吴斯侃 宋永一 王鑫 张彪 赵丽萍 王博

摘      要：微波作为一种重要的快速加热手段，近年来在化工行业领域得到广泛重视。由于微波加热原理有别于传统加热具有特殊性，因此探究其影响因素对于改进微波加热工艺意义重大。介电特性是分子中束缚电荷对外加电场的响应特性，对于微波加热影响十分关键。纵观物质介电特性对微波加热影响的相关研究，分别从含水量、堆积密度等物性参数角度出发，探索并总结物质介电特性影响微波加热的核心关键点。最后列举目前国内外基于介电特性所优化的微波加热工艺构想，为今后该技术在面向工业化应用的道路上拓宽新思路。

关  键  词：微波;热解;介电特性;含水量;堆积密度;优化

中图分类号：TM 25       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）09-1987-05

Abstract： Microwave， as an important method of flash heating， has received extensive attention in the field of chemical industry in recent years. Because the principle of microwave heating is different from that of conventional heating， it is significant to explore its affecting factors to improve the heating process. Dielectric properties are the response characteristics of the bound charge to the applied electric field in the molecule. In this paper， the research on the influence of dielectric properties on microwave heating was summarized， and the key points from physical parameters were determined，such as moisture content and bulk density. Finally， optimization ideas of microwave heating based on dielectric properties was listed， which would broaden the way of industrial application in the future.

Key words： Microwave; Pyrolysis; Dielectric properties; Moisture content; Bulk density; Optimization

微波加热是一种可利用的高效清洁加热技术，由于其加热原理[1]不同于传统热传导，具有高效、快速、选择性强等特点，因此广泛应用于人们的生产生活中[2-4]。近年来随着微波反应器设计理念推陈出新，微波加热技术的效率[5]、均匀性[6]以及选择

性[7]进一步提高，使得其在工業应用领域得到重视。从广义上讲，频率为300 MHz～300 GHz的电磁波均可称为微波，但从物质中极性分子介电常数与介电损耗的角度考虑，通常对用于加热的微波频率有一定要求[8]。物质介电特性是影响微波加热效果的主要因素。一方面在一定微波频率下，被加热物质的堆积密度、含水量等物性参数变化均会影响其介电特性[9]，进而影响微波加热的效率与均匀性。另一方面，微波选择性加热也基于其物质种类的介电特性差异[10]。因此探究物质介电特性在微波场中的变化，明确物质的物性参数和种类同介电特性的内在联系，以便选择合适的物料和加热条件，是微波加热技术应用与发展的关键。本文整理出国内外物质介电特性对微波加热影响的相关文献，分别从含水量和堆积密度两方面阐述物性参数对介电特性及微波加热的影响，进而介绍目前基于介电特性的微波加热技术优化方法，最后总结并展望未来微波加热工业化的发展趋势及可能技术路线。

1  介电特性对微波加热影响

物质介电特性有别于其他物理性质，其在微波加热过程中会不断变化，这也是不同物质在微波加热过程各个阶段显现出差异加热效果的原因。对介电特性影响较大的物性参数包括含水量和堆积密度。

1.1  含水量

微波加热可使物质内的极性分子在电磁场作用下随外电场变化，且内能因分子运动产生的摩擦效应而增大，最终达到快速加热升温的目的[11]。水作为一种极性分子，由于在微波中显示出极好的吸波性能，因此研究物质含水量对其介电特性的影响十分必要。TORREALBA-MEL?NDEZ[12]等对不同品种墨西哥豆的介电性质进行研究，发现当豆类含水量不同时，在相同微波频率下的介电常数大体上随含水量增大而增大。不过这种规律并不具有普适性。如图1所示，“Flor de mayo”以及“Bayo”分别在

2 450 MHz和915 MHz的微波频率下，其介电常数变化并不明显，因此可知介电常数增大的原因并非单纯来源于含水量，而与其物质内自由水有关。

除此之外，墨西哥豆的含水量对于其介电损耗影响并不大。由此可见，含水量对于物质介电特性的影响，取决于其在物质内部的存在形式。由于自由水在微波电磁场作用下更易流动，因此可以呈现出更好的加热效果。不过这种测量方法存在一定局限性，仅可解释一定温度下的介电变化情况。当温度高于60 ℃时，高温对于测量设备的干扰使得介电损耗测量值飞升，无法得到高温条件下物质介电特性与含水量之间的关系。

