導通常用電鑄法制造。其截面由圓形逐漸變換成矩形。圖 2-37 兩種過渡波導

17、3 三、微波加熱的特點和優點上面簡單介紹了微波加熱的基本原理，下面再來看一下這種利用材料的偶極子旋轉產 生的摩擦損耗。從微波中吸收微波功率達到溫升和加熱的過程顯然與常規的加熱方法不同。 普通的加熱方法是被加熱的物料從外部吸收熱傳導或熱輻射過來的熱能，使表面溫度不斷上升，這一溫度將向物料的內部傳遞， 因此是一個由表及里的溫升過程。 這時水分開始從表面 蒸發， 內部水分則慢慢地從內向外擴散到表面， 加熱過程的推動力是內外間的溫度差， 通常 需要很高的溫度來形成這一所需的溫度差， 熱傳導的推動力則是物料內部和表面之間的濃度 差。微波加熱干燥過程中，電磁波滲透至物料內部（滲透深度及物料的介電特性與微波

18、的 工作頻率有關） ，由于介質損耗產生熱量， 這時傳導的推動力則是物料內部迅速產生的蒸汽 所形成的壓力差。如果物料開始很潮濕（含水量很高），物料內部的壓力就很快地升高，這 時液體可能在壓力差的作用下從物料中排出。 初始濕度愈大， 壓力差對水分排除的影響也愈 大。也就是說具有一種“泵”的效應，它會驅使液體流向表面。由此可以看出，微波干燥脫 水過程與傳統的加熱干燥脫水過程存在著明顯差別。 正是由于這樣一個特點， 微波加熱因此 具有下列許多與眾不同的特點：（1）加熱速度快。 由于微波加熱基本上是里外一起整體 （太厚的物體除外） 地被加熱， 除非電磁波滲透不進去，或滲透深度不夠，這種加熱方法與熱風、燃

19、氣、蒸汽、電熱、遠紅 外等加熱方法相比，速度要快得多，通常為數倍至數十倍甚至更高。（2）加熱效率高， 省電節能。 由于微波加熱是電磁波直接與物料分子相互作用的結果， 而不像常規熱輻射或熱傳導的方法會使一部分熱能無為地浪費掉， 微波在空氣中傳播時的損 耗是很小的（在短距離內），能量損耗主要集中于物料體積內，加上微波功率轉換效率高， 因此可節省電能消耗，提高經濟效益。（3）加熱均勻。微波加熱原理決定了物料的溫升過程與常規方法不同，后者的溫度分 布是外熱內冷； 而微波加熱方法會使里外溫差保持相當低的水平， 有時甚至會產生內部溫度 高于表面溫度的情況。因此從總體上來說，微波加熱產生的溫度要均勻得多。（

20、4）選擇性加熱。對不同物質或不同含水量的物料在微波加熱過程中產生的溫升是不 同的，含水量愈大，加熱愈快；反之，則愈慢。這就是通常所說的選擇性加熱效應。最簡單 的一個例子就是將食品放在微波爐中加熱或烹飪時， 食品被加熱或燒熟了， 而盛放食品的容 器及旋轉的底盤卻仍然是冷的，這就是微波選擇性加熱的結果。（5）加熱過程的即時控制性。微波加熱控制起來非常迅速方便，具有即時性。換句話 說，打開微波設備的電源開關， 微波立即產生并開始對物料加熱， 完全沒有其他加熱方法那 樣具有熱慣性。 當將微波電源關閉后，微波立即消失，加熱過程立即停止。 這在很多加熱應 用時非常有用，也是用其他方法加熱無法做到的。（6）

21、提高產量、 質量和檔次。 由于微波加熱時物體表面溫度不會太高， 不會產生過熱、 結殼或焦化現象，這對一些物體表面外形或顏色要求較高的應用場合非常有利。（7）微波的物（理）化（學）效應。微波加熱時會產生一定的物化效應，因此，目前 除了直接利用熱效應去作為加熱、脫水、干燥、回原、煮白、滅菌、消毒、固色等應用外， 還利用這種特有的物化效應去作為膨化、 蛋白質變性、化學萃取、 消解、 淀粉膠化等物化領 域中的應用。（8）環境保護好、 改善勞動條件。 由于微波加熱時除物料升溫外， 整個設備溫度不高， 人工操作自動化程度較高，環境溫度低，操作簡單，可靠性高，符合環保要求，因此大大改 善了勞動條件。（9）占

