具有選擇性加熱特性的微波輻射場(chǎng)對(duì)混合物相對(duì)揮發(fā)度影響的發(fā)現(xiàn),對(duì)基于混合物介電性質(zhì)差異而實(shí)現(xiàn)化工分離新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和工程強(qiáng)化能起到極大的推動(dòng)作用。本文梳理了近年來(lái)發(fā)展的微波場(chǎng)強(qiáng)化化工分離方法,闡述了微波場(chǎng)與各類物質(zhì)的特殊作用機(jī)制,重點(diǎn)介紹了微波場(chǎng)誘導(dǎo)強(qiáng)化極性-非極性混合物蒸餾分離新技術(shù)的相關(guān)研究。針對(duì)微波誘導(dǎo)分離技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題,著重綜述了作者課題組在微波誘導(dǎo)分離機(jī)理、分離裝置與微波腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及過(guò)程模型方面的研究進(jìn)展。最后,對(duì)微波技術(shù)在化工分離過(guò)程強(qiáng)化領(lǐng)域應(yīng)用目前尚存在的問(wèn)題提出建議,期望對(duì)未來(lái)通過(guò)介電性質(zhì)差異實(shí)現(xiàn)分離的發(fā)展方向提供參考。 

【文章來(lái)源】：化工進(jìn)展. 2020,39(06)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

微波相對(duì)揮發(fā)度的測(cè)量設(shè)備比較

另外，最近幾年分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)的進(jìn)步使得探究電磁場(chǎng)與分子之間的相互作用成為可能，有利于探究微波誘導(dǎo)極性分子揮發(fā)的微觀機(jī)理。在電磁場(chǎng)的高頻振蕩下，分子的偶極旋轉(zhuǎn)和離子遷移會(huì)引發(fā)分子化學(xué)環(huán)境的不同，因此部分學(xué)者推測(cè)這些微波效應(yīng)可能會(huì)引起諸如氫鍵結(jié)構(gòu)破壞等分子間相互作用的變化，而微觀結(jié)構(gòu)的變化會(huì)在宏觀的熱力學(xué)性質(zhì)上有所體現(xiàn)。分子動(dòng)力學(xué)模擬是基于牛頓第二定律，使多個(gè)分子內(nèi)原子按照一定的受力情況（即力場(chǎng)）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，最終通過(guò)統(tǒng)計(jì)原子坐標(biāo)計(jì)算宏觀熱力學(xué)性質(zhì)的一種方法。因此建立正確的力場(chǎng)對(duì)于準(zhǔn)確模擬微波場(chǎng)下的分子行為至關(guān)重要，目前相關(guān)研究主要使用LAMMPS或GROMACS中軟件自帶的如SPCE等系列較為成熟的現(xiàn)有力場(chǎng)[12-13]。通過(guò)在各力場(chǎng)下對(duì)分子體系進(jìn)行模擬，將微波場(chǎng)作為正弦電場(chǎng)輸入，運(yùn)行之后計(jì)算體系內(nèi)諸如介電性質(zhì)、分子擴(kuò)散系數(shù)等宏觀熱力學(xué)性質(zhì)，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行比較，以比較力場(chǎng)的適用性[14-15]。利用適用性較好的力場(chǎng)計(jì)算分子體系在微波場(chǎng)下的變化，可以輔助分析解釋諸如氫鍵結(jié)構(gòu)或溶質(zhì)的溶劑層的變化原因[16-17]。當(dāng)然目前觀測(cè)手段有限，無(wú)法通過(guò)直接測(cè)量微波對(duì)分子間作用力的影響作用，為上述模擬結(jié)果提供力場(chǎng)參數(shù)的佐證。不過(guò)隨著研究的進(jìn)一步深入，微波與分子體系的作用規(guī)律將得到進(jìn)一步闡釋，可為基于介電性質(zhì)差異分離技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)�？傊�，盡管具體機(jī)理有待于進(jìn)一步探究和闡釋，大量研究證實(shí)了微波對(duì)于提高具備不同介電性質(zhì)的混合物的相對(duì)揮發(fā)度有一定的強(qiáng)化作用，可基于該作用開(kāi)發(fā)微波強(qiáng)化分離技術(shù)。顯然，基于微波效能的強(qiáng)化分離的技術(shù)效果主要取決于待分離體系的介電性質(zhì)的差異。除此之外，分離效率很大程度上受微波場(chǎng)強(qiáng)等操作條件以及待分離體系分子間的傳質(zhì)傳熱程度的影響。因此，設(shè)備層面的優(yōu)化以確保微波強(qiáng)化分離的效率是微波技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要課題。

