中南大學(xué)高等燃燒學(xué)小論文

1、電磁場作用下的強化傳質(zhì)研究進(jìn)展摘 要：總結(jié)了電場、磁場和電磁場作用下強化傳質(zhì)的一些實驗與理論工作，分析了3種強化傳質(zhì)方式在傳質(zhì)對象和傳質(zhì)機理方面的一些不同。進(jìn)行比較后顯示，電磁場強化傳質(zhì)的應(yīng)用更加廣泛，其強化傳質(zhì)機理可解釋為：電磁場與物質(zhì)的相互作用改變了物質(zhì)的活性，降低了傳質(zhì)過程的活化能，從而使擴散得到增強。最后介紹了微波非熱效應(yīng)的一些實驗與理論研究進(jìn)展。研究表明，一些化學(xué)反應(yīng)、陶瓷燒結(jié)和萃取等過程的傳質(zhì)得到強化確實是由于微波非熱效應(yīng)的作用。關(guān)鍵詞：強化傳質(zhì)；電磁場；微波輻射；擴散系數(shù)Abstract：Experimental and theoretical studies about mas

2、s transfer enhancement under electric field，magnetic field and electromagnetic field are reviewed，and the differences between the three ways of mass transfer enhancement are analyzed. The application of mass transfer enhancement under electromagnetic field is more extensive; the mass transfer enhanc

3、ement mechanism can be explained as：the electromagnetic field changes the molecules mobility，reduces the activation energy of mass transfer process，and consequently，enhances the diffusion process. In the end，the research progress of the microwave non-thermal effect is presented. The results show tha

4、t some chemical reaction，ceramic sintering and extraction process are enhanced by the microwave non-thermal effect.Key words ：mass transfer enhancement; electromagnetic field; microwave irradiation; diffusion; coefficient質(zhì)量傳遞和熱量傳遞一樣，是自然界和工程應(yīng)用中比較常見的過程之一，遍及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，如生物組織對營養(yǎng)成分的吸收1、運動流體的對流傳質(zhì)2、陶瓷的燒結(jié)、各種

5、干燥過程、物質(zhì)的提取過程和化學(xué)反應(yīng)過程等。在生產(chǎn)實踐中，人們總是希望通過某些方法來提高基體內(nèi)物質(zhì)的輸運速度，從而提高生產(chǎn)與實驗過程的效率。這些方法有超聲波強化3-4、電磁場強化和微波強化5-7等。目前研究表明，利用電磁場進(jìn)行強化傳質(zhì)具有易控、省時、高效等特點，因此外場作用下強化傳質(zhì)的研究引起了許多實驗與理論研究者的興趣。目前國內(nèi)外對外場作用下強化傳質(zhì)機理的研究還不夠成熟，處于實驗摸索階段。若在外場作用下的強化傳質(zhì)機理研究能取得突破性的進(jìn)展，即把握外場強化傳質(zhì)的規(guī)律，則對特定的物質(zhì)就可以根據(jù)所得結(jié)論選擇合適強度的外場進(jìn)行強化傳質(zhì)，達(dá)到提高效率、節(jié)省能耗的目的。因此對外場強化傳質(zhì)機理的研究有利于基

6、礎(chǔ)理論的深入并為實驗與生產(chǎn)提供指導(dǎo)。本文作者對電磁場作用下強化傳質(zhì)的一些研究進(jìn)展作了比較詳細(xì)地敘述，對實驗與理論成果進(jìn)行了總結(jié)。1電場強化傳質(zhì)在實驗中，可以利用不同形式的電場實現(xiàn)質(zhì)量傳遞的強化，如交變電場、脈沖電場、靜電場和非均勻電場。不同電場的作用可能會在傳質(zhì)效率、能耗等方面產(chǎn)生差異。對懸浮于電介質(zhì)液體中的電介質(zhì)氣泡或液滴施加一個均勻穩(wěn)定的電場時，就會在界面聚積電荷，電場與這些電荷的相互作用形成的切應(yīng)力產(chǎn)生一個環(huán)流，這一環(huán)流會使氣泡與周圍液體之間的傳熱傳質(zhì)得到強化。以色列的Elperin 等8研究了在交變電場影響下，可溶電介質(zhì)氣體解吸附到停滯氣泡的傳熱傳質(zhì)過程。數(shù)據(jù)計算表明在交變電場作用下，