22、地面積小、節省投資。由于微波加熱設備體積小，只需一定功率大小的電源， 因此在使用時占地面積小，可大大節省投資成本。（10）維護成本低。微波加熱設備在長期運行時，主要維護成本是微波電源，即產生 大功率微波的電子管 磁控管。一般情況下，磁控管的正常工作壽命可達數千小時甚至 更長。4 四、微波對活性炭再生的影響微波對活性炭再生的影響，使用未處理的用于空白實驗。使用微波加熱用于改性活性 炭的制備和再生， 活性炭經過多次吸附滿載后再生測試有效在生率， 為什么要做這種研究呢。代表主要工業污染之一的廢水排放。由工業生產的危險有機廢物中， 酚類化合物是產生的最常見的有機化合物。酚類是危險的有機污染物，因為它們

23、即使在低濃度下也是有毒的。 這些酚類化合物通常具有在飲水低閾值，并且還具有對人體健康不利影響。 一個用于吸附或保留污染的最重要的和更有效的技術是吸附。 中通常用作吸附劑， 活性炭材料是最常用的材 料之一， 由于它們的高孔隙。 吸附通過活性炭 (AC) 是一個成熟的技術廣泛用于廢水凈化。 但 是活性炭是消耗品， 他們在長時間的吸附污染物會導致吸附滿載， 從而降低了最終的吸附能 力和再生的效率。這個時候活性炭就需要再生和更換了。近年來，由于分子級加熱的能力， 微波(MW照射作為再生工具引起了關注。有趣的報道已經出現在MW加熱技術的應用再生活性炭，產生結果非常有研究性。準備研究材料試劑和儀器粒度為

24、0.1-1.1mm ，Cl(%)= 0.025 和 Pb(%)= 0.005 ， Fe(%)= 0.02 的顆粒活性炭 pH 值(50g / l , 25C )= 5.0-70 , Zn(%)= 0.05，酚固體0.1g在蒸餾水中稀釋成 1000ppm的溶 液并稀釋得到不同濃度的溶液。Cu(NO3) H 2 O和Ni(NO 3)H 2O使用電子天平(JJ 1,000 ,最大1,000克高效液相色譜(HPLC)(LC-10UV，裝備有UV檢測器(UV-1575)和C18反相柱 (250 X 4.6mm 5_mODS采用磁力攪拌器攪拌苯酚溶液，同時設定溶液溫度，用pH計PH-3C測定pH值。改良的

25、家用微波爐的實驗裝置該實驗裝置是一種經改良的家用微波爐，其工作頻率為 2,540MHz 。改變微波爐以將氮引入錐形石英玻璃中。 氮氣瓶與流量計連接 (圖1) 。錐形石英玻璃用作每個實驗的反應器。 將制備的改性活性炭在室溫下在氮氣保護下冷卻，并從微波爐中取出，用于下一個實驗。活性炭的再生實驗在 250 毫升的錐形石英玻璃中進行 （圖 1） 。圖中顯示了用于再生活性炭的實驗裝 置（圖1） 。再生之后，活性炭根據最優化的吸附條件。在這些條件下，活性炭的再生在幾次 吸附之后進行 1 至 10 次再生循環幾次。 活性炭的再生在氮氣流下進行 （圖 1） 以避免活性炭 的破壞。 在我們以前的研究中， 我們調

26、查了改性活性炭的微波再生的最佳條件。 活性炭根據 最佳條件進行再生。表示如此制備的改性活性炭的照片。如下圖所示 （圖2） ，不同的活性炭呈現不同的顏 色。如圖所示，裝有鎳的活性炭著色為藍色 （圖 2） 。但是裝載有銅的活性炭以紅褐色表示， 并且為了比較， 簡單地用微波輻射處理的活性炭在與未處理的活性炭相同顏色的黑色上著色。 這些結果表明負載有銅和鎳的活性炭的顏色不是微波照射的結果， 而是通過在活性炭微孔中 加載金屬的事實， 并且每種顏色分別表示負載在金屬內部的金屬的性質活性炭微孔。 準備好 的直接用于下一次使用。再生時間的影響活性炭的再生是非常關鍵的問題。已經進行了許多研究來優化活性炭高再生效

27、率的條 件。本文研究了不同類型改性活性炭微波再生的最佳條件，選擇活性炭 / Ni 和活性炭 / Cu 作為改性活性炭。 （圖2） 。再生效率取決于微波照射時間 （圖 3） 。當照射功率設定為 700W 時，獲得最高的再生效率。在最低的微波照射功率下，再生效率沒有顯著提高（圖 3） 。選定的時間分別為 3,5,8,13 和 20 分鐘。活性炭再生效率隨著照射時間的增加而增加（圖3） 。經過研究發現了活性炭再生的最佳條件。在 700 W 微波照射功率和 3 min 照射時間 下，改性活性炭的再生效率可達 98% 左右。5 五、微波在工業中的應用根據上面簡單介紹的微波加熱原理及其許多特點，這一高效節

