化學(xué)實驗用微波爐的改裝

1、化學(xué)實驗用微波爐的改裝姓名：楊冬俊 指導(dǎo)老師：王桂華（上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境學(xué)院 化學(xué)系）摘要將市售微波爐進行設(shè)計和改裝。首先用微波爐做了以下幾種物質(zhì)的反應(yīng)實驗：1. a-FeOOH； 2. 瓷坩堝粉末(主要成分為Al2O3)+a-FeOOH；3. 純AlOOH +a-FeOOH；4. Fe3O4； 5. g- Fe2O3； 6. 一塊小型永磁鐵+a-FeOOH等等實驗，得到了設(shè)計和改裝微波爐所需材料的參數(shù)。最后，設(shè)計了液相合成反應(yīng)和固體反應(yīng)的實驗裝置，并由此對微波爐進行了改裝。Fe3O4制備實驗證明改裝后的微波爐能夠滿足液相合成反應(yīng)的要求。關(guān)鍵詞：微波爐；設(shè)計；改裝。AbstractWe

2、have designed and improved the commercial microwave oven for liquid and solid reactions. A several experiments have done with 1. a-FeOOH; 2.Crucial powder (the main component is Al2O3 ) +a-FeOOH; 3.Pure AlOOH +a-FeOOH；4. Fe3O4；5. g- Fe2O3；6. A small ferrite +a-FeOOH. Then we have designed and improv

3、ed an instrument according to the parameters obtained from the experiments. The preparation of Fe3O4 fine particles showed that the improved instrument satisfied the requirement of liquid synthesis. Key words:Microwave oven; Design; Improvement.0.前言微波技術(shù)的應(yīng)用已有很長的歷史。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國就設(shè)計出了一種固定頻率的微波裝置作為雷達的一

4、部分，此后微波技術(shù)在通訊領(lǐng)域內(nèi)有了廣泛的應(yīng)用。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，其在分析樣品的制備、器皿的干燥、食品加工方面也得到廣泛的應(yīng)用。但直到1986年，加拿大的Gedye及其合作者1才發(fā)現(xiàn)，利用微波加熱，可以促進化學(xué)反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)對幾個世紀(jì)來慣用的傳統(tǒng)加熱技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，給化學(xué)反應(yīng)研究注入了新思維。利用微波爐加熱化學(xué)物進行反應(yīng)，其速度較傳統(tǒng)的加熱技術(shù)快數(shù)倍乃至數(shù)千倍。正是基于這個原因，微波技術(shù)引起愈來愈多化學(xué)工作者的注意。國外從有機合成到無機合成，從液相反應(yīng)到干反應(yīng)，從室溫下合成到高溫高壓下合成，從聚合反應(yīng)到解聚反應(yīng)，均有全面研究的報道2。在該方向上應(yīng)用理論技術(shù)的研究較深入，相應(yīng)的微波合成化學(xué)設(shè)備均

5、已紛紛問世3。微波在電磁波譜中介于紅外和無線電波之間，波長在1cm 1m（頻率30GHz300MHz）的區(qū)域內(nèi)，其中1cm 25cm波長區(qū)域?qū)ｉT用于雷達的傳輸，其余部分則用于電訊傳輸，為了不干擾這些重要的應(yīng)用，用于加熱技術(shù)的微波波長一般固定在12.2cm（2.45GHz）或33.3cm（900MHz）。商業(yè)生產(chǎn)的微波爐一般采用12.2cm作固定波長4。目前，絕大部分利用微波技術(shù)進行的化學(xué)反應(yīng)都在商業(yè)化的家用微波爐內(nèi)完成。這種微波爐造價低，體積小，適合于各種實驗室的應(yīng)用。但是，不經(jīng)改造的微波爐，很難進行回流反應(yīng)。在商品家用微波爐內(nèi)進行反應(yīng)，反應(yīng)容器只能采用封閉或敞口放置兩種方法。對于一些易揮發(fā)、