7、二氧化硫水溶液中停滯氣泡的傳質(zhì)速率提高了1.5倍。他們也研究了在交變電場影響下，由溶質(zhì)、液體電介質(zhì)連續(xù)相和平穩(wěn)流電介質(zhì)球組成的三重系統(tǒng)中的傳質(zhì)過程。數(shù)值計算表明，在電場強度大小為E=2×104 V/m 的影響下，系統(tǒng)中的傳質(zhì)速度明顯得到提高9。根據(jù)上述研究結(jié)果，穩(wěn)定電場與電荷之間形成的力作用于傳質(zhì)界面，可以促進(jìn)界面間的傳質(zhì)，而利用交變電場也可以達(dá)到同樣的效果，說明交變電場下的傳質(zhì)過程強化不是由于帶電物質(zhì)在特定方向的運動引起的。法國Amami 等10研究了經(jīng)脈沖電場（0.90kV/cm）預(yù)處理的蘋果樣品的滲透脫水傳質(zhì)過程，該過程包括對流和擴散兩個同時發(fā)生的過程，可用帶有兩個指數(shù)項的動力

8、學(xué)模型方程描述。實驗結(jié)果表明，經(jīng)脈沖電場作用后，蘋果樣品的滲透脫水過程中水和溶質(zhì)的擴散得到增強。張東翔等11研究了靜電場對液-液體系相間傳質(zhì)動力學(xué)特性的影響。研究表明，無表面活性劑時，不同方向的靜電場均顯著加速傳質(zhì)過程，正向靜電場增幅達(dá)到114，外加靜電場是通過相界面微乳液的雙電層結(jié)構(gòu)影響相界面?zhèn)髻|(zhì)過程的。不同方向的電場對傳質(zhì)的影響不同，說明了電場與帶電粒子之間相互作用力的不同，所以靜電場下的強化傳質(zhì)過程具有一定的方向性。中南大學(xué)的左恒等12首次提出了利用電場強化氧氣向溶浸液中傳質(zhì)過程的方法，結(jié)果表明，電場可以強化氧氣向溶浸液中的傳質(zhì)過程，而且效果和電場的強弱以及浸礦溶浸液的性質(zhì)有關(guān)。和未加電

9、場的情況相比，在強度為80 V/mm 的電場作用下的總傳質(zhì)系數(shù)提高28.2。以上研究表明，交變電場、脈沖電場和靜電場都能使體系的傳質(zhì)得到強化，雖然它們的強化傳質(zhì)效果存在差異，具體的傳質(zhì)機理也不完全相同，但本質(zhì)上都是通過電場與帶電物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生的力來實現(xiàn)強化傳質(zhì)的。2 磁場強化傳質(zhì)和電場強化傳質(zhì)一樣，磁場也能夠在傳質(zhì)方面起到很好的強化作用。目前主要有磁性流化床質(zhì)量傳遞、電極電解過程、磁性顆粒的傳質(zhì)等方面的報道。實驗表明，磁場強度、頻率和方向等因素都會影響質(zhì)量傳遞的效果。Chen 等13研究分析了體積化的氣-液傳質(zhì)系數(shù)kLa，用以量化三相磁性流化床的質(zhì)量傳遞。他們根據(jù)60 個實驗數(shù)據(jù)，得到傳質(zhì)

10、系數(shù)kLa 和磁場強度H的經(jīng)驗關(guān)系為：kLa=0.40Ug0.625U10.26exp（1.477×10-5H） （1）式中，Ug和U1分別為表面氣體速度和表面液體速度，該式的平均相對誤差為10.8%。實驗表明由于氣-液界面面積的增加，傳質(zhì)系數(shù)隨著磁場強度的增強而增大，最高達(dá)到了70%。日本金澤大學(xué)的Shigeru Mori 等14研究了磁場輻射下的圓柱電極電解過程中的強化傳質(zhì)及其與電極方位的關(guān)系，實驗研究表明擴散系數(shù)的增大與電極長度和傾斜程度以及電極與磁場之間的夾角都有關(guān)。磁場的方向可以明顯影響傳質(zhì)過程，但磁場方向影響傳質(zhì)過程的具體機理仍需要深入探討。德國Reichert 等15系

11、統(tǒng)地研究了在交變磁場的作用下，磁性懸浮顆粒在攪拌的反應(yīng)器中的質(zhì)量傳遞。在不同的攪拌速度和磁場頻率的條件下進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)傳質(zhì)系數(shù)有200%以上的提高。原因是由于磁性顆粒的永久磁矩，磁性顆粒能夠與外加交變磁場相互作用，產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致顆粒的大量運動，使得顆粒與周圍媒介的相對速度增大，提高了傳質(zhì)系數(shù)。法國的NgoBoum 等16研究了外加磁場對電化學(xué)系統(tǒng)中傳質(zhì)過程的影響。未加磁場時，系統(tǒng)中的質(zhì)量傳遞很弱。相反，若加上一個與電場垂直的磁場，則電磁力就會使系統(tǒng)中產(chǎn)生一個管道流以控制傳質(zhì)過程。在某種意義上系統(tǒng)就像是一個電磁泵， 產(chǎn)生兩種水動力體系，一個是小單元中的黏性支配體系，另一個是大單元中的慣性