28、能的獨特的加熱方法正 與其他許多傳統的加熱方法（如蒸汽加熱、熱風加熱、紅外或遠紅外加熱等）一起在加熱、 干燥、脫水、煮白、膨化、松散、定形、固色、成形、滅菌、硫化、脫硫、燒結、催化、萃取、消解、合成、材料改性、熔解領域中發揮著巨大的作用。在一定的條件下，采用微 波加熱方法的優點明顯超過其他傳統方法，因而在最近1020年內，它在國民經濟中的作用和地位將逐步得到更多工業領域的認同和肯定。 尤其是從改革開放以來， 舊有的工業企業 不斷得到改造， 設備更新，在采用新技術提高效益的同時，人們更重視節能和環保，而微波 加熱方法卻既能做到節能， 又能做到環保， 因此目前設計制造生產微波加熱各種設備的工業 企

29、業不斷涌現出來， 幾大公司生產的家用微波爐幾乎占據了世界同類產品總產量的70%以上，而且這一比例還在不斷增加，價格低廉，受到了國內外用戶的歡迎。談到微波加熱及其在工農業和醫療衛生事業中的應用，不得不回顧一下這一新技術在 我國的發展歷史。早在 20 世紀 70 年代初，上海、南京等沿海城市中的幾個電子管廠率先研制出了微波 加熱設備中的心臟部件即微波電子管 磁控管，與此同時，這些工廠及一些研究所也相 互配合進行了一些在工業中應用的探索。例如上海輕工業研究所與上海燈泡廠合作，設計一套45kW的微波功率設備（隧道式微波干燥機） 用于上海兒童食品廠的乳兒糕 （一種嬰兒吃的糧食制品）生產線上。該生產線原

30、采用蒸汽烘干，技術落后，廠房占地大，工人勞動強度高；采用微波加熱方法后，占地面積 大大縮小，環境清潔，加熱烘干效率大大提高。原來的熱風干燥需68h （小時），采用微波加熱方法后，只需 9min （分鐘）的極短時間，還解決了產品破碎以及易于酸敗等許多問 題，同時還實現了生產過程的自動化，節省了50%的勞動力。唯一的不足是生產成本提高了（主要是生產設備的投資成本）。當時，為了宣傳和推廣微波新技術在輕工行業中的應用， 上海市有關部門還請上海科學教育電影制片廠專門為該車間拍了科教紀錄片。美國、英國等西方發達國家在 20世紀 7080年代，首先在食品和橡膠這兩個行業中 開始使用微波加熱方法， 在對它們的

31、主食面包的發酵和烘烤， 油炸食品， 蔬菜的煮白， 雞肉、 熏肉、火腿、鯡魚、土豆片、肉餡等進行微波烹調和加工中取得了良好效益，對深度冷凍的 肉制品的回原和解凍中效果顯著。對汽車輪胎的預加熱，對橡膠條的硫化（使橡膠具良好彈性的一種必要的加工處理技 術）是微波最具有優勢的一種處理方法。 在橡膠硫化中， 由于微波加熱是體積加熱，它與常 規硫化方法不同， 溫度上升速率不再取決于橡膠表面上的熱流情況； 根據產品的厚度， 微波 加熱橡膠可以比常規加熱方法快上幾十甚至上百倍， 從而大大縮短了處理時間， 生產率的提 高是通過低耗地增加流水線的速度來實現的。 我國從 20 世紀 80 年代初開始相繼從國外引進

32、了一些微波橡膠硫化設備，不久后，自行研發成功的相應設備也應用在一些工廠中，目前， 已有很多廠家能夠生產這類設備。 橡膠行業應該說是微波技術應用得最為成功、 效益最為明 顯的一個行業之一。 最近幾年， 我國的汽車工業快速發展，因此， 像橡膠密封條等汽車配件 量將會大量增加，這就使得在橡膠硫化技術中處于優勢的微波橡膠硫化設備供不應求。圖 4-3 為橡膠微波硫化設備，圖 4-4 為微波解凍設備。圖 4-3 微波橡膠硫化設備圖 4-4 微波解凍設備在國外，微波另一種長期持久的應用是對蔬菜的煮白。所謂煮白就是中止蔬菜中酶的活動， 否則在儲存期中會降低蔬菜質量。 通常， 蔬菜和水果在冷凍前都需要用開水或蒸