6、易燃燒的物質(zhì)，敞口反應(yīng)往往很危險，因而人們就對微波爐加以改造，從而設(shè)計出可以進行回流操作的微波裝置。本論文需要利用微波爐完成兩種反應(yīng)，（）液相反應(yīng)；（）固體反應(yīng)。做液相反應(yīng)，就需要回流裝置，因而需要在微波爐上打孔。打孔，不僅需要考慮打孔的位置，以及孔徑的尺寸，更重要考慮到微波的泄漏問題。就固體反應(yīng)而言，反應(yīng)往往導(dǎo)致很高的溫度，而微波爐本身卻耐不住很高的溫度，容易造成損壞，這就需要設(shè)計出一種內(nèi)置保護裝置來解決以上問題。而所設(shè)計內(nèi)置保護裝置，又要考慮材料，因為微波爐對材料有很嚴(yán)格的要求。另外，還要設(shè)計出測量反應(yīng)體系溫度的測溫裝置,因為常規(guī)的接觸式測量物料溫度的傳感系統(tǒng)在微波爐中測溫是很困難的。譬如

7、，常用的水銀溫度計或熱電偶溫度計的傳感元件和連接導(dǎo)線都是金屬的，它們在微波爐腔中會使微波電磁場集中畸變，干擾原有的溫度場分布，測量結(jié)果有誤差，嚴(yán)重時甚至無法進行。以上許多問題，都將要在本論文中設(shè)法解決。1. 微波爐的選購所選購的微波爐須能滿足液相合成和固體反應(yīng)的要求。由于實驗要求，所選購的微波爐必須具備以下幾個條件：一.耐高溫，因為所做實驗往往溫度很高，時間很長，因此微波爐要能夠承受相當(dāng)?shù)臏囟?。?功率在0800W之間可調(diào)。不同的反應(yīng)所需的功率要求不同，保證了化學(xué)反應(yīng)條件的選擇性。三.溫度可測和可控,這樣反應(yīng)就能按照所設(shè)計的方向進行。而市場上并無完全符合這些條件的家用微波爐，所以只能選擇條件最

8、接近的。最終，購買了LG-2529ST溫控靈微波爐。該微波爐具有如下優(yōu)點：（一）有涂層內(nèi)膽，不僅能抗菌，而且能耐較高的溫度（與一般家用微波爐對比而言）；（二）爐箱內(nèi)部的溫度可測（20-120oC），這樣可以知道反應(yīng)體系的溫度；（三）能夠精確控制反應(yīng)時間，范圍在10秒到10個小時，這樣既能做反應(yīng)時間很短的實驗，又能做反應(yīng)時間較長的實驗。這個產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)是：輸入電源220V，50Hz；輸出功率 微波800W；五個功率檔位，分別為160W、320W、480W、640W、800W；微波頻率2.45GHz；外形尺寸512（寬）´320（高）´408（深）mm；爐腔尺寸337（寬）&

9、#180;202（高）´373（深）mm；輸入功率微波1250W,凈容積25L；有效爐腔容積19L,有效承物盤面積633cm2。2微波爐改裝之前的實驗準(zhǔn)備以下實驗都在微波爐中進行實驗一、a-FeOOH樣品用微型燒杯盛放時間（S）功率（W）現(xiàn)象2080060800120800實驗二、瓷坩堝粉末(主要成分為Al2O3)0.4527g+a-FeOOH （黃色）0.0326g用微型燒杯盛放時間（S）功率（W）現(xiàn)象10160800301608005016080060160800120800a-FeOOH顏色變深實驗三、純AlOOH 0.4034g+a-FeOOH 00340g用微型燒杯盛放時間

10、（S）功率（W）現(xiàn)象201608004016080060160800實驗四、Fe3O4（黑色）0.2611g用微型燒杯盛放時間（S）功率（W）現(xiàn)象5016060160Fe3O4部分微粒變紅，整體現(xiàn)象不明顯70160變紅微粒增多80160變紅微粒增多90160變紅微粒增多100160變紅微粒增多110160大部分Fe3O4微粒變成深紅色120160變紅微粒繼續(xù)增多實驗五、g- Fe2O3（棕黃色） 0.2593g用微型燒杯盛放時間（S）功率（W）現(xiàn)象6032070320有少許微粒變紅，現(xiàn)象不明顯80320又有少許微粒變紅又有少許微粒變紅90320現(xiàn)象同上100320現(xiàn)象同上110320現(xiàn)象同上1

