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中南大学高等燃烧学小论文
电磁场作用下的强化传质研究进展
摘要:
总结了电场、磁场和电磁场作用下强化传质的一些实验与理论工作,分析了3种强化传质方式在传质对象和传质机理方面的一些不同。
进行比较后显示,电磁场强化传质的应用更加广泛,其强化传质机理可解释为:
电磁场与物质的相互作用改变了物质的活性,降低了传质过程的活化能,从而使扩散得到增强。
最后介绍了微波非热效应的一些实验与理论研究进展。
研究表明,一些化学反应、陶瓷烧结和萃取等过程的传质得到强化确实是由于微波非热效应的作用。
关键词:
强化传质;电磁场;微波辐射;扩散系数
Abstract:
Experimentalandtheoreticalstudiesaboutmasstransferenhancementunderelectricfield,magneticfieldandelectromagneticfieldarereviewed,andthedifferencesbetweenthethreewaysofmasstransferenhancementareanalyzed.Theapplicationofmasstransferenhancementunderelectromagneticfieldismoreextensive;themasstransferenhancementmechanismcanbeexplainedas:
theelectromagneticfieldchangesthemolecule’smobility,reducestheactivationenergyofmasstransferprocess,andconsequently,enhancesthediffusionprocess.Intheend,theresearchprogressofthemicrowavenon-thermaleffectispresented.Theresultsshowthatsomechemicalreaction,ceramicsinteringandextractionprocessareenhancedbythemicrowavenon-thermaleffect.
Keywords:
masstransferenhancement;electromagneticfield;microwaveirradiation;diffusion;coefficient
质量传递和热量传递一样,是自然界和工程应用中比较常见的过程之一,遍及工农业生产的各个领域,如生物组织对营养成分的吸收[1]、运动流体的对流传质[2]、陶瓷的烧结、各种干燥过程、物质的提取过程和化学反应过程等。
在生产实践中,人们总是希望通过某些方法来提高基体内物质的输运速度,从而提高生产与实验过程的效率。
这些方法有超声波强化[3-4]、电磁场强化和微波强化[5-7]等。
目前研究表明,利用电磁场进行强化传质具有易控、省时、高效等特点,因此外场作用下强化传质的研究引起了许多实验与理论研究者的兴趣。
目前国内外对外场作用下强化传质机理的研究还不够成熟,处于实验摸索阶段。
若在外场作用下的强化传质机理研究能取得突破性的进展,即把握外场强化传质的规律,则对特定的物质就可以根据所得结论选择合适强度的外场进行强化传质,达到提高效率、节省能耗的目的。
因此对外场强化传质机理的研究有利于基础理论的深入并为实验与生产提供指导。
本文作者对电磁场作用下强化传质的一些研究进展作了比较详细地叙述,对实验与理论成果进行了总结。
1电场强化传质
在实验中,可以利用不同形式的电场实现质量传递的强化,如交变电场、脉冲电场、静电场和非均匀电场。
不同电场的作用可能会在传质效率、能耗等方面产生差异。
对悬浮于电介质液体中的电介质气泡或液滴施加一个均匀稳定的电场时,就会在界面聚积电荷,电场与这些电荷的相互作用形成的切应力产生一个环流,这一环流会使气泡与周围液体之间的传热传质得到强化。
以色列的Elperin等[8]研究了在交变电场影响下,可溶电介质气体解吸附到停滞气泡的传热传质过程。