与固体相比，液体中的水则呈现出不同结论。AGRANOVICH[13]等为了研究水与生牛奶在微波加热中的相互作用，分别考察纯水、生牛奶和受污染生牛奶在介电弛豫谱中的γ-分布，发现与纯水相比，牛奶的弛豫时间更大，说明水在微波加热过程中并没有“帮助”牛奶快速升温，反而由于牛奶中某些成分（如蛋白质、乳糖等）限制极性分子之间运动。受污染生牛奶由于存在細菌，使得牛奶中蛋白质以及其他生物残余物的自由离子得到释放，弛豫时间反而较小。

1.2  堆积密度

同含水量一样，堆积密度也是物质在微波加热过程中的重要物性参数。MOHAMAD[14]等通过开放式同轴探针法对墙体材料常温下的介电特性进行研究，发现所研究几种墙体材料的介电常数和介电损耗均随堆积密度增加而增加，并且呈现出明显线性关系。不过高温下微波热解物料的密度影响要更为复杂。FAN[15]等在生物质纤维素微波热解中的研究发现，堆积密度对升温速率有显著影响。如图2（a）所示，生物质在微波热解升温过程中存在两个最大升温速率，第一个峰与含水量相关，第二个则表示密度的影响。通过峰的高低可以看出加热速率随堆积密度的升高呈现出先增后减的趋势。通过图2（b）的孔隙分布图可以得知，当堆积密度高于一定数值时，孔隙分布由单峰向双峰演变。这是由于高堆积密度样品在压缩过程中往往只在垂直方向受力，而水平方向不变。因此当热解过程中非极性气体产生时，就容易造成孔隙分布的双峰现象。不仅如此，由于非极性气体不能从微波中获得能量，当通过孔隙后所引起的焦耳-汤姆逊效应，会使得节流后的气体温度低于孔壁温度，特别是高密度样品中孔隙远远小于气体体积，使得这种冷却效果更为明显，从而导致升温速率降低。

除了升温速率，堆积密度的大小还影响物质的吸波性能。ZI[16]等对烟草茎秆的热解和吸波性能进行研究，发现其吸波性能随堆积密度的升高而增大。如图3所示，在相同含水量和颗粒大小的前提下，微波光谱随堆积密度的升高向左偏移，波幅减小，同时3 dB带宽频率也随之增大。ZI等人认为，由于介电性能取决于电磁场中与之相互作用物质的重量，堆积密度越大，单位体积内物料的重量越大，从而物料的吸波性能越佳。同时微波谱中的3 dB带宽反映了物料吸收微波能量的对应频率间隔，在大多数情况下，物料在一定微波频率下的介电常数通常用复数形式表示，实部ε'表示储存微波能量的能力，虚部ε''表示将储存微波能量耗散为热能的能力[17]，两者的比值（tanδ=ε''/ε'）则称之为介电损耗。3 dB带宽频率上升会导致介电损耗增加，从而使物料能更多吸收微波并转化为自身内能，提高热解效率。

2  基于物质介电特性微波技术优化

传统微波技术优化的着力点，多从工艺条件入手，如反应时间、反应温度、微波功率等，通常须要投入大量人力物力，并从大量试验数据结果分析获得，普适性不高。实际上通过对物质介电特性情况分析，可通过影响物质介电常数和介电损耗两方面的因素着手进行优化，包括调节功率密度和原料预处理。