11、20320部分g- Fe2O3變成深紅色實驗六、一塊小型永磁鐵*+a-FeOOH（黃色）粉末用微型燒杯盛放時間（S）功率（W）現(xiàn)象6016060320顏色加深70320顏色變成棕褐色80320顏色繼續(xù)加深90320顏色變成暗紅色*用于固體外浴的介質(zhì)3微波爐的改裝對微波加熱設(shè)備的改裝，要保證設(shè)備的安全性和改裝的合理性，其中抑制微波泄漏是重要的技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)盡可能采取安全措施來控制微波泄漏。例如，使用爐門聯(lián)鎖裝置，使?fàn)t門敞開或者未完全關(guān)閉時切斷電路，停止磁控管工作；在連續(xù)輸送式工業(yè)微波加熱設(shè)備的出入料口，加裝微波漏能抑制器，將微波泄漏量降至允許范圍。在對微波爐改裝之前，必須清楚的了解微波特性，以及抑

12、制微波泄漏的基本原理。微波特性可以兩方面來分析：首先它是電磁波，因此它具有波動的一切特性，例如，波的迭加性，能量分布的空間性能；其次，因它的頻率甚高，具有高頻傳輸特性，例如，傳輸?shù)妮椛湫?、趨膚性等。由于這些特性決定了它不同于常規(guī)的加熱方式和加熱設(shè)備的電氣設(shè)計原理。與常規(guī)加熱方式不同點，反映在微波能量透入物料轉(zhuǎn)為熱量，使物料里外幾乎同時受熱升溫?；蛘哒f，以一種物料整體分配熱能的加熱方式加熱。而常規(guī)加熱主要依靠物料表面熱傳導(dǎo)方式加熱，其加熱的熱量在瞬時是集中分配在物料表面，然后傳入內(nèi)部，具有表面熱量積累和較大溫度梯度值的特征。從加熱設(shè)備而言，微波加熱和常規(guī)加熱對設(shè)備的設(shè)計和工作狀態(tài)也存在著較大差別

13、。常規(guī)加熱設(shè)備為熱介質(zhì)間接加熱，需要預(yù)熱加熱室，加熱時加熱室（爐體）本身也因吸熱而溫度高，能耗大。而微波加熱設(shè)備的加熱室不需要預(yù)熱，工作時加熱室溫度與環(huán)境溫差很小。其次，在設(shè)備設(shè)計上，常規(guī)加熱設(shè)備重點考慮之一是如何在工作狀態(tài)下保溫，不至于過多消耗熱能，以及提高高溫爐腔耐熱質(zhì)量等等。而微波加熱設(shè)備因加熱室溫度不高，就不存在如常規(guī)加熱設(shè)備的那些問題，需要重點考慮的是設(shè)備對微波的電氣的密封性。即微波加熱設(shè)備的設(shè)計、除設(shè)備機械特性的設(shè)計外，更重要的在于設(shè)備電氣特性設(shè)計。工業(yè)微波加熱設(shè)備的爐門或進出物料口總有縫隙或槽口，據(jù)電磁場理論，形成微波電磁場的波導(dǎo)壁電流在傳輸途徑上被縫隙或槽口所切斷，都將成為輻射

14、微波的新源頭向外輻射微波能量。因此，無論從節(jié)能或安全方面考慮都必須作出特殊設(shè)計，使微波在此部位得到足夠的衰減。其原理是利用了傳輸線的截止特性和阻抗特性 5 。到目前為止，抑制微波泄漏的結(jié)構(gòu)有梳狀扼流片和四分之一波導(dǎo)槽6。扼流梳狀片或波導(dǎo)槽屬電抗性扼流結(jié)構(gòu)，它們運用傳輸線特性把微波能量反射回加熱區(qū)域，常作為抑制器系統(tǒng)中抑制微波泄漏的第一道屏障，為安全起見，抑制器中還用微波吸收材料吸收可能剩余的微波能量，使之達到安全標(biāo)準(zhǔn)。對微波有強烈衰減作用的首選材料，固態(tài)的有石墨，液態(tài)的有水。屬耗散性衰減材料，對各種功率模式的微波均能起吸收作用。在工業(yè)微波加熱裝置中，常與扼流梳妝片、波導(dǎo)槽等聯(lián)合使用，加強對微波

15、抑制作用。3.1適于液相反應(yīng)的裝置所作液相合成反應(yīng)是利用一定量的FeCl3·6H2O(分析純)。過量H2NCONH2和一定量FeSO4·7H2O（分析純），在水溶液溶解后混合，在微波條件下制備Fe3O4，其反應(yīng)裝置圖（1）設(shè)計如下：圖(1) 液相反應(yīng)體系裝置示意圖1 反應(yīng)物料 2.玻璃管 3.冷凝管 4.反應(yīng)體系支撐物 5.微波爐爐腔由實驗裝置圖可知，我們必須對微波爐進行改裝。在這方面許多科學(xué)工作者已經(jīng)作了相當(dāng)多的工作，如我國臺灣大學(xué)王光燦等設(shè)計的連續(xù)反應(yīng)器7；澳大利亞CSIRO公司設(shè)計的連續(xù)反應(yīng)器8等等。液相實驗需加冷凝回流裝置，那就必須在爐腔頂部打孔，以便安裝實驗裝置。

