微波催化氧化技术23页PPT

42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
微波催化氧化的技术Fra bibliotek61、辍学如磨刀之石，不见其损，日 有所亏 。 62、奇文共欣赞，疑义相与析。
63、暧暧远人村，依依墟里烟，狗吠 深巷中 ，鸡鸣 桑树颠 。 64、一生复能几，倏如流电惊。 65、少无适俗韵，性本爱丘山。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹

1986年，微波氧 化技术首次被提出
1990年代，微波氧 化技术在环境工程 领域得到广泛应用
2000年代，微波氧 化技术在材料科学 、化学工程等领域 得到进一步发展
2010年代，微波氧 化技术在生物医学 、食品科学等领域 得到广泛应用
食品工业：食品加工、食品 保鲜、食品消毒等
化工行业：有机合成、催化 剂制备、精细化工等
精细化工：微波氧化技术可以 用于精细化工产品的合成和精 制
石油化工：微波氧化技术可以 用于石油化工产品的合成和精 制
废水处理：微波氧化技术可以 有效去除废水中的有机物和重 金属离子
农药生产：微波氧化技术可 以用于农药的生产和精制
医药生产：微波氧化技术可 以用于医药的生产和精制
食品加工：微波氧化技术可 以用于食品的加工和精制
易于控制：微波加 热易于控制，可以 精确控制反应温度 和时间
设备成本高：微波氧化设备需要较 高的成本投入
反应条件苛刻：微波氧化技术需要 特定的反应条件，如温度、压力等
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操作难度大：微波氧化技术需要专 业的操作人员
产物分离困难：微波氧化技术产生 的产物分离困难，需要特殊的分离 技术
生物医药领域：药物合成、生 物样品处理等
PART SEVEN
微波氧化技术在环 保领域的应用将越 来越广泛
微波氧化技术在材 料科学领域的应用 将越来越深入
微波氧化技术在生 物医学领域的应用 将越来越受到重视
微波氧化技术在能 源领域的应用将越 来越具有潜力
提高微波氧化效率：通过优化微波频率、功率和反应时间等参数，提高微波氧化效率。 扩大应用领域：将微波氧化技术应用于更多领域，如废水处理、土壤修复、生物质转化等。 降低成本：通过改进微波反应器设计和材料选择，降低微波氧化技术的成本。 提高环保性能：研究微波氧化技术对环境的影响，提高其环保性能。

06 案例分析
某石化企业催化氧化工艺改造
改造背景
某石化企业原有催化氧化 工艺存在能效低、污染物 排放量大等问题，需要进 行技术升级和改造。
改造内容
采用新型高效催化剂，优 化反应条件，提高反应速 度和选择性，降低能耗和 污染物排放。
改造效果
改造后，催化氧化工艺的 能效提高了30%，污染物 排放量减少了50%，同时 提高了产品收率和质量。
产品后处理与分离
产物分离
催化氧化反应结束后，产物需要经过分离和提纯才能得到最 终产品。分离和提纯的方法包括蒸馏、萃取、重结晶等，应 根据产物的性质和要求选择合适的分离方法。
废水处理
催化氧化过程中会产生一定量的废水，需要进行处理以避免 对环境造成污染。废水处理的方法包括物理法、化学法和生 物法等，应根据废水的性质和排放标准选择合适的方法进行 处理。
THANKS
鼓泡塔反应器的优点是结构简单、操作方便、催化剂装填量较大，但传质效率相对 较低。
催化氧化设备的选择与设计
选择催化氧化设备时，应根据具 体的工艺要求、物料性质和处理
规模等因素进行综合考虑。
设计催化氧化设备时，应注重设 备的结构、材料、热工条件、安 全环保等方面的要求，以确保设
备的可靠性和经济性。
在实际应用中，可以根据具体的 情况选择合适的催化氧化设备， 以达到最佳的处理效果和经济效
原料的提纯
对于某些含有杂质的原料，需要进行提纯以提高其纯度。提纯的方法包括萃取、重结晶、 蒸馏等，应根据原料的性质和目标产物选择合适的提纯方法。
催化剂的选择与装填
催化剂的选择
催化剂在催化氧化过程中起着至关重要的作用，选择合适的催化剂可以提高反应 速率、产物纯度和选择性。在选择催化剂时，应考虑其活性、稳定性、选择性以 及经济性等因素。

