微波催化光化学及其在环境治理中的应用

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1、第17卷第2期江苏技术师范学院学报Vol.17,No.22011年2月JOURNALOFJIANGSUTEACHERSUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFeb.,2011微波催化光化学及其在环境治理中的应用叶招莲，陈娴，刘剑君（江苏技术师范学院化学与环境工程学院,江苏常州213001）摘要：微波在化学反应中所起的作用包括热效应和非热效应。阐述了微波转化为热能的机理（热效应），并从微波辅助过程、微波光催化(MW/UV)和微波无极紫外灯三个方面概括了微波的非热效应在化学反应中的应用。最后，综述了MW/UV反应器结构、影响因素、反应机理及在环境治理中的

2、应用。关键词:微波辐射;光催化;反应机理;环境治理中图分类号：O644.1文献标识码：A文章编号：1674-8522（2011）02-0001-070引言微波辐射作为一种低能电磁副辐射（频率范围300MHz到30GHz）越来越广泛地被家庭和工业应用。早在1949年，微波就被工业应用于木材、塑料、纤维、茶叶和香烟的成型加工。近年来，微波已被用于陶瓷烧结、癌病治理、消毒、活性炭制备和协助光催化等。微波辐射由于具有加快反应、提高产率和选择性等良好的性能，已越来越广泛地应用到化学领域[1]中，目前已在分析化学、无机化学和有机化学领域都得到广泛研究。[2,3]近年来

3、,微波技术已被引入到环境科学与工程学科领域,在污染物治理和环境监测与分析方向上取得了显著成绩。微波污染控制技术涉及的领域很多，包括吸附剂制备及再生、微波加热去除土壤中挥发性[4]有机物、微波诱导催化技术、微波光催化等。笔者主要从微波转化为热能的机理、微波在化学反应中的作用，微波光催化在环境中的应用及影响因素、机理等方面进行阐述。1微波辅助化学反应[5]微波在化学反应中的作用是什么？文献表明，微波除了对反应物加热引起反应速率改变以外,还具有电磁场对反应分子间行为的直接作用而引起的“非热效应”。本节首先探明微波转化为热能的机理，然后阐述化学反应中微波可能起到的

4、其它作用，包括微波辅助过程、微波光催化、微波转化为光能（微波无极紫外灯）三类。1.1微波转化为热能的机理及穿透深度通常来说，微波可以产生三种形式的热：介质损耗热，传导损耗热和磁性损耗热。因此，单位时间、单位体积电介质在微波中所产生的热量P可以表示为：2122P=πfεε″E+σE+πfμμ″H。（1）002收稿日期：2010-01-08；修回日期：2010-01-15基金项目：江苏省基础研究计划（自然科学基金）资助项目（BK2009106）；江苏技术师范学院新增教授、博士科研启动专项基金（KYY10054）；江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养对象资

5、助作者简介：叶招莲（1978-），女，江西吉安人，讲师，博士，主要从事污染物控制技术研究。2江苏技术师范学院学报第17卷式中，E、H分别为微波的电场强度和磁场强度；σ为电导率；（f）指微波频率；ε指真空介电常数；ε″指介电0损耗因子；μ是指真空磁导系数；μ″是指磁损耗因子。式中第一项是介质损耗热，第二项是传导损耗热，第0三项对应磁性损耗热。液体加热通常是介质损耗热（溶液分子在微波电磁场作用下发生离子极化和偶极子转向，分子间摩擦产生热能）；固体加热主要来自传导损耗热(例如活性炭能快速吸收微波能量，因此微波可以用于活性炭生产、再生和处理吸附的有机物)。室温下，

6、固体的传导损耗非常小，但随温度升高很快。一个典型的例子就是Al2O3在室温时介电损失很低，一旦放入微波谐振腔中，在很短时间内即发生熔[6]融。磁性损耗热只出现在有磁性材料存在（例如磁性铁氧体、金属微粉等）的条件下。气体分子密度低，只有气体存在时，微波导致气体升温基本可以忽略。总的来说，微波转化为热能与微波频率、微波功率、介质特性等有关。微波能穿透介质损耗溶液体系。例如，在低的介质损耗中（ε″/ε′垲1,ε′是介电常数），微波穿透吸收媒[7]介的深度Dp可以表示为：λ0姨ε′Dp=（）（）。（2）2πε″式中，λ0是微波辐射波长（λ0(2.45GHz)=0.

7、122m）；Dp是指微波功率密度降至初始值的1/e(≈36.8%)所对应的深度，其值与温度和频率有极大的关系。溶液温度越高，吸收微波的能力越弱，相应的穿透深度Dp值越大。微波频率越高，辐射波长越小，相应的穿透深度越小。1.2微波辅助过程早期，微波主要用于食品消毒，微波加热的食品比普通热源加热的食品保存时间更长久。随后，[8][9]0TakashimaH报道了利用微波来辅助催化降解污染物。JouCJ等进行了MW辅助Fe降解五氯苯酚30（PCP）的研究，实验发现1000mg/m的PCP中加入0.5gFe，700W微波辐照5s，PCP去除率达到85%。[10]Z

8、hangL等报道了微波辅助一些氧化剂（K2S2O8、KIO4、H2