微波場(chǎng)對(duì)1，4-丁二醇/水體系的選擇性加熱研究

邢建宇，白波，宋秀玲，楊莉

(長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054)

微波作為一種快速加熱方式，已廣泛應(yīng)用于無(wú)機(jī)材料化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、食品加工業(yè)等領(lǐng)域［1-3］。相對(duì)于傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)加熱方式，微波加熱具有加熱時(shí)間短、體積加熱、選擇性加熱、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，其中選擇性加熱是根據(jù)介電常數(shù)的不同，可在同一體系中對(duì)不同的物質(zhì)造成不同的瞬時(shí)溫升，已用于某些物質(zhì)及復(fù)合材料的干燥過(guò)程［4-5］，并在提高蒸餾過(guò)程的效率方面展現(xiàn)出一定的潛力［6］。另外，微波場(chǎng)加熱還可以與熱空氣、紅外線、真空系統(tǒng)等結(jié)合使用，具有較強(qiáng)的兼容性［7］。

微波的熱效應(yīng)機(jī)理雖然了解較為清楚，但是其應(yīng)用主要集中在加熱速率快這一特點(diǎn)上，對(duì)于微波的選擇性加熱研究較少，該種選擇性在蒸餾過(guò)程尤其是分子蒸餾過(guò)程中可能具有非常高的應(yīng)用潛力。本文選擇1，4-丁二醇/水體系在真空及常壓下對(duì)微波場(chǎng)的選擇性加熱進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

1，4-丁二醇，分析純。

G7020ⅡCTL-2 Galanz微波爐;2XZ-0.5 旋片式真空泵;WZS-I790088阿貝折射儀;DT8000紅外測(cè)溫儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行溫度測(cè)定，每組實(shí)驗(yàn)均做3個(gè)平行，使用阿貝折射儀進(jìn)行濃度測(cè)定，最終數(shù)據(jù)取平均值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 微波輔助蒸餾過(guò)程中各參數(shù)相關(guān)性分析

由表1可知，在1，4-丁二醇/水體系中，加熱時(shí)間與溶液的末組分變化，質(zhì)量變化，溫度變化具有顯著性相關(guān)，表明加熱時(shí)間越長(zhǎng)，溫度越高，物質(zhì)的揮發(fā)量越大。但是水體積變化相對(duì)于1，4-丁二醇體積變化要顯著得多，水體積變化的相關(guān)性在0.01水平上正相關(guān)為0.81，1，4-丁二醇的體積變化就小了許多，僅在0.05水平上正相關(guān)為0.366表明在加熱過(guò)程中被蒸發(fā)的組分主要為水。蒸發(fā)完后的末組分除與初始組分密切相關(guān)外，與溫度變化和1，4-丁二醇體積變化在0.01水平上相關(guān)，而與水體積變化相關(guān)性不強(qiáng)，說(shuō)明末組分以1，4-丁二醇為主，加熱過(guò)程中可以選擇微波吸收能力強(qiáng)且體積變化較大的水組分作為考察目標(biāo)，確定微波對(duì)于不同組分的選擇性加熱作用。

表1 Pearson相關(guān)性分析Table 1 Pearson relevance analysis

2.2 真空/常壓條件下體系溫度的變化分析

真空/常壓條件下體系溫度變化見(jiàn)圖1。

圖1 真空/常壓條件下不同比例1，4-丁二醇/水體系的溫度變化Fig.1 Temperature changes of 1，4 butanediol/water system with different proportion under ordinary pressure and vacuum state

由圖1可知，在真空狀態(tài)下對(duì)溶液進(jìn)行加熱時(shí)，溶液的溫度變化比常壓狀態(tài)下的溫度變化要小得多，常壓下溫度由25～85℃內(nèi)變化，溫差為60℃;而在真空狀態(tài)下溫度由27～51℃內(nèi)變化，溫差為24℃。而同濃度的溶液常壓下的溫度變化比真空下的溫度的變化也要大得多。由圖1可知，兩組分常壓加熱過(guò)程中，溫度曲線會(huì)表現(xiàn)出一定的平臺(tái)階段，這一階段往往以蒸發(fā)過(guò)程為主，只有蒸發(fā)掉過(guò)量的水，體系的溫度才會(huì)進(jìn)一步提升。在真空狀態(tài)下，溶液的沸點(diǎn)大幅度降低，有利于溶液中的不同組分之間的熱傳遞減少，而這種熱傳遞的減少使得不同組分溫度的升高只能依靠分子自身對(duì)微波的吸收能力。由圖1可知，不同濃度不同狀態(tài)下溶液的溫差有很大的差距，由此可以推斷出微波對(duì)不同組分的選擇性加熱能力有所不同。