数据计算表明在交变电场作用下,二氧化硫水溶液中停滞气泡的传质速率提高了1.5倍。
他们也研究了在交变电场影响下,由溶质、液体电介质连续相和平稳流电介质球组成的三重系统中的传质过程。
数值计算表明,在电场强度大小为E=2×104V/m的影响下,系统中的传质速度明显得到提高[9]。
根据上述研究结果,稳定电场与电荷之间形成的力作用于传质界面,可以促进界面间的传质,而利用交变电场也可以达到同样的效果,说明交变电场下的传质过程强化不是由于带电物质在特定方向的运动引起的。
法国Amami等[10]研究了经脉冲电场(0.90kV/cm)预处理的苹果样品的渗透脱水传质过程,该过程包括对流和扩散两个同时发生的过程,可用带有两个指数项的动力学模型方程描述。
实验结果表明,经脉冲电场作用后,苹果样品的渗透脱水过程中水和溶质的扩散得到增强。
张东翔等[11]研究了静电场对液-液体系相间传质动力学特性的影响。
研究表明,无表面活性剂时,不同方向的静电场均显著加速传质过程,正向静电场增幅达到114%,外加静电场是通过相界面微乳液的双电层结构影响相界面传质过程的。
不同方向的电场对传质的影响不同,说明了电场与带电粒子之间相互作用力的不同,所以静电场下的强化传质过程具有一定的方向性。
中南大学的左恒等[12]首次提出了利用电场强化氧气向溶浸液中传质过程的方法,结果表明,电场可以强化氧气向溶浸液中的传质过程,而且效果和电场的强弱以及浸矿溶浸液的性质有关。
和未加电场的情况相比,在强度为80V/mm的电场作用下的总传质系数提高28.2%。
以上研究表明,交变电场、脉冲电场和静电场都能使体系的传质得到强化,虽然它们的强化传质效果存在差异,具体的传质机理也不完全相同,但本质上都是通过电场与带电物质的相互作用产生的力来实现强化传质的。
2磁场强化传质
和电场强化传质一样,磁场也能够在传质方面起到很好的强化作用。
目前主要有磁性流化床质量传递、电极电解过程、磁性颗粒的传质等方面的报道。
实验表明,磁场强度、频率和方向等因素都会影响质量传递的效果。
Chen等[13]研究分析了体积化的气-液传质系数
,用以量化三相磁性流化床的质量传递。
他们根据60个实验数据,得到传质系数
和磁场强度H的经验关系为:
(1)
式中,
和
分别为表面气体速度和表面液体速度,该式的平均相对误差为10.8%。
实验表明由于气-液界面面积的增加,传质系数随着磁场强度的增强而增大,最高达到了70%。
日本金泽大学的ShigeruMori等[14]研究了磁场辐射下的圆柱电极电解过程中的强化传质及其与电极方位的关系,实验研究表明扩散系数的增大与电极长度和倾斜程度以及电极与磁场之间的夹角都有关。
磁场的方向可以明显影响传质过程,但磁场方向影响传质过程的具体机理仍需要深入探讨。
德国Reichert等[15]系统地研究了在交变磁场的作用下,磁性悬浮颗粒在搅拌的反应器中的质量传递。
在不同的搅拌速度和磁场频率的条件下进行实验,发现传质系数有200%以上的提高。
原因是由于磁性颗粒的永久磁矩,磁性颗粒能够与外加交变磁场相互作用,产生一个转矩,从而导致颗粒的大量运动,使得颗粒与周围媒介的相对速度增大,提高了传质系数。
法国的NgoBoum等[16]研究了外加磁场对电化学系统中传质过程的影响。
未加磁场时,系统中的质量传递很弱。
相反,若加上一个与电场垂直的磁场,则电磁力就会使系统中产生一个管道流以控制传质过程。
在某种意义上系统就像是一个电磁泵,产生两种水动力体系,一个是小单元中的黏性支配体系,另一个是大单元中的惯性支配体系。
这就是外加磁场的作用可以极大地影响电化学系统中传质过程的原因。
在磁场强化传质过程中,磁场强度和频率是影响传质效果的重要因素,但它们对传质影响的具体规律还不是十分清楚,这方面仍然需要从分子动力学层次上进行深入地研究。
3电磁场强化传质
目前关于电磁场强化传质的研究主要集中在微波方面,如微波辅助萃取技术。
微波辅助萃取技术是20世纪90年代兴起的一种具有广泛应用前景的提取技术,它也是目前外场强化传质研究的热点之一。
应用微波进行强化传质的实验与理论研究报道较多,也较全面。