化工分離單元操作通常利用待分離混合物之間某種物理性質(zhì)的差異，依據(jù)熱力學(xué)相平衡以及相間動(dòng)力學(xué)傳質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)分離。例如，精餾分離，利用混合物間的相對(duì)揮發(fā)度差異，通過(guò)氣-液兩相間的傳質(zhì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)混合物分離；萃取分離，利用混合物各組分在萃取劑中的溶解度差異，通過(guò)液-液相傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)混合物分離；吸附分離，利用混合物各組分與吸附劑結(jié)合能力差異，通過(guò)氣-固（或液-固）相間傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)分離；結(jié)晶分離，利用混合物各組分間溶解度差異，通過(guò)固-液相傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)混合物的分離；均相混合物的膜分離，利用混合物各組分在膜內(nèi)傳質(zhì)性能的差異，通過(guò)固-液（或固-氣）傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)混合物分離等。實(shí)現(xiàn)混合物分離需要具備兩個(gè)必要條件，一是混合物間存在某種性質(zhì)的差異，二是進(jìn)行不同相間的傳質(zhì)過(guò)程。根據(jù)上述特點(diǎn)，可以將各類經(jīng)典化工分離過(guò)程單元操作總結(jié)如圖1所示。如上所述，各類化工分離過(guò)程中均需要使用分離劑。通常來(lái)講分離劑可分為兩類：質(zhì)量分離劑（MSA）和能量分離劑（ESA）。質(zhì)量分離劑包括非均相溶劑（如萃取分離過(guò)程中的萃取劑、吸收過(guò)程中的吸收劑），電解質(zhì)（如鹽析分離的無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)鹽），非均相固體材料（如膜分離操作中的膜材料、吸附床層的吸附劑）等。能量分離劑通過(guò)能量的輸入和抽出引發(fā)新相產(chǎn)生，利用熱力學(xué)相平衡實(shí)現(xiàn)分離，如蒸餾、蒸發(fā)等通過(guò)熱能輸入以引發(fā)氣相產(chǎn)生、結(jié)晶過(guò)程熱量的抽出以引發(fā)晶體析出。近幾年，其他新興形式的能量，例如電能、光能和微波能等，已經(jīng)越來(lái)越多地用來(lái)驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)化化工過(guò)程，這為分離技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。在質(zhì)量分離劑的研究中，如萃取分離、膜分離、吸附分離等，由于其各自分離劑的特性不同，對(duì)分離效果和操作方法都呈現(xiàn)出巨大差別，因此不斷改進(jìn)和開(kāi)發(fā)優(yōu)良的質(zhì)量分離劑也是當(dāng)前分離過(guò)程研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向。例如：由于離子液體作為新型綠色萃取劑的發(fā)現(xiàn)，為萃取分離過(guò)程發(fā)展提供了新的增長(zhǎng)點(diǎn)和有力支撐；而膜材料作為膜分離過(guò)程的關(guān)鍵部分，一直是膜分離領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，特別是新興材料如氧化石墨烯等二維材料以及COFs等多孔材料的發(fā)現(xiàn)為其研究提供了眾多可能；同樣，吸附劑作為吸附過(guò)程的分離劑，由于MOFs、COFs等多孔材料的發(fā)現(xiàn)，為吸附分離過(guò)程的發(fā)展開(kāi)辟了嶄新的思路。與之類似，最近能量分離劑由于輸入能量特性的不同而對(duì)分離效率和單元操作產(chǎn)生強(qiáng)化和提升而廣受關(guān)注，如電場(chǎng)、超聲場(chǎng)以及微波場(chǎng)等新型能量形式在化工分離過(guò)程中的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]微波強(qiáng)化催化反應(yīng)精餾過(guò)程研究[D]. 高鑫.天津大學(xué) 2011

碩士論文
[1]微波誘導(dǎo)蒸發(fā)強(qiáng)化分離的裝備與過(guò)程研究[D]. 劉佳惠.天津大學(xué) 2018
[2]微波場(chǎng)對(duì)二元體系相對(duì)揮發(fā)度的影響機(jī)理及應(yīng)用研究[D]. 崔俊杰.天津大學(xué) 2016



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