2.3 微波加熱過(guò)程中溶液兩組分比例關(guān)系的變化

如圖2所示，當(dāng)水的初始體積百分比為80%時(shí)，在常壓及真空條件下得到水體積比例變化曲線1及線2，60%時(shí)得到線3及線4，40%時(shí)得到線5及線6，20%時(shí)得到線7及線8。

圖2 真空及常壓條件下不同比例1，4-丁二醇/水溶液中水體積比例變化曲線Fig.2 Water volume ratio changes of 1，4 butanediol/water system with different proportions under ordinary pressure and vacuum state

由圖2可知，在加熱過(guò)程中因?yàn)樗慕殡姵?shù)比較大，在加熱過(guò)程中水的比例是不斷下降的，真空條件下，各濃度1，4丁二醇/水體系中的水體積的變化都比常壓條件下變化大。當(dāng)水的初始體積百分比較高時(shí)(40%，60%，80%)，在真空條件水體積的變化幅度相比常壓條件下要大。水的初始體積百分比為20%時(shí)，真空和常壓條件下，水體積的變化相差不多，這可能是由于水含量低時(shí)，水含量變化比較小，因此真空和常壓條件對(duì)其影響較小。由此可以看出，在真空狀態(tài)下微波的選擇性加熱要比在常壓狀態(tài)下選擇性加熱的敏感度要高得多。

2.4 微波加熱過(guò)程中水體積變化率的分析

假設(shè)互溶體系中的兩個(gè)組分均以剛體狀態(tài)存在，在 1，4-丁二醇溶液中，當(dāng)水含量大于 1，4-丁二醇時(shí)，可認(rèn)為每個(gè)1，4-丁二醇分子四周都是水分子。此時(shí)的傳熱面積就是所有1，4-丁二醇分子的表面積。而當(dāng)1，4-丁二醇的量多于水的量時(shí)，則認(rèn)為每個(gè)水分子周圍都是1，4-丁二醇分子，此時(shí)的傳熱面積就是所有水分子的表面積。即兩個(gè)組分的傳熱面積則取決于所占比例小的那個(gè)組分的所有分子的表面積之和。這樣來(lái)說(shuō)，傳熱面積可以通過(guò)改變兩組分之間的比例關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 真空/常壓條件下蒸發(fā)過(guò)程中水變化率曲線Fig.3 Changes of water in 1，4 butanediol/water system with different proportion under ordinary pressure and vacuum state

由圖3可知，在任何不同濃度下，水溶液在真空條件下的體積變化率均較常壓條件下高，伴隨著水濃度的降低，常壓及真空條件下水體積的變化率都呈逐漸升高趨勢(shì)。溶液體系中水的蒸發(fā)主要與微波的能量吸收相關(guān)，但是溶液中的1，4-丁二醇組分同時(shí)也在吸收微波而提高其自身溫度，當(dāng)溫度到達(dá)水的沸點(diǎn)時(shí)，水分子蒸發(fā)，溫度不再提高，而1，4-丁二醇分子未達(dá)到其沸點(diǎn)，會(huì)繼續(xù)吸收微波并升溫，提升了溫度的1，4-丁二醇，作為水分子蒸發(fā)的第2熱源使得水分子處于過(guò)熱條件下，加速其蒸發(fā)的過(guò)程。此時(shí)1，4-丁二醇的數(shù)量決定了該過(guò)程蒸發(fā)效率的高低。由圖3a可知，當(dāng)1，4-丁二醇濃度為20%時(shí)，相比其他濃度來(lái)說(shuō)，其蒸發(fā)效率明顯較低，此時(shí)作為第2熱源的1，4-丁二醇數(shù)量較少，對(duì)水分子的傳熱也因?yàn)閭鳠崦嫦鄬?duì)較小而變得有限。當(dāng)1，4-丁二醇濃度為80%時(shí)(圖3d)，水體積變化率在真空及常壓下分別為3.16%及2.72%，說(shuō)明此時(shí)1，4-丁二醇作為熱源對(duì)于水分的蒸發(fā)起到主要作用，甚至在一定程度上掩蓋了系統(tǒng)壓力的影響。