饱和烃：夺氢反应 C=C键：加成反应 卤代有机物：不与有机物连接的卤素反应，α氢被
卤素取代，则反应速度降低，并且不能与饱和全卤 化合物反应，如四氯化碳；
中等和大分子有机物反应快速，接近扩散控制极限 低分子或高度氧化的有机化合物：甲基氢原子如果
没有被特殊连接的取代物活化，则被取代的速率较 慢；从羧酸阴离子中的电子转移速率也较慢。所以 乙酸根或草酸根被羟基自由基氧化的速率比中等分 子有机物的速率慢1-2个数量级
TiO2 ：不发生光腐蚀；耐酸碱性好，化学 性质稳定；对生物无毒性；来源丰富；能 隙较大（3.2ev，最大入射波长为 387.5nm），有很强的氧化还原能力；
二氧化钛基本结构：锐 钛矿、金红石、板钛矿
连接方式：
锐钛矿
金红石、板钛矿
金红石
锐钛矿
板钛矿
金红石、锐钛矿和板钛矿的相图
光催化反应的主要应用
E°V
半反应
E°V
3.06
—
F2 + 2e = 2F
2.65
2.85
OH· + e
==
—
OH
2.0
2.442
O(g) + 2H2O + 2e
==
—
2OH
1.59
2.07
—
O3 + H2O + 2e == O2 + 2OH
1.24
1.776 H2O2 + H+ + e == OH· + H2O 0.71
– 有机物浓度很低的时候，认为KC<<1 则可简化为：r=kKC=k’C
– 当有机物浓度很高时，KC>>1 则可简化为：r=k

地质勘查、安全监控等领域。
随着技术的不断发展，微波雷达 的应用领域还将不断拓展，为人 类的生产和生活带来更多的便利
和安全保障。
05 微波通信
微波通信的基本原理
微波通信是利用微波作为载波来传递信息的通信方式。微波是指频率在 300MHz-300GHz的电磁波，具有波长短、频率高的特点。
微波通信的基本原理是将低频信号调制到微波载波上，通过天线将微波 信号发射出去，在接收端通过解调将低频信号还原出来。
微波雷达的探测信息丰富，能够提供目标物体的位置、速度、方向等多方面的信息，为后续 的数据处理和目标识别提供了基础。
微波雷达的应用领域
微波雷达在军事领域中广泛应用 于导弹制导、目标跟踪、战场侦 察等方面，是现代战争中的重要
技术手段之一。
在民用领域中，微波雷达也具有 广泛的应用前景，如交通流量监 测、气象观测、航空航天探测、
微波通信的调制方式有多种，如调频、调相和调幅等，其中调频是最常 用的一种。
微波通信的特点与优势
传输容量大
传输质量稳定
微波通信具有较高的频谱利用率，可以同 时传输多路信号，适用于大容量、高速率 的信息传输。
微波信号传输不受天气、环境等因素的影 响，传输质量比较稳定。
建设成本低
灵活性高
微波通信可以利用现有的通信设施进行建 设，不需要进行大规模的线路铺设和施工 ，建设成本相对较低。
质量和效率。
06 微波技术的挑战与未来发 展
当前微波技术面临的挑战
技术更新换代
随着科技的不断进步，微波技术需要不断更 新换代以满足新的应用需求。
电磁波的安全性
微波技术的广泛应用涉及到电磁波的安全性 问题，需要加强研究和监管。
高频段电磁波的传输