12、支配體系。這就是外加磁場的作用可以極大地影響電化學(xué)系統(tǒng)中傳質(zhì)過程的原因。在磁場強化傳質(zhì)過程中，磁場強度和頻率是影響傳質(zhì)效果的重要因素，但它們對傳質(zhì)影響的具體規(guī)律還不是十分清楚，這方面仍然需要從分子動力學(xué)層次上進(jìn)行深入地研究。3 電磁場強化傳質(zhì)目前關(guān)于電磁場強化傳質(zhì)的研究主要集中在微波方面，如微波輔助萃取技術(shù)。微波輔助萃取技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代興起的一種具有廣泛應(yīng)用前景的提取技術(shù)，它也是目前外場強化傳質(zhì)研究的熱點之一。應(yīng)用微波進(jìn)行強化傳質(zhì)的實驗與理論研究報道較多，也較全面。華南理工大學(xué)肖凱軍等17利用高頻電磁場做了浸取桔皮果膠的實驗，研究發(fā)現(xiàn)，在高頻電磁場輻射下，從橘皮中提取果膠的浸取效率提

13、高到23倍，相對于傳統(tǒng)加熱方法，高頻電磁場能夠選擇性地提取果膠物質(zhì)等極性成分，強化果膠的浸取過程，提高果膠的提取效率。由于電偶極矩和轉(zhuǎn)動慣量等物理參數(shù)的不同，不同極性成分對不同頻率的電磁波的吸收能力是不同的，所以選用多種頻率的電磁波進(jìn)行實驗，能更好地了解電磁場與極性成分的相互作用，從而促進(jìn)強化傳質(zhì)機理的研究。英國威斯敏斯特大學(xué)Dincov 等18研究了兩相多孔介質(zhì)在強微波加熱下的傳熱傳質(zhì)情況。研究表明，傳熱傳質(zhì)在很大程度上受到多孔介質(zhì)內(nèi)部熱源的影響。由內(nèi)部熱量和相變產(chǎn)生的內(nèi)壓力梯度導(dǎo)致水分的遷移。隨著內(nèi)部熱量的產(chǎn)生，大部分水分在離開樣品之前就已經(jīng)蒸發(fā)。他們建立的多孔介質(zhì)多相輸運模型能夠解釋整個

14、干燥過程。通常情況下，傳質(zhì)過程都伴隨著傳熱過程的發(fā)生，這一模型可以為理解多孔介質(zhì)在微波加熱下的傳熱傳質(zhì)耦合提供一個很好的基礎(chǔ)。微波與物質(zhì)的復(fù)雜相互作用使得微波可以提高某些特定介電性能分子的擴散速率，為探討微波輻射對分子擴散的影響，美國田納西州大學(xué)的Galinada 等19主要研究了在何種實驗條件下可以應(yīng)用微波輻射來提高反相液相色譜內(nèi)擴散的速率。實驗條件有：有無微波輻射、3 種不同的流動相流速和不同的微波功率。實驗結(jié)果顯示，有微波輻射時丙苯的內(nèi)擴散比無微波輻射時要顯著增強，且隨著微波功率的增大而增強。在25 ，無微波輻射時內(nèi)擴散系數(shù)為6.947×10-6cm2/s，微波功率是15 W時

15、為8.408×10-6cm2/s ；當(dāng)溫度為30 時，無微波輻射時為7.848×10-6cm2/s，微波功率是30 W 時為9.389×10-6cm2/s。也就是說，有微波輻射時的內(nèi)擴散系數(shù)要比沒有時增加20%左右。這些結(jié)論表明，分子的介電性能使得它們對微波敏感，微波輻射可以提高這類分子的擴散速率。他們也研究了反相液體色譜中胰島素異體的內(nèi)擴散在微波輻射下的影響。在微波輻射下，胰島素的內(nèi)擴散明顯增強，并且內(nèi)擴散系數(shù)De 隨著微波功率的增大而增大20。Yusuke Nakai 等21研究了微波輻射下乙酸纖維素膜的氣體滲透性，測定了在2.45 GHz 的微波輻射下，溫度