33、汽煮白，其目的是使過氧化氫酶和過氧化物酶滅活。 因為它們是蔬菜中最耐熱的氧化酶， 由于它 們的存在， 會使冷凍或解凍后的產品產生顏色和口感風味上的變化。 研究表明， 為使蔬菜和 水果內部的酶滅活，用常規的開水或蒸汽處理，不僅維生素C和液體的損失都比較大，而且由于表面過熱， 使外形和味道也受到一定程度的影響。 利用微波煮白， 上述損失就要小得多。 與常規技術相比， 利用微波的優點是溫升快， 而常規方法的主要缺點是由于長時間地暴露在 水或蒸汽中， 將會由于水分及營養物的濾出而失重過多， 但在過去， 主要認為對于這種季節 性的廉價產品， 微波設備的成本過高， 折中的辦法是做成組合系統， 即用常規方法

34、將蔬菜加 熱到60C，然后在蒸汽環境中再用微波迅速將其加熱到90C, 臺具有蒸汽注入的 20kW的微波蔬菜煮白設備在英國制成后，每小時的處理速度約為 300kg。該系統需要蒸汽提供 20%的熱量。與常規技術相比，組合系統的總處理時間減少，而且產品煮白均勻。國外開發的另一個項目是利用微波從肉、骨頭和脂肪殘渣中煉油，用來生產油脂及動 物飼料。 這種高級油脂可用來生產人造奶油和優質肥皂。 在微波煉油中， 一旦油脂開始熔化 和被熔解，它們就會從微波設備中直接流出，這與用常規加壓熬煮方法相反， 在后一方法中，油脂要一直處理到最后才能從設備中取出，這樣， 就會使油脂降級。 微波熬油實際上沒有初始的水分蒸發

35、，只是把脂肪從骨頭中分離出來。一臺30kW功率的微波熬油機可以達到1500kg/h 的產量，效率很高。在日本，報道了采用微波和熱風組合的加熱設備（頻率為915MHz功率為125kW）對快煮雞蛋面作最后的干燥之用，它以每小時 600kg 的速度處理面條，使面條中的含水量從 30蝦降到13%而熱風則維持在 80 C的溫度。另一個成功應用的例子就是干燥紫菜一一一 種具有良好風味的海藻產品。該產品像紙一樣薄，只有0.3mm,故在傳送帶上通過干燥機，用12kW的功率從大約每秒 6張的速度處理，最后的含水量為5%最近10年來，我國在方便面的脫水干燥工藝中逐漸采用微波方法取代傳統的油炸方法,收到了成效,節約

36、了時間, 提高了效率和產品的質量。 現在上海等沿海廠商正在增產這種用于方便面干燥的自動生產線, 以供市場上的急需。在英國,報道了一臺利用微波和熱風組合的裝置,在干燥洋蔥中取得了顯著的成效的 事例。它先用常規熱風將洋蔥的含水量從80%烘干到 10%,再利用微波使其含水量從10%降到 5%。要知道在這一段含水量降低過程中,如果仍采用常規方法進行,那么其干燥過程將 是十分漫長的, 從而大大增加了能源成本。 而采用微波加熱技術方法后則要迅速得多, 從而 節約了 30%的能源成本,并使含菌量減小90%。美國微波干燥公司研制了一條915MHz, 60kW的通心面干燥機，該機先用7182C的熱風在35min

37、內將面條的含水量降到 18%右，然后 采用微波加熱方法，輔以溫度為8293C、相對濕度為15%20%的熱風對流。利用微波快速升溫, 由里向外蒸發水分的優點, 再用熱風加速了表面水分的蒸發, 在 12min 內將含水量 再降到13%13.5%,最后進行冷卻。該機組比原有設備節能 25%加工時間從8h縮短到1.5h。 日本也有類似的產品。用上述設備加工的產品其色澤、口味、口感等都比傳統方法的好,這類加工設備還可干燥薯片等食品。法國國際微波公司應用微波真空干燥生產速溶橘粉，它們設計了直徑為1.5m,長度12m,高達3.3m的圓柱形真空室，饋入 2450MHz 48kW的微波功率，使用玻纖增強聚四氟乙