华南理工大学肖凯军等[17]利用高频电磁场做了浸取桔皮果胶的实验,研究发现,在高频电磁场辐射下,从橘皮中提取果胶的浸取效率提高到2~3倍,相对于传统加热方法,高频电磁场能够选择性地提取果胶物质等极性成分,强化果胶的浸取过程,提高果胶的提取效率。
由于电偶极矩和转动惯量等物理参数的不同,不同极性成分对不同频率的电磁波的吸收能力是不同的,所以选用多种频率的电磁波进行实验,能更好地了解电磁场与极性成分的相互作用,从而促进强化传质机理的研究。
英国威斯敏斯特大学Dincov等[18]研究了两相多孔介质在强微波加热下的传热传质情况。
研究表明,传热传质在很大程度上受到多孔介质内部热源的影响。
由内部热量和相变产生的内压力梯度导致水分的迁移。
随着内部热量的产生,大部分水分在离开样品之前就已经蒸发。
他们建立的多孔介质多相输运模型能够解释整个干燥过程。
通常情况下,传质过程都伴随着传热过程的发生,这一模型可以为理解多孔介质在微波加热下的传热传质耦合提供一个很好的基础。
微波与物质的复杂相互作用使得微波可以提高某些特定介电性能分子的扩散速率,为探讨微波辐射对分子扩散的影响,美国田纳西州大学的Galinada等[19]主要研究了在何种实验条件下可以应用微波辐射来提高反相液相色谱内扩散的速率。
实验条件有:
有无微波辐射、3种不同的流动相流速和不同的微波功率。
实验结果显示,有微波辐射时丙苯的内扩散比无微波辐射时要显著增强,且随着微波功率的增大而增强。
在25℃,无微波辐射时内扩散系数为
,微波功率是15W时为
;当温度为30℃时,无微波辐射时为
,微波功率是30W时为
。
也就是说,有微波辐射时的内扩散系数要比没有时增加20%左右。
这些结论表明,分子的介电性能使得它们对微波敏感,微波辐射可以提高这类分子的扩散速率。
他们也研究了反相液体色谱中胰岛素异体的内扩散在微波辐射下的影响。
在微波辐射下,胰岛素的内扩散明显增强,并且内扩散系数De随着微波功率的增大而增大[20]。
YusukeNakai等[21]研究了微波辐射下乙酸纤维素膜的气体渗透性,测定了在2.45GHz的微波辐射下,温度为25℃时乙酸纤维素膜的CO2渗透系数。
实验表明,CO2的渗透性和扩散系数都有提高,并随着微波功率的增加而增大。
在500W的微波功率下,扩散系数有1.37倍的提高,原因是2.45GHz的微波提高了乙酸纤维素膜中羟基的偶极活性。
在文献[22]中,他们测定了在2.45GHz的微波下乙酸纤维素膜和聚苯乙烯膜的气体渗透系数,实验结果表明,微波辐射对没有极性官能团的聚苯乙烯膜的气体渗透系数没有影响,而有极性官能团的乙酸纤维素膜的气体渗透系数却有所增大。
这可以解释为,微波辐射提高了极性官能团的分子运动活性,从而降低了扩散势垒,即活化能。
在308K的相同温度下,无微波辐射和有微波辐射时气体的渗透系数可分别表示为:
(2)
(3)
式中,
和
分别表示无微波辐射和有微波辐射时的活化能,
为常数,R为摩尔气体常量。
在温度相同的条件下,
>P,根据式
(2)和式(3)可知微波辐射下活化能降低了,导致渗透系数增大。
杨俊红等[23]用索氏抽提、回流与微波等方法对一些中草药中的有效成分进行提取,并结合目标成分从基质向溶剂扩散的阻力分析探讨了中草药有效成分提取的强化传质机理。
研究表明,微波提取的阻力最小,提取速率最快。
微波的选择性加热与体积加热,能够使目标成分在材料中的扩散阻力大大减小,从而使扩散得到增强。
以上3种强化传质方式都能使一些传质过程得到强化,但它们还存在许多不同之处,比如在传质对象和传质机理等方面是有区别的。
在传质的对象方面:
电场强化传质主要是针对那些带有一定电荷的物质;磁场强化传质则主要针对那些磁性颗粒;而电磁场强化传质对带电物质和磁性物质都能进行强化,对一些极性分子的扩散也有很好的强化作用。
所以电磁场强化传质的应用更加广泛,这也是电磁场强化传质的优点之一。
在传质的机理方面:
电场强化传质一般是由于电场梯度的出现,对物质产生了力的作用,增大了质量扩散通量;磁场强化传质可能的机理是磁场对磁性颗粒产生了一个转矩,从而导致颗粒的大量运动,增强了磁性颗粒的扩散;电磁场强化传质是由于电磁场与物质的相互作用,改变了物质的活性,降低了传质过程的活化能,使分子的迁移更容易进行。