16、為25時乙酸纖維素膜的CO2滲透系數(shù)。實驗表明，CO2的滲透性和擴散系數(shù)都有提高，并隨著微波功率的增加而增大。在500W 的微波功率下，擴散系數(shù)有1.37 倍的提高，原因是2.45GHz的微波提高了乙酸纖維素膜中羥基的偶極活性。在文獻(xiàn)22中，他們測定了在2.45GHz 的微波下乙酸纖維素膜和聚苯乙烯膜的氣體滲透系數(shù)，實驗結(jié)果表明，微波輻射對沒有極性官能團(tuán)的聚苯乙烯膜的氣體滲透系數(shù)沒有影響，而有極性官能團(tuán)的乙酸纖維素膜的氣體滲透系數(shù)卻有所增大。這可以解釋為，微波輻射提高了極性官能團(tuán)的分子運動活性，從而降低了擴散勢壘，即活化能。在308K 的相同溫度下，無微波輻射和有微波輻射時氣體的滲透系數(shù)可分別

17、表示為：P=P0exp-GP308R （2）P'=P0exp-G'P308R （3）式中，GP和G'P分別表示無微波輻射和有微波輻射時的活化能，P0為常數(shù)，R為摩爾氣體常量。在溫度相同的條件下，P'P，根據(jù)式（2）和式（3）可知微波輻射下活化能降低了，導(dǎo)致滲透系數(shù)增大。楊俊紅等23用索氏抽提、回流與微波等方法對一些中草藥中的有效成分進(jìn)行提取，并結(jié)合目標(biāo)成分從基質(zhì)向溶劑擴散的阻力分析探討了中草藥有效成分提取的強化傳質(zhì)機理。研究表明，微波提取的阻力最小，提取速率最快。微波的選擇性加熱與體積加熱，能夠使目標(biāo)成分在材料中的擴散阻力大大減小，從而使擴散得到增強。以上3 種

18、強化傳質(zhì)方式都能使一些傳質(zhì)過程得到強化，但它們還存在許多不同之處，比如在傳質(zhì)對象和傳質(zhì)機理等方面是有區(qū)別的。在傳質(zhì)的對象方面：電場強化傳質(zhì)主要是針對那些帶有一定電荷的物質(zhì)；磁場強化傳質(zhì)則主要針對那些磁性顆粒；而電磁場強化傳質(zhì)對帶電物質(zhì)和磁性物質(zhì)都能進(jìn)行強化，對一些極性分子的擴散也有很好的強化作用。所以電磁場強化傳質(zhì)的應(yīng)用更加廣泛，這也是電磁場強化傳質(zhì)的優(yōu)點之一。在傳質(zhì)的機理方面：電場強化傳質(zhì)一般是由于電場梯度的出現(xiàn)，對物質(zhì)產(chǎn)生了力的作用，增大了質(zhì)量擴散通量；磁場強化傳質(zhì)可能的機理是磁場對磁性顆粒產(chǎn)生了一個轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致顆粒的大量運動，增強了磁性顆粒的擴散；電磁場強化傳質(zhì)是由于電磁場與物質(zhì)的相互

19、作用，改變了物質(zhì)的活性，降低了傳質(zhì)過程的活化能，使分子的遷移更容易進(jìn)行。4 關(guān)于微波非熱效應(yīng)微波介電加熱具有熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)24。某些物質(zhì)吸收微波能而發(fā)熱的現(xiàn)象，稱為微波熱效應(yīng)，它是微波具有的基本特點。微波非熱效應(yīng)是指一種不是由溫度引起的非致熱的特殊效應(yīng)。在化學(xué)反應(yīng)過程中，微波非熱效應(yīng)是指微波的作用可以改變反應(yīng)動力學(xué)，降低反應(yīng)活化能，從而加快反應(yīng)的進(jìn)程。在陶瓷的燒結(jié)與熱處理過程中，微波非熱效應(yīng)是指微波加熱中出現(xiàn)的顯著區(qū)別與常規(guī)加熱中的現(xiàn)象，如：促進(jìn)物質(zhì)的擴散、致密化過程加快、燒結(jié)溫度降低、燒結(jié)進(jìn)程加快和對結(jié)晶相變過程的影響等25。目前的許多實驗和理論研究證明，在微波強化傳質(zhì)方面，微波確實具有非

