具有選擇性加熱特性的微波輻射場對混合物相對揮發(fā)度影響的發(fā)現(xiàn),對基于混合物介電性質(zhì)差異而實現(xiàn)化工分離新技術的開發(fā)和工程強化能起到極大的推動作用。本文梳理了近年來發(fā)展的微波場強化化工分離方法,闡述了微波場與各類物質(zhì)的特殊作用機制,重點介紹了微波場誘導強化極性-非極性混合物蒸餾分離新技術的相關研究。針對微波誘導分離技術在實際應用中亟需解決的關鍵問題,著重綜述了作者課題組在微波誘導分離機理、分離裝置與微波腔體結(jié)構設計及過程模型方面的研究進展。最后,對微波技術在化工分離過程強化領域應用目前尚存在的問題提出建議,期望對未來通過介電性質(zhì)差異實現(xiàn)分離的發(fā)展方向提供參考。 

【文章來源】：化工進展. 2020,39(06)北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

微波相對揮發(fā)度的測量設備比較

另外，最近幾年分子動力學模擬技術的進步使得探究電磁場與分子之間的相互作用成為可能，有利于探究微波誘導極性分子揮發(fā)的微觀機理。在電磁場的高頻振蕩下，分子的偶極旋轉(zhuǎn)和離子遷移會引發(fā)分子化學環(huán)境的不同，因此部分學者推測這些微波效應可能會引起諸如氫鍵結(jié)構破壞等分子間相互作用的變化，而微觀結(jié)構的變化會在宏觀的熱力學性質(zhì)上有所體現(xiàn)。分子動力學模擬是基于牛頓第二定律，使多個分子內(nèi)原子按照一定的受力情況（即力場）進行運動，最終通過統(tǒng)計原子坐標計算宏觀熱力學性質(zhì)的一種方法。因此建立正確的力場對于準確模擬微波場下的分子行為至關重要，目前相關研究主要使用LAMMPS或GROMACS中軟件自帶的如SPCE等系列較為成熟的現(xiàn)有力場[12-13]。通過在各力場下對分子體系進行模擬，將微波場作為正弦電場輸入，運行之后計算體系內(nèi)諸如介電性質(zhì)、分子擴散系數(shù)等宏觀熱力學性質(zhì)，與實驗測量值進行比較，以比較力場的適用性[14-15]。利用適用性較好的力場計算分子體系在微波場下的變化，可以輔助分析解釋諸如氫鍵結(jié)構或溶質(zhì)的溶劑層的變化原因[16-17]。當然目前觀測手段有限，無法通過直接測量微波對分子間作用力的影響作用，為上述模擬結(jié)果提供力場參數(shù)的佐證。不過隨著研究的進一步深入，微波與分子體系的作用規(guī)律將得到進一步闡釋，可為基于介電性質(zhì)差異分離技術的進一步開發(fā)提供理論基礎�？傊�，盡管具體機理有待于進一步探究和闡釋，大量研究證實了微波對于提高具備不同介電性質(zhì)的混合物的相對揮發(fā)度有一定的強化作用，可基于該作用開發(fā)微波強化分離技術。顯然，基于微波效能的強化分離的技術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強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，設備層面的優(yōu)化以確保微波強化分離的效率是微波技術應用的一個重要課題。

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)熱力學相平衡以及相間動力學傳質(zhì)來實現(xiàn)分離。例如，精餾分離，利用混合物間的相對揮發(fā)度差異，通過氣-液兩相間的傳質(zhì)過程，實現(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，通過液-液相傳質(zhì)實現(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，通過氣-固（或液-固）相間傳質(zhì)實現(xiàn)分離；結(jié)晶分離，利用混合物各組分間溶解度差異，通過固-液相傳質(zhì)實現(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，通過固-液（或固-氣）傳質(zhì)實現(xiàn)混合物分離等。實現(xiàn)混合物分離需要具備兩個必要條件，一是混合物間存在某種性質(zhì)的差異，二是進行不同相間的傳質(zhì)過程。根據(jù)上述特點，可以將各類經(jīng)典化工分離過程單元操作總結(jié)如圖1所示。如上所述，各類化工分離過程中均需要使用分離劑。通常來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（如萃取分離過程中的萃取劑、吸收過程中的吸收劑），電解質(zhì)（如鹽析分離的無機鹽或有機鹽），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。能量分離劑通過能量的輸入和抽出引發(fā)新相產(chǎn)生，利用熱力學相平衡實現(xiàn)分離，如蒸餾、蒸發(fā)等通過熱能輸入以引發(fā)氣相產(chǎn)生、結(jié)晶過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)越來越多地用來驅(qū)動和強化化工過程，這為分離技術的發(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，對分離效果和操作方法都呈現(xiàn)出巨大差別，因此不斷改進和開發(fā)優(yōu)良的質(zhì)量分離劑也是當前分離過程研究領域的熱點方向。例如：由于離子液體作為新型綠色萃取劑的發(fā)現(xiàn)，為萃取分離過程發(fā)展提供了新的增長點和有力支撐；而膜材料作為膜分離過程的關鍵部分，一直是膜分離領域的研究熱點，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)，為吸附分離過程的發(fā)展開辟了嶄新的思路。與之類似，最近能量分離劑由于輸入能量特性的不同而對分離效率和單元操作產(chǎn)生強化和提升而廣受關注，如電場、超聲場以及微波場等新型能量形式在化工分離過程中的應用。

【參考文獻】：
博士論文
[1]微波強化催化反應精餾過程研究[D]. 高鑫.天津大學 2011

碩士論文
[1]微波誘導蒸發(fā)強化分離的裝備與過程研究[D]. 劉佳惠.天津大學 2018
[2]微波場對二元體系相對揮發(fā)度的影響機理及應用研究[D]. 崔俊杰.天津大學 2016



本文編號：3073289