USTC ABCD Lab
• 高频放电依据天线（电极）耦合方式不同，又分 为射频放电（包括电容耦合和感应耦合）和微波 放电（也称为电磁波耦合）。
• 电容耦合：利用静电场来加速电子（直接激发E 型放电）。
• 电感耦合：利用感应电场加速电子（感应激发H 型放电）。
• 电磁波耦合：利用电磁波产生等离子体（直接激 发E型放电） 。
USTC ABCD Lab
• 决定交流放电击穿电场、电流和带电粒子密度的 因素有：
（1）工作气体性质和压强、电子平均自由程、电 子与气体分子的碰撞频率
（2）放电容器的尺寸 （3）外加电场E的频率f和波长λ 外加电场的强度为：
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E型放电和H型放电
• E型放电中，通常基本的导电电流由位移电流和 传导电流共同组成，放电由高频电场激发，传 导电流并不闭合，放电比较弱。
USTC ABCD Lab
下图则是一种微波等离子体辅助CVD反应器，利用此反应器成 功地在非常低的基片温度（约100度）下沉积出质量很好的氧化 硅膜。稍加修改后，也可用于其他合成化学反应。
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微波等离子体的应用
• 1.微波等离子体快速制备光导纤维 • 2.微波等离子体做强功率激光的高效激发泵源 • 3.MPCVD制造太阳能电池薄膜 • 4.MPCVD制造Tc超导薄膜 • 5.微波等离子体刻蚀技术 • 6.MPCVD合成金刚石薄膜 • 7.低功率微波等离子体合成氨 • 8.低功率微波等离子体合成氮氧化物 • 9.微波等离子体合成与制备聚合物膜和无机膜
t 2
如果放电频率一定，则放电最大间隙为 f和d通常有下列关系
USTC ABCD Lab
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3.1 MIOP的优势与不足
优点：工程小/设备简单/催化效率高 不足：
①由于吸附材料的问题导致净化处理时间较长 ②对某种 成分去除效果好却对另一种成分达不到处
理的要求
③催化氧化和吸附不能同时进行
3.2 发展方向
①寻求廉价高效、高效的催化剂，降低处理 成本 ②将微波技术技术有机结合 ③实现整个处理过程的连续化
2008.12. [4] 微波技术在水处理中的应用. 重庆文理学院学报. 2007.10. [5] 微波能污水处理技术简介. 北京水利. 2004.2. [6] 微波诱导催化技术在污水处理中的研究进展. 工业用水与废水. 2009.2. [7] 微波催化氧化法处理白酒废水. 江苏化工. 2004.12.
Fenton试剂 H2O2与FeSO4的混合物。
H2O2在Fe3+的作用下，可以分解为具有很强氧化能 力的OH·(氧化电位为+2.8V），将水体中的有机污 染物氧化。
MIOP也可以和其他污水处理方法联用
物理/化学/生化
2.1 相关报导
考虑因素： pH, 微波功率，试剂用量，催化剂用量 Liu用微波辐射法氧化甲苯，以为V2O5催化 剂，为TiO2载体，反应体系达到500K时就能 使其氧化成苯甲酸 (传统的方法需要在600K的条件下)；
参考文献
[1] 微波法处理生活污水可行性试验研究. 水处理技术. 2008.4.
THE END [2] 微波技术在废水处理中的应用. 环境监测管理与技术. 2007.8. Thanks for your attention. [3] 两种微波-活性炭法对苯酚的去除效果及其效能比较. 中国给水排水.
2.3 微波再生技术
• 活性炭的再生：吸附物质后的活性炭在 外界作用下脱附，以循环使用的过程。 • 热/生物/湿污水处理工艺流程图

1.3 芬顿反应的优缺点
缺点：1.Fe2+浓度高，处理后的水可能带有颜色。2.Fe3+与过氧化氢反应降低了过氧化氢的利用率。3.该系统需要将pH调至3-5之间，有一定的局限性。4.芳香族污染物无法被有效分解。5. 铁泥量大，作为废处置，成本高。
二.芬顿法去除污染物的影响因素
反应液的pH值；
Fe2+的浓度；
（2）Fe2+浓度
（3）Fe2+浓度
随着过氧化氢添加量的增加，有机物的氧化效果亦将随之提高，并且过氧化氢的添加浓度不同，则分解反应生成的产物将会有所差异。在过氧化氢浓度越高的情况下，其氧化反应产物更接近于最终产物。当溶液中的过氧化氢浓度过高时，反而会使过氧化氢与有机物竞争羟基自由基，而造成反应速率可能不如预期一样增加。自由基达到稳定浓度所需反应时间随加药量增加而增加。若以连续的方式加入低浓度的过氧化氢，减少因为过氧化氢初始浓度过高所导致的抑制效应，亦可得到较好的氧化效果。
（4）反应温度
反应温度是在小于20℃以下时，其对有机物的氧化速率将会随温度升高而加快。但是，倘若将其反应的温度升高至40-50℃时，其Fenton反应将会可能因为温度过高，进而使过氧化氢自行分解成水与氧 (2H2O2 →2H2O + O2 )，造成Fenton试剂对氧化有机物的反应速率减慢。当过氧化氢浓度超过10-20g/L 时，在其经济与安全的考虑下，应谨慎选择适当的温度。在一般商业应用上，通常将其反应的温度设定在20-40℃之间。
Barbeni等采用芬顿试剂氧化水溶液中的二氯酚和三氯酚，去除效果显著。Topuduri等采用紫外光和氧化相结合方式处理污染的地下水，结果证明99%以上的有机化合物能被破坏直至矿化。陈路平采用紫外协同芬顿试剂氧化分解二级出水残留抗生素，UV/Fenton法深度处理废水中抗生素的最佳工况条件为双氧水28.00mmol/L，铁离子2.44mmol/L，3个15w紫外灯照射强度，酸性条件pH3.6，反应时间56min时，抗生素去除率可以达到86.senhauer首次使用Fenton试剂处理了苯酚废水和烷基苯废水获得成功。1968年,D.F.Bishop研究了Fenton试剂氧化去除城市污水中难降解有机物，结果证明大部分有机物可完全被矿化。日本学者报道了采用H2O2+Fe2+ +曝气系统对甘醇废水进行预处理，然后接活性污泥可除去废水中99%以上的COD。