20、熱效應(yīng)。翟華嶂等25研究了微波非熱效應(yīng)誘發(fā)的陶瓷材料中物質(zhì)各向異性擴散，推導(dǎo)了微波場中由于濃度梯度或勢場梯度造成的擴散通量JM和物質(zhì)的本征擴散通量JC之間的關(guān)系：JM=ch(qdEcos2kT)JC (5)式中，q 為電荷量；d 為勢壘間距；離子擴散方向與電場E的夾角為；對擴散起作用的分量為Ecos 。上式說明微波對材料中物質(zhì)擴散的促進(jìn)作用是具有方向性的，方向性強化離子擴散是微波加熱中非熱效應(yīng)的一種表現(xiàn)。Bykov等26研究了微波作用下納米多孔氧化鋁膜退火中的傳質(zhì)過程。實驗表明，與傳統(tǒng)退火相比，微波退火過程中的傳質(zhì)得到強化。這種增強不能歸因于熱應(yīng)力，而顯然是微波非熱效應(yīng)的結(jié)果。Bykov等在文

21、獻(xiàn)27中對材料的微波處理進(jìn)行了綜述，總結(jié)了微波處理過程中的一些理論觀點。微波處理速率的提高與固體中質(zhì)量傳遞的微波非熱效應(yīng)問題是有關(guān)聯(lián)的。晶格中的空位給原子的擴散運動提供了路徑。通?？瘴坏臐舛容^小，空位間的相互作用可以忽略，所以用理想氣體近似是可行的。一般來說，用空位描述擴散過程比用原子描述更方便?？瘴粩U散系數(shù)與原子輸運到鄰近空格點的概率成比例，即：da2v0exp(-GkT) (6)式中，a 為晶格常數(shù)；v0 為晶格振動頻率；k為玻爾茲曼常數(shù)；G 為原子平衡位置間勢壘。在微波場作用下，離子晶格結(jié)構(gòu)的固體中空位通量增加了由電場引起的項：J=-DN+DNqE/kT (7)式中，N 為濃度；q 為空

22、位的有效電荷量；E為電場矢量。從該式中可以看出，由于第二項的出現(xiàn)，微波對擴散通量會有影響，增大微波場強可以有效地增強擴散。上述關(guān)于微波非熱效應(yīng)的研究結(jié)果表明，由于微波與那些具有特定介電性能物質(zhì)的相互作用，使物質(zhì)活性增強，降低了各種過程的活化能，從而使過程的進(jìn)行加快，這些都是微波非熱效應(yīng)的體現(xiàn)，說明微波非熱效應(yīng)是確實存在的。對那些不能與微波發(fā)生相互作用的物質(zhì)，微波則不能對其擴散進(jìn)行強化，所以微波對物質(zhì)擴散的強化是具有選擇性的。在實際應(yīng)用中，可以充分利用微波的這一特性，對體系中特定物質(zhì)的擴散進(jìn)行強化，達(dá)到分離、提純的目的。5 結(jié) 語雖然外場作用下的強化傳質(zhì)得到大量實驗的證實，但這一領(lǐng)域所涉及的學(xué)科

23、眾多，問題復(fù)雜，目前在實驗和理論上都存在許多不足。例如在微波強化傳質(zhì)方面，增大微波功率可以使傳質(zhì)得到強化，但為了與普通加熱相區(qū)別，對傳質(zhì)速率的測定需要更加精確。微波引起的溫度升高和微波與物質(zhì)的復(fù)雜相互作用都會對傳質(zhì)產(chǎn)生影響，區(qū)分這兩種不同情況是有必要的，這就要求微波加熱與傳統(tǒng)加熱時樣品的溫度梯度完全一樣，但這在實驗中是很難做到的。由于微波與物質(zhì)之間有復(fù)雜的相互作用以及實驗技術(shù)條件的欠缺，微波輻射對傳質(zhì)動力學(xué)的影響仍然值得深入探討，具有廣闊的研究空間。目前，外場強化傳質(zhì)在食品、材料加工、化學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用受到重視，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。比如在微波強化中草藥有效成分的提取中，對不同的物質(zhì)萃取所需的

24、萃取時間、萃取溶劑、微波功率等萃取參數(shù)的選擇都處于實驗摸索階段，萃取過程中的動力學(xué)機制研究還不夠。今后微波萃取強化傳質(zhì)機理的研究工作可以集中在以下兩方面：通過微波與物質(zhì)相互作用機制以及萃取工藝的研究，找出特定物質(zhì)萃取過程中所需的最佳微波頻率，最佳微波功率以及其它萃取參數(shù)，最大限度地減少萃取過程中的能量消耗，達(dá)到提高萃取效率和經(jīng)濟(jì)效益的目的；建立微波強化提取中草藥有效成分的傳質(zhì)理論，解決以上問題，更好地促進(jìn)微波輔助萃取的理論研究和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。隨著實驗與理論的成熟，外場強化傳質(zhì)必將具有廣泛的應(yīng)用前景。參 考 文 獻(xiàn)1 劉偉，范愛武，黃曉明. 多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論與應(yīng)用M. 北京：科學(xué)出版社，20

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