利用介電物質吸收微波可增溫的特性以增進化學反應的熱效能

2007-04-01

關鍵字:微波消化應用實例

利用介電物質吸收微波可增溫的特性以增進化學反應的熱效能

將介電物質摻入本身不吸收微波的物體後並以微波照射加熱,藉以試驗微波於該物體上增溫的效能。介電物質通常是反應系統中非常重要的成份,因為它經過長時間微波照射後溫度會快速升高,即便此時將它置於 X 光繞射下明顯可知其晶型結構已改變。利用該介電特性可將熱能傳遞至與其混合的物體,含水分的物質可於微波照射下快速加熱升溫產生蒸氣與高壓,使物體重量減少或將有機物破壞分解。

介電物質的存在對升溫的影響

實驗首先用固定功率 650W(MDS81D 型,CEM)照射十種不同的介電物質(5 克),時間維持 2 分鐘,藉此比較其微波升溫速度的差異。由表1 顯示,Ti-B2 具有最快速微波熱效應,可在 2 分鐘內由室溫提昇至 898℃,其次為 B4C、Ti-C 的 665℃、632℃。微波消化器爐腔內會擺一燒杯內含 100ml 水,以吸收爐腔內過多的微波能免於加熱過度,另將氮氣常壓下導入爐腔以防止介電物質可能在微波照射中起劇烈氧化。

表1. 不同物質照射微波後升溫速度的差異

介電物質可增強吸收微波的能力

實驗二為稱取 20 克 5 種不同的介電物質,盛裝於 Teflon 消化瓶內並加入 10ml的蒸餾水,設定三種不同壓力限值 10、30、80 bar,以全功率微波輸出(650W),觀察到達設定壓力值所須花費的時間。由 表2顯示,陶瓷纖維加熱至 10、30、80 bar所需時間分別為 30、60、120 秒,與其它介電物質比較可在最短時間內達到同一壓力限值。若單獨只有水吸收微波到達 10、30、80 bar 所需的時間為 90、150、240秒,由此可知水中加入介電物質可增強吸收微波的能力,有效縮短實驗時間。

表2. 不同物質照射微波後,到達設定壓力值所須花費的時間

微波加熱搭配介電物質可快速提升反應溫度

實驗三為利用微波產生高溫將廢棄物分解,分為二段進行。第一段先將 500g 的樣品以 650W 照射 18 分鐘進行乾燥,第二段各加入 500g 的 SiC,繼以微波照射 10分鐘分解有機質。由表3 顯示,利用微波乾燥污泥、果肉、甜菜漿,於加入 SiC後以微波照射十分鐘,其重量損失依序為 68%、66%、72%,最高溫升至 850℃、880℃、800℃,由此可知樣品添加介電物質可快速提升反應溫度。另由表4 顯示,取相同藥品 Algin 進行三種不同的加熱方式,時間皆為 5 分鐘。當以微波單純加熱樣品 5 分鐘後溫度只達 60℃,重量完全沒有損失; 如在樣品中加入介電物質,相同的時間高溫可達 610℃,重量損失達 98%; 如使用傳統的高溫爐加熱其高溫亦可達600℃,但重量損失卻只達 25%。

表3. 樣品有/無添加介電物質之反應溫度
表4. 比較不同加熱方式之重量損失與升溫結果

本文中多數試驗的物質為 B、N、C、Si 與金屬的二元素化合物,其餘為氧化物。他們被歸類為具共價與多孔隙的的化合物或陶瓷,例如 BN、AlN、SiC、BC 等共價化合物具有相似石墨(六角形)或鑽石(立方體)的晶格,然而 TaC、Mo2C、TiC、WC、ZrC 屬於多隙的碳化物,結構上類似金屬的母元素,可支配晶格孔隙中的碳原子。硼化物亦具有部分類似金屬化物的特性,其分子式為 MeB2(如 WB2,AlB2,TiB2),具平面六角形的排列;然而化合物如 LaB6 或 SiB6具有立體的結構。上述化合物在不同的溫度變化下皆相當安定。

微波能與介電性技術的結合能大幅提升反應速率

將微波能與介電性技術相互結合是非常有發展性的,此意謂著我們可藉由增強微波能的熱效應迅速將熱由介電物質傳遞至鄰近的物體上。運用該技術可創造的利益計有: 加速密閉系統中蒸氣的產生、破壞分解有機廢棄物或大幅減少分析樣品的重量與體積等優點。

欲了解更多的儀器資訊與實驗細節,歡迎來電洽詢 02-2728-2767或 來信與我們聯繫

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參考文獻

  • Coupled Systems Dielectric/Microwave to Improve Thermal Effects, A.Breccia,A.Fini,G.Feroci,A.M.Grassi,S.Dellonte and R.Mongiorgi , Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy ; Vol.30 No.1,1995