38、烯輸 送帶的連續隧道式微波真空干燥機。其原理是先將含有63%固形物的橘漿抽吸并涂在寬為1.2m的傳送帶上，堆高至37mm在100016 000Pa的低壓強下輸入微波功率， 加熱40min , 可使產品膨化到厚度為 80100mm制成含水量為20%的速溶橘粉。每小時產量為49kg，年生產能力為 220t （噸）。該產品不僅保持了橘汁原有的顏色和風味，而且保留的維生素C 含量是噴霧干燥方法不可能達到的。 由此可見， 微波加熱方法的優點是其他任何傳統加熱方 法無可比擬的。日本成功地用16個2450MHz 5kW的微波源干燥蛋黃粉。加工的方法是把漿料分布在傳送帶上，先用遠紅外線預熱到80C，然后用微波

39、加熱，使漿料膨化至37cm厚，再急劇冷卻到40C，切碎后繼續用常規方法干燥，最后制成蛋黃粉，每天產量可達1t。我國在食品的微波加工和處理技術中應用更廣泛。例如，南京某營養食品廠生產的天然花粉是一種高級滋補營養品，含有多種維生素及各種營養素，處理溫度不能超過60 C。傳統方法的工藝是采用冷凍干燥和鈷 -60 放射線滅菌，生產效率低，能耗大，成本高。而采 用2450MHz 10kW的隧道式微波干燥滅菌機后，實現了連續化生產，縮短了加工周期，提高了勞動生產率，效率提高了幾十倍，節省電力 92.5%，加熱均勻，產品質量好，具有低溫滅 菌效果，改善了勞動條件，減少了占地面積。利用微波對瓜子實現干燥噴香焙

40、炒自動化生產后， 具有膨化均勻， 無焦痕， 酥脆， 香味濃厚，無菌等優點，比遠紅外焙烤節能50%，成為城鄉人民喜好的傳統炒貨食品之一。此外，還在軟糖、方糖、魔芋片、檳榔芋、豆腐皮、魚片、魚丸、可可粉、鹽水鴨等 許多傳統風味食品領域做了大量可喜的試驗和探索， 有的已經成功并已進行批量生產， 有的 有待改進提高。 采用微波處理不僅節能明顯， 而且具有殺菌功效， 這種滅菌機理與傳統的巴 氏高溫滅菌機理不同，屬于低溫滅菌范圍，因此對食品的營養成分損失很小。在另一個工業領域即造紙工業中，很早就對紙張、浸漬紙、復合紙以及涂層油墨、膠 合劑的微波干燥進行了大量研究， 有的已成功地用于生產。 用微波干燥紙張不

41、僅速度快， 而 且由于微波具有選擇性加熱的特點， 而使水分自動調平， 干燥均勻能保證印刷質量。 用微波 干燥樹脂浸漬紙，由于其內外同時被加熱，使紙內部的樹脂聚合較快，很少流動到表層，因此分布比較均勻，提高了紙的內部黏結強度與表面耐磨性能，折曲性能也大大提高。利用微波和遠紅外組合機對瓦楞紙板進行干燥，不僅可以增加產量，提高產品質量， 產品挺度和抗壓強度都得到了提高， 殺菌防霉效果明顯， 達到了外貿包裝要求， 并且大大節此外，在紙板電池生產、彩色印刷品上光干燥過去都是采用紅外線烘干，上光油與紙張黏合性能差，表面有皺紋而且不平整，光亮度也不夠，而采用2450MHz 10kW組合加熱器后，產量質量提高

42、， 色彩鮮艷， 提高了勞動生產率， 在耗電量相同情況下， 產量提高了 50%。 在紡織工業中， 微波的成功應用是印染固色， 即在纖維中固定染料的顏色， 使其不褪色。通 常是將微波和飽和蒸汽一起把紡織纖維快速升溫， 在一定的溫度和濕度條件下， 使染料分子 完全擴散到纖維內部， 發生化學反應而結合， 達到固色的效果。 微波所需的能量僅為遠紅外 的 20%，加工速度可提高 2.7 倍，而且各項物理指標色澤等都有一定程度的提高。我國一些工廠在染料、 化肥、藥品特別是中成藥的干燥滅菌工藝中積累了豐富的經驗， 特別是最近若干年來，微波在中藥和一些植物根莖的萃取和提取工藝中取得了驚人的進展， 有的已有成套提

43、取裝置在藥械市場上銷售。 常規的提取原理是將天然產物與適當的溶媒混合 加熱， 其中可溶性成分在濃度差推動下， 依靠熱的作用， 從物質內部逐步遷移到表面， 再轉 移到溶媒中。 而微波的提取技術則不同， 當被提取物和溶媒共同處在微波電場中時， 物質及 溶媒分子都將受到微波場的作用， 并將產生劇烈的分子運動， 分子本身獲得了巨大的能量 （活 化能），它們會掙脫周邊環境的束縛， 當環境存在濃度差時， 可溶性分子在非常短的時間內， 實現分子自內向外的遷移， 從而完成提取過程。 另外還有一種觀點認為， 強的微波電場可能 會使某些分子的細胞壁穿透，從而使細胞膜內一些通常無法滲透出來的有效成分得以提取。 除了