4关于微波非热效应
微波介电加热具有热效应和非热效应[24]。
某些物质吸收微波能而发热的现象,称为微波热效应,它是微波具有的基本特点。
微波非热效应是指一种不是由温度引起的非致热的特殊效应。
在化学反应过程中,微波非热效应是指微波的作用可以改变反应动力学,降低反应活化能,从而加快反应的进程。
在陶瓷的烧结与热处理过程中,微波非热效应是指微波加热中出现的显著区别与常规加热中的现象,如:
促进物质的扩散、致密化过程加快、烧结温度降低、烧结进程加快和对结晶相变过程的影响等[25]。
目前的许多实验和理论研究证明,在微波强化传质方面,微波确实具有非热效应。
翟华嶂等[25]研究了微波非热效应诱发的陶瓷材料中物质各向异性扩散,推导了微波场中由于浓度梯度或势场梯度造成的扩散通量
和物质的本征扩散通量
之间的关系:
(5)
式中,q为电荷量;d为势垒间距;离子扩散方向与电场E的夹角为θ;对扩散起作用的分量为
。
上式说明微波对材料中物质扩散的促进作用是具有方向性的,方向性强化离子扩散是微波加热中非热效应的一种表现。
Bykov等[26]研究了微波作用下纳米多孔氧化铝膜退火中的传质过程。
实验表明,与传统退火相比,微波退火过程中的传质得到强化。
这种增强不能归因于热应力,而显然是微波非热效应的结果。
Bykov等在文献[27]中对材料的微波处理进行了综述,总结了微波处理过程中的一些理论观点。
微波处理速率的提高与固体中质量传递的微波非热效应问题是有关联的。
晶格中的空位给原子的扩散运动提供了路径。
通常空位的浓度较小,空位间的相互作用可以忽略,所以用理想气体近似是可行的。
一般来说,用空位描述扩散过程比用原子描述更方便。
空位扩散系数与原子输运到邻近空格点的概率成比例,即:
(6)
式中,a为晶格常数;
为晶格振动频率;k为玻尔兹曼常数;ΔG为原子平衡位置间势垒。
在微波场作用下,离子晶格结构的固体中空位通量增加了由电场引起的项:
(7)
式中,N为浓度;q为空位的有效电荷量;E为电场矢量。
从该式中可以看出,由于第二项的出现,微波对扩散通量会有影响,增大微波场强可以有效地增强扩散。
上述关于微波非热效应的研究结果表明,由于微波与那些具有特定介电性能物质的相互作用,使物质活性增强,降低了各种过程的活化能,从而使过程的进行加快,这些都是微波非热效应的体现,说明微波非热效应是确实存在的。
对那些不能与微波发生相互作用的物质,微波则不能对其扩散进行强化,所以微波对物质扩散的强化是具有选择性的。
在实际应用中,可以充分利用微波的这一特性,对体系中特定物质的扩散进行强化,达到分离、提纯的目的。
5结语
虽然外场作用下的强化传质得到大量实验的证实,但这一领域所涉及的学科众多,问题复杂,目前在实验和理论上都存在许多不足。
例如在微波强化传质方面,增大微波功率可以使传质得到强化,但为了与普通加热相区别,对传质速率的测定需要更加精确。
微波引起的温度升高和微波与物质的复杂相互作用都会对传质产生影响,区分这两种不同情况是有必要的,这就要求微波加热与传统加热时样品的温度梯度完全一样,但这在实验中是很难做到的。
由于微波与物质之间有复杂的相互作用以及实验技术条件的欠缺,微波辐射对传质动力学的影响仍然值得深入探讨,具有广阔的研究空间。
目前,外场强化传质在食品、材料加工、化学工程等领域的应用受到重视,具有很大的发展潜力。
比如在微波强化中草药有效成分的提取中,对不同的物质萃取所需的萃取时间、萃取溶剂、微波功率等萃取参数的选择都处于实验摸索阶段,萃取过程中的动力学机制研究还不够。
今后微波萃取强化传质机理的研究工作可以集中在以下两方面:
通过微波与物质相互作用机制以及萃取工艺的研究,找出特定物质萃取过程中所需的最佳微波频率,最佳微波功率以及其它萃取参数,最大限度地减少萃取过程中的能量消耗,达到提高萃取效率和经济效益的目的;建立微波强化提取中草药有效成分的传质理论,解决以上问题,更好地促进微波辅助萃取的理论研究和工业生产应用。
随着实验与理论的成熟,外场强化传质必将具有广泛的应用前景。
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