16、然而在爐腔頂部打孔，孔會切斷壁表面電流，引起微波激勵由孔向外輻射，引起微波泄漏，而且，開孔越大，所引起的微波泄漏也越大。為了防止微波泄漏，一般要在爐外的打孔處連接一定直徑和長度的金屬管進行保護。這里選擇了銅管作為金屬管，根據(jù)微波和實驗對材料的要求，所用材料能耐高溫，硬度大。象木質(zhì)、橡膠材料，既不耐高溫又硬度較差；而象鉛、鋁金屬材料也是如此。所選的金屬管除了要滿足耐高溫和硬度大要求之外，還有一個要求就是不能有磁性，換句話說，不能是強吸波的材料，那么就排除了鐵和鋼材料。選擇銅管，以上條件都符合。反應(yīng)器同回流冷凝裝置通過玻璃管連接?？讖降拇笮∈紫热Q于玻璃管的直徑大小，其次，還要取決于銅管的尺寸。所

17、選玻璃管的最大直徑約25mm，從玻璃管尺寸就可確定銅管的內(nèi)外直徑，銅管的內(nèi)直徑為30mm，外直徑為40mm，結(jié)構(gòu)如圖（2）：a.正視圖 b.俯視圖圖(2) 銅管的結(jié)構(gòu)圖銅管的尺寸確定以后，所要打的孔徑也確定了，直徑為40+0.1mm?？讖匠叽绱_定以后，接下來要考慮打孔的位置。因為在微波爐的加熱區(qū)域中，中央加熱最均勻，所以選擇在爐內(nèi)頂部的正中心打孔，如圖（3）：圖(3) 打孔位置的示意圖微波爐的打孔和銅管的制作是由學(xué)校金工廠加工完成。通過實驗來證明這種改裝是可行的。實驗：將1.6gFeCl2·6H2O(分析純)溶于二次蒸餾水中，再加入2.6g（過量）H2NCONH2(尿素)，最后加入0

18、.8gFeSO4·7H2O(分析純)，快速將溶液倒至250mL圓底燒瓶中，并按圖（1）裝配后，用160W的微波功率加熱溶液約62分鐘，有灰黑色沉淀，說明有Fe3O4生成。由此證明這種改裝是成功的。與李滄江的學(xué)士畢業(yè)論文對比，在同樣條件下，用常規(guī)方法加熱，大約70。C左右，并不斷攪拌，加熱6小時，無灰黑色沉淀，無Fe3O4生成。兩個實驗對比，證明了微波在化學(xué)反應(yīng)中的價值，微波能大大提高反應(yīng)速度，明顯縮短反應(yīng)時間。3.2固體反應(yīng)與內(nèi)置保護裝置的設(shè)計不同的固體材料對微波的吸收是不同的。有些材料完全不吸微波，如玻璃、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等對微波輻射全能透過。而有些物質(zhì)強吸波，在微波條件下，由

19、于吸波，自身發(fā)生相變。實驗三和四證明，如Fe3O4（黑色）在160W微波功率條件下加熱120秒，大部分相變成深紅色的a- Fe2O3;又如：g- Fe2O3(棕黃色)在320W微波功率條件下加熱120秒，部分相變成深紅色的a- Fe2O3。還有些物質(zhì)在低溫下（低于300-500。C）不吸微波或弱吸波，如：TiO2、ZrO2，但只要達到較高的溫度時，它的吸波就非常強，能使反應(yīng)物質(zhì)達到上千度的高溫。這種高溫是其它反應(yīng)所需要的條件，但是溫度非常高，會損壞微波爐裝置，這就要求在爐內(nèi)設(shè)計一種內(nèi)置保護裝置，或者說反應(yīng)容器。這種反應(yīng)容器要求非常嚴(yán)格，其中它的外罩和底部材料必須是不吸微波的，對微波輻射全能透過