2.5 微波輔助分子蒸餾的可行性分析

對(duì)于分子蒸餾過(guò)程來(lái)說(shuō)，由分子熱力學(xué)原理推導(dǎo)得到的平均自由程λ為:

其中，K為玻爾茲曼常數(shù)1.38×10－23;T為溫度;P為壓強(qiáng);d為分子平均直徑。

如式1所示，目前對(duì)于提高分子蒸餾效率常用的方式主要集中在降低系統(tǒng)壓力來(lái)增大分子自由程，但是可以看出分子自由程除了與壓力和組分分子平均直徑相關(guān)外，還與溫度相關(guān)。如果使用傳統(tǒng)的傳導(dǎo)式加熱，則在進(jìn)行雙組分A和B的分子蒸餾時(shí)，A和B分子的平均自由程λ的比為:

如協(xié)同利用微波場(chǎng)中溶液組分的瞬時(shí)溫升差異進(jìn)行分子蒸餾，其結(jié)果是:由于A和B組分結(jié)構(gòu)不同，在微波場(chǎng)中，溶液表面上A組分分子由于吸收微波的能力強(qiáng)，B組分分子吸收較弱，甚至不吸收，從而造成A和B組分瞬時(shí)溫升速率則不同。因此，會(huì)使得表面上A、B組分分子自由程比變化為:

由此可見(jiàn)，A、B組分的溫差越大，分子自由程的差異就越大。根據(jù)對(duì)互不相溶的兩相體系的研究，已經(jīng)證明了不同組分對(duì)于微波的選擇性吸收作用［6］，以此結(jié)論推廣到互溶體系中，可以發(fā)現(xiàn)，由于傳熱面的急劇擴(kuò)大，使得保持兩組分溫差的時(shí)間變得非常短。而溫差以及傳熱面大小是傳熱過(guò)程的兩大決定性因素。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，真空體系可在一定程度上增大組分的蒸發(fā)速率，可以快速的降低兩組分之間傳熱面的面積，而且真空降低了組分的沸點(diǎn)，使得系統(tǒng)整體的溫度降低，有助于減小組分之間的溫差。可以同時(shí)從兩個(gè)方面減少傳熱現(xiàn)象，維持組分之間的溫差，而組分溫差的維持可以在一定程度上降低分子蒸餾對(duì)于真空度的依賴。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)微波加熱過(guò)程中各參數(shù)之間相關(guān)性的分析，發(fā)現(xiàn)加熱時(shí)間與各參數(shù)相關(guān)性都較大，末組分比例除與初始組分密切相關(guān)外，與溫度變化和1，4-丁二醇體積變化相關(guān)，而與水體積變化相關(guān)性小。通過(guò)對(duì)真空及常壓下體系溫度的分析發(fā)現(xiàn)，微波對(duì)不同的組分加熱能力不同，該種差異在真空條件下對(duì)于蒸餾過(guò)程具有一定的應(yīng)用潛力。

互溶體系中兩組分之間的溫差因?yàn)榫薮蟮膫鳠崦?，可在瞬時(shí)達(dá)到均一，通過(guò)改變濃度來(lái)控制兩組分之間的傳熱面，可以在宏觀上推測(cè)兩者之間的熱傳遞現(xiàn)象，以及該種現(xiàn)象與系統(tǒng)壓力的之間的關(guān)系。

最后通過(guò)對(duì)分子蒸餾相關(guān)原理的分析發(fā)現(xiàn)，真空體系可在一定程度上對(duì)傳熱現(xiàn)象中的兩大影響因素進(jìn)行抑制，再輔助以微波場(chǎng)的選擇性加熱，可對(duì)分子蒸餾過(guò)程起到積極地促進(jìn)作用。

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