44、像天麻、當歸、薄荷、人參、靈芝中藥外，還可對芥菜籽、花生、黃豆、芝麻、海 帶各種作物進行提取。近年來，在煙草工業中利用微波進行煙葉復烤、煙絲及煙梗的膨化、煙草的滅蟲、整 捆煙葉的松包等技術中取得了突破， 正在進行試生產和推廣應用。 這幾項技術很多都具有自 主知識產權， 有些還申報了國家專利， 對煙草工業的技術革新和品質提高都發揮了重要的作 用。由于目前世界各國的煙廠， 普遍采用將過去丟棄的煙梗等沒有充分利用的原料重新利用， 以減少資源的浪費， 因此近年來， 煙草行業已經采用許多能使煙梗膨化的技術和方法； 但實 驗證明，采用微波膨梗技術效果很好，膨化后的膨化率很高，沒有木質等異味，圖 4-5 、

45、圖 4-6和圖4-7中示出了利用微波膨化前后的對比照片。從照片中可以看出體積比超過310倍！膨化后的煙梗還要經過回潮、打碎、 再烘干等一系列工序，與其他煙絲一起混合后才能 卷成煙支。圖 4-5 煙梗膨化前的照片煙葉打包后運往煙廠進行進一步加工時遇到的第一個難題是，如何將加壓打捆成近 1m3體積的成梱煙葉松散開來？過去采用過不少方法， 但效果不佳，破碎率高。 幾年前，我國某 公司發明了利用微波方法來松包的技術， 效果很好， 效率高，煙葉完整， 得到了煙廠的認可， 目前已形成批量生產能力，為許多煙廠提供了這一松包新技術設備。圖4-8 、圖 4-9 示出了微波松包機的外形，圖上可見出口處的整梱煙包。

46、圖 4-10 示出了松散后的煙葉照片。可以 看到這些煙葉的顏色和光澤都是非常漂亮的。圖 4-6煙梗膨化后的照片圖 4-7某根煙梗膨化前后的對比照片圖 4-11示出了煙草薄片微波烘干設備，其微波功率連續可調，以適應不同含水量的烘干要求。 在出口處配有水分儀， 可對出口的物料含水量自動實時監控。 這種設備適用于造紙 法和輥壓法制成的煙草薄片的均勻高效烘干，在烘干過程中能去除木質味及其他雜味， 純化煙草香味，使薄片起泡膨化，有利于提高填充值。這是微波方法所獨有的。圖 4-8 微波松散煙包的連續生產線（ 915MHz， 200kW）圖 4-9 在微波松包機經松包后在出口處的煙包圖 4-10 經微波松包

47、后自行落下的松散煙葉圖 4-11 煙草薄片烘干機近年來，我國又在進行一種高效節能而又符合環保要求的修補公路瀝青路面溝縫和坑 洼的微波新方法，即微波再生瀝青修補技術。這種方法早在 20 多年前就已在美國和法國出 現，但未得到推廣應用， 原因不詳。 目前我國研發的微波方法顯然與過去出現過的不同，不 僅使用的頻段不同， 輸出功率也大大超過國外的設備。 它既適用于舊瀝青路面溝縫和坑洼的 修補，也可用于大面積老化瀝青路面的重新鋪設。 其工序是用微波天線陣將溝縫局部路面烤 軟、剝離和破碎，加入少量新的瀝青混合物后就地拌勻和攤鋪，整形和壓實，一次性完成路 面的修補。其優點是可連續作業，一次性就可就地完成20

48、100cm溝縫和坑洼路面的修補。微波可加熱至12.7cm深，深部溫度達到 93150C，使新舊瀝青混合料中的黏結劑熔化，其黏結強度遠遠超過傳統的熱攪拌法，還可節省35%- 65%勺材料及40% 50%勺能源，不會氧化瀝青， 施工過程中無環境污染， 大大減輕了工人的勞動強度， 并且還可不受環境和天氣 的影響，可在雨天和寒冷天氣中作業，如圖 4-12 所示。在這種專用的車上，必須配備有柴 油發電機組， 磁控管用高壓電源， 供磁控管陽極冷卻用的水流的循環設備， 以及其他的輔助 設備。 微波通過陣列式天線輻射器向地面定向輻射， 同時也應防止微波的功率泄漏， 因為在 這類大型微波加熱設備中，輸出總功率可