微波是电磁波，它是具有电磁波的诸如反射、 透射、干涉、衍射、偏振以及伴随着电磁波进 行能量传输等波动特性，这就决定了微波的产 生、传输、放大、辐射等问题都不同于普通的 无线电、交流电。
在微波领域中，通常应用所谓“场”的概念来 分析系统内电磁波的结构，并采用功率、频率、 阻抗、驻波等作为微波测量的基本量。
4 微波诱导催化氧化技术(MIOP)
Microwave Induced Oxidation Process
4.1 微波诱导催化反应基本原理
许多有机化合物都不直接明显地吸收微波，但 可利用某种强烈吸收微波的“敏化剂”把微波 能传给这些物质而诱发化学反应。如果选用这 种“敏化剂”作催化剂载体，就可以在微波照 射下实现某些催化反应，这就是微波诱导催化 反应。
7 微波环境分析技术
溶样、消解
8 微波辅助提取技术
微波萃取的原理
它的原理是在微波场中，吸收微波能力的差异 使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些 组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基 体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波 吸收能力相对差的萃取剂中。
目前，除主要用于环境样品预处理外，还用于 生化、食品、工业分析和天然产物提取等领域。 在国内，微波萃取技术用于中草药提取这方面 的研究报道还比较少。
1 微波介绍
微波是一种电磁波，波长范围没有明确界限， 一般是指分米波、厘米波和毫米波三个波段， 也就是波长从1mm 到1m 左右，频率范围从 300 MHz 到300 GHz，由于微波的频率很高， 所以亦称为超高频电磁波。
微波与工业用电和无线电中波广播的频率与波 长范围比较如表1 所示。
因为微波的应用极为广泛，为了避免相互间 的干扰，供工业、科学及医学使用的微波频段 （如表2 所示）是不同的。目前只有915MHz 和2450MHz 被广泛使用，在较高的两个频率 段还没有合适的大功率工业设备。

光催化氧化的根本原理
• 目前对半导体光催化过程较普遍的解释是利用 电子 空穴理论进行的。半导体材料之所以能 作为催化剂是由其自身的光电特性所决定的。 半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的 低能价带(valence band)和空的高能导带 (conduction band)构成，价带和导带之间存在 禁带，当半导体受到能量等于或大于禁带宽度 的光照射时，其价带上的电子(e－)受激发，穿 过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空 穴(h＋)。
?水处理新技术原理与应用? 作者: 苑宝玲
出版日期: 2006年04道大学大学院 地球環境科学研究科 物質環境科学専攻
概述
• 光化学氧化:可见光或紫外光作用下的所有氧化过 程.
• 分类：
• 1. 直接光化学氧化:反响物分子吸收光能呈激发 态与周围物质发生氧化复原反响
金属： 价带与导带局部重叠。 价带全满，导带半满。
半导体： 禁带宽度0.5～3eV 价带全满，导带有一些 自由电子。
绝缘体： 禁带宽度>4～5eV 价带全满，导带全空。
本征半导体：不含任何杂质和缺陷的半导体。 在绝对零度时，价带上所有的能级全部被电子填满，假
设温度高于绝对零度，那么由于热激发，电子有可能获得大 于禁带宽度Eg的能量而进人导带，使半导体材料具有一定的 导电能力．
Fermi能级
费米〔Fermi〕能级，EF：单个电子的电化学位。 Ei：本征fermi能级，位于禁带的中线
EC
Ei=EF
EV
本征半导体
Eredox＝－e －4.5 单位：eV 标准氢电极:4.6eV
掺杂半导体
• 向Si中掺杂微量As
As比Si多一个价电子， As进入晶格时，给出 多出的一个价电子， 变成带正电的离子， 给出的价电子进入导 带，成为自由电子， 使Si具有了导电性。