2.1  调节功率密度

功率密度是表征微波源功率作用于物质的关键参数[18]，在一些研究中[19-20]往往通过提高功率来增加微波对物质加热影响，但严格说来这种表述并不严谨。由于在固定容积的反应器或空间条件下，增大微波功率的实质是提高密闭空间内微波功率密度，从而增强电磁场强，提高物质吸波性能。不过这种提高功率密度的方法存在适应性问题，并非越大越好。KIM[21]等分别在两种不同的功率密度下（0.17、0.25 W·m-2）考察微波对红辣椒片中微生物失活与保鲜的影响，发现两种功率密度条件下均可对红辣椒片中的蜡样芽孢杆菌和黄曲霉孢子起到灭活效果，且0.25 W·m-2的灭活效果较好。不过较大的功率密度会导致辣椒片中的维生素C和辣椒素破坏，因此选择适度的微波功率密度是扩展该项技术的关键。IDOWU[22]等则提出一种在高功率密度条件下利用动物废弃脂肪制备生物柴油的方法。由于存在酯化反应，使得该方法的工业应用较为复杂，因此缩短反应时间很有必要。与传统加热和低密度功率微波加热相比，高密度微波功率使得游离脂肪酸的酯化反应效率提升15%，并且在最佳催化剂条件下的游离脂肪酸转化率为93%（质量分数）。

除了通过直接调节微波功率改变功率密度外，对反应器内部空间的改变，也是间接调节微波功率密度的一种重要方式。李晓静[23]等为制备光学金刚石膜设计一种山字形重入式微波谐振腔，如图4所示，对比两种方案可以发现，保持微波功率不变，当谐振腔内沉积台升高后，沉积台上方局部区域的微波功率密度增大形成强电场区域，其强度是其他区域的4倍以上，并且最大电场强值较沉积台未升高时约提高1.5倍。

2.2  添加吸波助剂

微波加热具有选择性，不同物料在微波中的加热效果取决于物质介电特性。因此对于吸波性能较差的原料进行微波加热，其效果往往并不理想，无法达到快速加热的目的，添加吸波助剂辅助原料升温加热成为优化微波效率的常用手段。木质颗粒是一种常见的生物质原料，由于其生料热值较低，因此较少应用于热解实验研究，不过NHUCHHEN[24]等通过使用固定比例（生物质负载量10%）生物炭作为吸波助剂，探究木质颗粒在不同生物质负载量和微波功率下的热解效果。由于较高的升温速率会影响木质颗粒热解产物比例，当添加生物炭后，不同微波功率下的生物油产率得到大幅提升，从36.5%提升至46.0%，进一步说明吸波助剂在木质颗粒热解过程中起到辅助吸波并加速升温的目的。

对于无法直接混合吸波助剂的材料，LIU[25]等则通过化学共沉淀法在沥青混凝土表面添加高介电损耗的金属氧化物薄膜，通过涂敷极薄的Fe3O4磁性薄膜对沥青表面改性，间接提高沥青混凝土的微波吸收性能，使微波加热效率提高至0.72 ℃·s-1。由于微波加热的穿透性，使得这类优化技术[26]可不破坏物料内部结构，保持沥青改性后的路面性能不降低。

3  结束语

在微波加热过程中，物料差异会直接影响微波加热效率，其本质是物质介电特性决定的。因此通过分析物质介电特性影响因素，进而改进微波加热工艺，是未来研究该技术发展的重要途径。从物性参数角度出发，水作为影响微波加热的重要极性分子，其在物质中的自由水含量应该格外关注，并注意区分固相和液相物料对水含量需求的差异。同时为了使物质吸波性能更为优越，需注意在装填物料过程中堆积密度的影响。不过微波加热工艺所具有的选择性，就对物质种类本身有一定要求，因此在保证物性参数良好的前提下，直接选择吸波性能较好的物质参与工艺流程，能够起到事半功倍的效果。

目前对微波加热工艺的优化，传统方法多停留在反应温度、反应时间和微波功率等工艺参数上，未触及介电特性对微波加热影响的本质。从物质介电特性分析，目前主流优化方法从调节功率密度和添加吸波助剂等角度出发，充分提高物质在微波工艺中的加热效率。不过上述部分优化方法还停留在理论阶段，对于今后微波加热技术的发展，如何借助对介电特性的把握将技术理念转化为实际工业应用，也是未来微波加热工艺的重要研究方向。

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