49、達150200kW不采取一定的隔離防范措施是很難保證滿足對微波泄漏的國家標準的（即小于5mW/cm2）。圖 4-12 修補瀝青路面的微波專用車當前，我國各地都在加快交通運輸事業的發展，新公路特別是高速公路的大量修建， 每年需要返修和養護的里程數數量巨大，微波這一新技術的使用范圍將得到大大的擴展。在工業應用中還有很多，如皮革、木材、木板、家具等的烘干，塑料發泡、尼龍絲的 熱定形，鑄造工業中的砂芯干燥、精密石蠟鑄造中的快速熔蠟、石膏模型的干燥，礦石或混凝土的破碎、礦山開采等領域都有微波加熱發揮巨大效能的應用場所和市場。利用微波干燥砂芯可以大大縮短時間，減少固化劑的用量，改善勞動條件。對于復雜 的砂

50、型， 可以采用分割制作的方法， 然后用膠合劑粘接起來， 并在加壓條件下用微波在很短 時間內加熱接合。在精密石蠟鑄造中，可以在蠟中摻入吸收微波性能較好的碳粉、鐵磁粉、 石墨粉等作為觸媒劑， 從而使得微波能夠快速熔化石蠟。 其優點是外殼破損率小， 質量上乘， 石蠟容易回收。20 世紀 80 年代中后期， 美國政府部門根據微波快速加熱礦物能急劇膨脹產生熱應力的 機理，對礦石破碎試驗取得明顯效果。這種作業方法具有快速、節能、選擇性加熱、便于控 制范圍及加熱速度等優點。這種方法使破碎效率從一般的火藥破碎率為1 % 5%、機械破碎效率的 15% 20%提高到 60%70%，尤其適合于鐵礦石的破碎。用微波法

51、破碎巖石或混凝土 還具有無聲、無塵、無震的好處。此外， 在煤的脫硫、 油田開采、 原油輸送、 原油乳化、 廢橡膠脫硫和煉油、 炭黑生產、 粉末冶金、化學工業中的催化、合成、萃取、消解中有的已經采用了微波方法并已投產， 有的正在大力研發進行工藝試驗。用微波處理化工產品，應用的范圍極其廣泛。在塑料制品的生產中，英國最早將微波 用于泡沫塑料汽車坐墊的生產， 近幾年來利用微波生產傳熱率極差的發泡塑料的研究和發展 更為迅速。 日本東芝公司很早就將微波用于尼龍繩的熱定形生產中。 上海的企業也曾對降落 傘繩 -錦綸絲作熱定形處理， 從而解決了繩子延伸不均勻的技術難題， 提高了產品技術等級， 并曾獲重大科研成

52、果獎。總之，到目前為止，微波在工業中的應用領域正在不斷拓寬，效益極為顯著。這一新 技術正在得到各行各業人們的關注和認可， 相信它會成為微波功率應用的后起之秀， 為國民 經濟的發展服務。6六、磁控管盡管磁控管早在1921年就已由賀爾發明了，但當時的管子效率很低， 頻率也受到限制, 實際上并未得到應用和推廣，后來出現的分陽極負阻磁控管由于同樣的理由只保留了理論上 的興趣，而悄悄地退出了歷史舞臺。只有1938年前后發明的多腔磁控管才真正地經受了各種考驗，不僅生存下來，在二次大戰期間做出了卓越的貢獻，而且以后逐漸發展并派生出了許多新管種，如同軸磁控管、電壓調諧磁控管、捷變頻磁控管、長陽極磁控管、連續波

53、微波 爐用磁控管等。那么，多腔磁控管與多腔速調管有什么聯系呢？兩者從工作原理上來講，是完全不同 的。如果說有相似之處， 那就是都采用了很多個諧振腔，但是這些諧振腔的形狀、 結構特別是配置和分布卻完全不同。 在多腔速調管中，很多諧振腔是沿軸線方向上配置的，像一串冰糖葫蘆，如圖3-10所示。而且電子從電子槍出發后也沿其軸線按直線軌跡向前運動，雖然 產生速度調制，后來又逐步轉變成密度調制，直到打到收集極為止，但自始至終，電子的軌跡是直線形的。而在多腔磁控管中， 由于軸向磁場的存在， 同時又由于管內的陰極軸與磁場 同向，這樣，從陰極出發的電子，在陽極直流電場（徑向）及軸向直流磁場的共同作用之下， 電子

