Технические решения для промышленности
Закрыть
Технические решения для промышленности
Технологии

Полимерные добавки. Подготовка образцов для анализа. Другие методы извлечения. Часть 2. Микроволновая экстракция

19 июля 2020
Полимерные добавки. Подготовка образцов для анализа. Другие методы извлечения. Часть 2. Микроволновая экстракция

Микроволновое и радиочастотное нагревание следует противопоставлять «классическим» средствам, а именно теплопроводности и конвекции, если эти традиционные методы нагрева малоэффективны или не эффективны. Микроволновая энергия затратнее обычной электроэнергии или тепловой. Взаимодействие вещества с микроволнами приводит к макроскопическим или микроскопическим тепловым эффектам. В отличие от микроволновой спектроскопии эффект микроволнового нагрева не является результатом хорошо разнесенных дискретных квантованных энергетических состояний. Электрическая энергия преобразуется в тепло в результате физического принципа диэлектрических потерь. Как правило, микроволновая энергия теряется двумя основными механизмами: ионная проводимость и дипольное вращение.

Ионная проводимость – это проводящая миграция растворенных ионов в приложенном электромагнитном поле. Вращение диполя относится к выравниванию в электрическом поле молекул в образце, которые имеют постоянные или индуцированные дипольные моменты. Поскольку электрическое поле микроволновой энергии увеличивается, поляризованные молекулы выравниваются; по мере уменьшения поля термически индуцированный «беспорядок» восстанавливается и тепловая энергия выделяется. В большинстве случаев ионная проводимость и вращение диполя происходят одновременно. В микроволновой и радиочастотной областях скорость нагрева зависит только от диэлектрических свойств материала при определенной частоте и интенсивности электромагнитного поля в данной точке пространства. Степень нагрева материала при воздействии микроволнового излучения зависит от диэлектрической проницаемости или электрической проницаемости (ε') и коэффициента диэлектрических потерь (ε''). Диэлектрическая проницаемость описывает легкость, с которой материал поляризуется электрическим полем, в то время как коэффициент диэлектрических потерь является физическим параметром, который измеряет эффективность преобразования электромагнитного излучения в тепло.

Полимерные добавки. Подготовка образцов для анализа. Другие методы извлечения. Часть 2. Микроволновая экстракция

Оба значения ε меняются с определенной частотой, причем последнее достигает максимума при падении диэлектрической проницаемости в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Соотношение между ними дает тангенс угла диэлектрических потерь или коэффициент рассеяния, который определяет способность материала преобразовывать электромагнитную энергию в тепловую энергию при данной температуре и частоте. Вещество, которое сильно поглощает микроволновую энергию, называется сенсибилизатором. Основным преимуществом микроволнового и радиочастотного нагрева является то, что среда нагревается повсюду, то есть однородно. Это относится ко многим средам, даже к плохим проводникам тепла. Большинство органических сред можно нагревать очень быстро. Не все материалы с высокой диэлектрической проницаемостью имеют высокий коэффициент потерь и высокое поглощение микроволновой энергии. Другим важным параметром электромагнитного нагрева является глубина проникновения, которая варьируется в зависимости от частоты и диэлектрических свойств, но, как правило, ограничена технически сосудами небольшого объема. Каждое соединение имеет свою собственную частоту, с которой оно будет наиболее эффективно поглощать энергию. Например, вода будет наиболее эффективно поглощать энергию на частоте около 20 ГГц.

Полимерные добавки. Подготовка образцов для анализа. Другие методы извлечения. Часть 2. Микроволновая экстракция

Другие формы электромагнитного излучения имеют очень ограниченную глубину проникновения, и теплопроводность является ограничивающим фактором при нагревании инфракрасным излучением или более короткими длинами волн электромагнитной энергии. Следовательно, в этих случаях может происходить неравномерный нагрев. Микроволновое излучение не обладает достаточной энергией, чтобы классифицировать его как ионизирующее излучение. Энергетическое содержание микроволн (0,00001 эВ) намного ниже, чем у рентгеновских лучей (124 000 эВ), и на несколько порядков ниже энергии, необходимой для разрыва ковалентных или водородных связей обычных органических молекул. Эффект нагрева, создаваемый высокочастотными электромагнитными волнами, происходит от способности электрического поля оказывать воздействие на заряженные частицы. Микроволновый нагрев включает в себя особую форму диэлектрического нагрева. Здесь тепло трения вырабатывается в не проводящем или слабо проводящем теле высокочастотным электромагнитным полем. Этот нагрев трением является результатом того факта, что молекулы с внутренней дипольной структурой постоянно стремятся выровняться с переменным полем.

Облучение вещества электромагнитным полем соответствующих частот (в СВЧ и РЧ) способствует проникновению энергии в объем материала. Микроволновая энергия переходит непосредственно в нагретый материал, поэтому внутренняя часть объекта может нагреваться напрямую. Считается, что микроволновая энергия обеспечивает равномерный и быстрый нагрев благодаря теплу, генерируемому непосредственно при взаимодействии молекул материала и микроволнового электромагнитного поля. Целые объемные области диэлектрического материала могут затем нагреваться одновременно без какого-либо значительного температурного градиента. Когда материалы, обработанные микроволновым излучением, не являются однородными, это приводит к сложностям в прогнозировании распределения микроволновой энергии внутри материала. Микроволновый (диэлектрический) нагрев в растворе может различать три ситуации, которые определяют характеристики нагрева.

Полимерные добавки. Подготовка образцов для анализа. Другие методы извлечения. Часть 2. Микроволновая экстракция

Во-первых, это один растворитель или смесь растворителей, которые имеют высокие коэффициенты диэлектрических потерь. Во-вторых, смеси растворителей с высокими и низкими диэлектрическими потерями, и в-третьих, восприимчивый образец, который имеет высокие диэлектрические потери в растворителе с низкими диэлектрическими потерями. При приготовлении органических микроволновых проб поляризуемость молекул растворителя зависит от природы растворителя и его относительной диэлектрической проницаемости. Следовательно, чем больше относительная диэлектрическая проницаемость, тем больше выделяется тепловой энергии и тем быстрее происходит нагрев для данной частоты. Полярные молекулы и ионные растворы будут сильно поглощать микроволновую энергию по сравнению с неполярными молекулами. При обработке в микроволновом поле материалов, которые плохо поглощают микроволновую энергию, необходимо использовать моно-резонатор. Микроволновая печь позволяет помещать образец в гораздо более высокую электрическую мощность резонатора (на три порядка), чем полученная в многорезонаторной печи. Это позволяет использовать низкую мощность для микроволнового нагрева материалов, таких как стекла или полимеры, с относительно низкими потерями.

Полимерные добавки. Подготовка образцов для анализа. Другие методы извлечения. Часть 2. Микроволновая экстракция

Для получения более полной информации, надо обратиться к нашим специалистам по телефону
+7 (495) 268-0242, или почте info@nomitech.ru, они окажут помощь в подборе необходимого оборудования, которое будет соответствовать вашим требованиям как в части технических характеристик, так и в ценовом плане.

комментарии
Комментариев нет

Прежде, чем Вы сможете добавить свой комментарий, он будет проверен администратором.
вернуться назад