20、，且能耐非常高的溫度，熱穩(wěn)定性好，絕熱，這樣就能保證罩內(nèi)溫度很高，而微波爐內(nèi)的溫度不會升的很高，避免損壞。這種材料，可以選擇純凈的，干燥的Al2O3或者SiO2,它們都不吸微波，能耐高溫，導(dǎo)熱性差。得一提的是，Al2O3和SiO2并不是絕對不吸收微波能量，當(dāng)它們表面存在少量水分子或羥基時，也會吸收一些微波而被加熱。實驗一證明：a-FeOOH 原本在微波條件下，由于吸微波很弱，不會相變脫水。在實驗二中，將瓷坩堝（主要成分為Al2O3）碾成粉末，取粉末0.4527g盛于微型燒杯中，粉末放平，在正中挖個凹槽，放入0.0326ga-FeOOH，用800W的微波功率加熱120秒，a-FeOOH由于相變脫

21、水顏色變深。說明不純的Al2O3能夠吸收微波能。純Al2O3的制備如下：把分析純的硫酸鋁經(jīng)氫氧化鈉沉淀得的Al(OH)3作為前驅(qū)物，加熱回流，制得勃姆石g-AlOOH超微粒，然后經(jīng)550oC脫水處理2h,使其轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O39。用這樣制得的無水Al2O3替代瓷坩堝粉末做固體外浴介質(zhì)，實驗三結(jié)果證明a-FeOOH基本不脫水，顏色基本無變化。因此如果要選Al2O3作為反應(yīng)容器的外罩和底部材料的話，必須保證Al2O3的純度和干燥性。另外在固相反應(yīng)中還有一個問題需要考慮，即某些物質(zhì)在低溫下不吸收微波，但當(dāng)它們加熱到300。C以上，會強烈吸波。這里就可以利用在低溫下就能吸收微波而被加熱的物質(zhì)作為固體外浴

22、，像Fe3O4、SiC等物質(zhì)。實驗四、五和六可證明：Fe3O4在160W微波功率下，加熱110秒，相變成a-Fe2O3；又如g-Fe2O3在320W微波功率下，加熱120秒，相變成a-Fe2O3。永磁鐵具有磁性在320W微波功率下加熱90秒，所載a-FeOOH相變成a-Fe2O3。物質(zhì)同微波的偶合能力,除取決于微波的功率外,主要取決于物質(zhì)本身的性質(zhì),一種物質(zhì)在特定頻率和溫度下將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的能力可以用該物質(zhì)的損耗因子d (dissipation factor) 來衡量,符合方程式tan d=e ”/e 。其中tan d 為介質(zhì)損耗因子角正切；e ”是物質(zhì)的介電損耗（dielectric l

23、oss）,表示物質(zhì)將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率；e 是物質(zhì)的介電常數(shù)（dielectric constant）表示物質(zhì)被極化的能力，也可以說是反應(yīng)物質(zhì)阻止微波穿透的能力。一般來說，物質(zhì)的值愈大對微波的偶合作用愈強，極性分子同微波有較強的偶合作用，非極性同微波產(chǎn)生弱偶合作用或不產(chǎn)生偶合作用10。吸微波能的大小取決于物質(zhì)的介電損耗因子，介電損耗因子又隨溫度而變化。如圖（4）SiC和ZrO2介電損耗因子與溫度的關(guān)系圖。圖(4) SiC和ZrO2介電損耗因子與溫度的關(guān)系圖從圖（4）中看出，SiC在低溫時，介電損耗因子較大，所以較能吸微波；而ZrO2低溫時介電損耗因子很小，故吸微波很小，但當(dāng)溫度較高時，ZrO2介電損耗因子卻很大，以致于比SiC更能吸微波?；谝陨蠋c，在反應(yīng)容器中添加幾根SiC棒作其它物質(zhì)加熱的固體外浴。之所以選擇SiC，是因為它具有耐磨，耐高溫，高強度，高熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，高溫機械強度高，以及很好的發(fā)熱材料等優(yōu)點。根據(jù)SiC吸微波的特點，再考慮到微波爐墻的保溫問題，以及加熱樣品的溫度測量等問題，對適于固相反應(yīng)的微波爐內(nèi)的反應(yīng)設(shè)計如下：圖(5) 固體反應(yīng)體系的反應(yīng)容器的示意圖1.底座 2.SiC棒 3.外罩 4.樣品 5.熱電探測元件 6.微波爐爐腔圖(5)中,1.底座和3.外罩是用純Al2O3制成的,用來作保溫