54、的運動軌跡是非常復雜的，理論分析表明，這是一種叫做“輪擺線”的電子運動軌跡， 如圖3-11所示。就像小孩在滾鐵環時，如在鐵環某處做上一個彩色標記，然后讓他在平地 上滾動，站在地面上的人就會看見一條由鐵環上彩色標志描繪出來彎曲的運動軌跡，由地面開始向上，至頂點（相當于鐵環的最高點） 后開始改變方向，變成向下運動，直至抵達地面， 然后重新開始第二個周期的運動，這條軌跡在數學上稱為輪擺線。不同的是磁控管內形成的輪擺線是在陰極圓柱形外表面存在一旋輪滾動時產生的軌跡，就像鐵環不是在平面的地上滾動，而是在一個圓筒形柱面上滾動，因此又稱之為外擺線。不管是輪擺線還是外擺線，擺線的擺幅正好是鐵環的直徑，而一個輪

55、擺的周期就是n D,這里D為鐵環的直徑。還可知道，輪擺的擺幅與磁場有關，在陽極電壓不變時，隨著磁場的提高，輪擺擺幅不斷降低；相反， 磁場減弱則輪擺增大，甚至未擺一個來回就直接打上陽極了。圖中B1, B2, B3為磁場強度，可見其大小與軌跡間的定性關系。圖3-11 磁控管中的電子輪擺軌跡多腔磁控管一詞中的“多腔”兩字就是指陽極上分布有決定振蕩頻率fo的諧振系統，并且腔數N> 1,通常N為偶數，即N = 8, 10 , 12, 14, 16,，目前用得最多的是 N= 8 18。將微波諧振系統與陽極結合起來，這確實是一個創舉，這也只有在微波波段才有可能， 因為在微波波段，諧振腔的尺寸較小，否則

56、很難想象在一個體積不大的二極管內能裝下如此 復雜的諧振系統。由此可見，多腔磁控管的陽極起到雙重的作用，其一是收集電子；其二就是產生振蕩并將功率輸送給負載。在磁控管中，這一恒定的直流磁場是必不可少的；否則，它就變成了普通的二極管。這時雖然仍有為數眾多的小諧振腔分布在陽極的圓周上，但卻絲毫不起作用，好像不存在時一樣，這也就是為什么取名為“磁控管”的理由。磁控管的主要部件如圖 3-12所示，顯然，這是一個 N = 8的八腔磁控管，它均勻分布 在陽極圓周上，每兩個小腔相隔45°,它由諧振腔孔 4和諧振腔槽5組成，孔在外側，而槽則在內側，槽口正對著圓筒形陰極 2的表面，能量輸出器3由與陽極塊1

57、相連的同軸線外 導體和一耦合環形成的內導體組成，耦合環的一端彎曲后在同軸線外導體與諧振腔孔連接處焊接成一體，而耦合環的另一端即作為天線經適當轉接后輸出微波功率。圖 3-12 多腔磁控管結構剖面圖首先，在圖 3-7 中可以看到，從電子槍中陰極發射的電子都沿著管軸向收集極運動， 其中經受著速度調制和密度調制的轉換， 完成能量從電子流向微波的變換， 最后形成輸出功 率。在這里，電子流只起著橋梁和媒介的作用，實際的能量卻來自直流電源。而在磁控管中， 電子是從圓筒形陰極表面整個圓周上發射的， 如沒有軸向的恒定磁場， 則它們會在陽極電壓的加速作用下各自沿著輻射形成的半徑方向向陽極運動， 最后打上陽極； 但

58、當存在軸向磁場 B時，情況就發生了變化，首先，每個電子都會產生如圖3-11 （b）所示的外擺線軌跡運動， 如果一旦激勵起振蕩，這些本來繞一個方向（例如順時針）一起作外擺 線運動的電子流會被微波場產生速度調制， 在其后的運動過程中， 也會逐步轉變成為密度不 均勻的電子流。 當這些不均勻的電子流在旋轉過程中依次掃過各諧振槽口時，這不是非常類似于多腔速調管中的電子流多次穿過這些諧振腔中的柵網嗎？那么，磁控管中的密度調制電子流作整體旋轉運動時，其端部將掃過陽極圓周上眾多 的諧振腔口，這個電子流將激發起這些諧振腔內產生微波振蕩，就像圖3-13 中所示的大家非常熟悉的一個例子。當將一只一端封閉、一端開口的音響諧振管（例如一只子彈殼） 放在嘴邊， 并將口中氣流急速地吹過殼口，