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微波催化技术的研究进展

时间:2008-08-20 05:50:53  浏览:        

微波化学是研究微波与化学反应体系相互作用的一门学科,是在深人研究微波场中物质的自身特性及其与微波辐射相互作用的基础上发展起来的。传统的加热方式是依靠热传导、对流域辐射逐步由表及里穿人物质内部。而微波加热是一种内源性加热,是对物质的深层加热。此外,相比较传统的加热方式,微波加热具有选择性,对各种极性物质,则很容易加热。但是这样也会导致过热现象,即有时溶剂温度超过了沸点而不沸腾;也可以出现局部热点现象。因此,在对物质进行微波加热时,必须考虑微波的辐射功率、微波对物质的加热速度、溶剂的极性和反应体等因素。常规催化理论源于1925年,由TailorH S 提出的活性中心学说,主要经历了中间化合物理论,催化电子理论和均相配合酶催化理论3个阶段。把微波加热手段和催化技术结合应用,往往得到令人想象不到的结果。本文重点就微波催化技术在有机合成、有机废水处理、工业钒催化剂以及粮油化工技术上的应用进行阐述。
1 微波催化在有机合成上的应用
由于 微 波 独特的加热方式,在有机合成中越来越显示出其反应迅速完全,收率高,选择性好等优点,因此被广泛应用于醋化反应、合成醚反应、化反应、缩合反应、成环反应、开环反应、偶合反应、重排反应等方面。
1.1 配合物催化
配位 化 学 是化学领域中最活跃的前沿科学之一,几乎渗透到所有的学科。高军军等[‘〕以肉桂酸钠和氯化节为原料,四丁基氯化铰作催化剂,采用微波辐射技术,在常压下直接合成肉桂酸节醋,考察催化剂用量、微波辐射功率和辐射时间对醋收率的影响,最适宜的反应条件为:当肉桂酸钠与氯化节的摩尔为1:1.2时,采用1.0 m ol四丁基氯化钱和0.05mol肉桂酸钠,微波功率为300 W,辐射25 min,收率达84%以上。此外,罗军等将微波加热用于卤素交换氟化反应中,以季按盐、聚乙二醇和三氯化锑作为有效催化剂,采用四甲基氯化铰和PEG一6000以二甲亚矾为溶剂反应4 h可分别得到收率为75.1%和77.2%的邻硝基氟苯,反应时间大大缩短,收率明显提高。吴东辉报道了以不同配合物催化剂在微波辐射条件下催化合成氯乙酸异丙醋的新方法,并与常规的合成方法进行了比较。
1.2 酶催化剂
酶是 一 种 高效的生物催化剂,它催化的反应速度比非酶催化的反应速度一般要快106一1o12倍。微波辐射可以改善酶的“微环境”,从而可能提高酶催化的专一性,酶催化体系经过微波辐射后,增强活性中心的立体结构与相关底物基因的诱导和定向作用,使底物分子中参与反应的基团与酶活性中心更加相互接近,并严格定位,使酶催化反应具有更高效率和专一性。Parker研究了非水相微波辐射条件下酶催化酶交换反应,实验结果表明,由于微波加热是内加热方式,反应物在较短周期内将得到很快的均匀加热,反应时间过长反而影响收率。Zare一vucka等研究了微波辐射条件下通过葡萄糖基转移作用,酶促拆分了烷基一R-D一毗喃葡萄糖昔和烷基一R一D一毗喃半乳葡萄糖昔,实验结果表明,相对于传统加热条件,酶催化有机合成的选择性大大提高,反应时间明显缩短。Carrillo一Munoz等研究微波辐射下的脂肪酶催化反应— 1一苯基乙醇的手性拆分,认为微波辐射固定化醇催化反应相对于传统加热方式,提高了脂肪酶在醋化和转醋化反应中对底物的亲和性和反应选择性。
2 微波催化处理有机废水
化 工废 水 大都具有有机物浓度高(Col久;r>5 000 mg/L)、生物降解性差等特点,很难用传统方法处理。目前,处理高浓度难降解有机废水较好的方法是湿式氧化法,但该方法需要高温、高压,对于难降解氧化的有机物,条件则更为苛刻,不适应实际的工业生产。微波辐射技术具有快速、高效和不污染环境等特点。张慧敏[2〕在催化湿式氧化法的基础上提出了微波催化湿式氧化法处理难降解有机废水的新工艺:以含硝基苯类、苯胺类、氟化物的废水(A)、含乙蒜素的废水(B)和含硝基物的废水(C)为水样进行测定。实验采用间歇微波催化湿式氧化工艺,微波功率为630 W,微波辐照废水水样10 min.实验结果表明,(A)的CODc,去除率达到了90.9%,时间为15 min时,去除率为89.7% ,反而有所下降。同样辐射10m in,(B )的COD去除率达到了97.7% ,(C )的CODcr去除率达到了93.4%,并且全部超过采用传统方法的去除率「3]。东北师大的郝苗叫报道了采用微波诱导催化处理连续流染料废水。研究表明:对于连续流染料废水中的初试浓度过高时,微波输出功率越大,停留时间越长,脱色效果越明显,如果初试染料废水的质量浓度在400mg/L,输出功率为720 W,停留时间在4.76 min,出水10L 内其脱色率为95% ,C OI毛去除率高于92% 。
3 微波媛烧钒催化剂
硫酸是一种重要的无机化工原料,主要采用接触法生产。二氧化硫的催化氧化是硫酸生产的关键步骤。目前世界上普遍采用钒催化剂催化氧化二氧化硫。钒催化剂生产中干燥和缎烧二段工艺反应时间长、能耗大、扬尘点多,致使钒催化剂的机械强度低,磨耗大。因此,试图采用微波辐射的方法来取代传统的干燥和锻烧方法。实验表明,V205具有强烈地吸收微波的功能,这为采用微波法提供了可能。东南大学的孙德坤等[5-6〕报道了微波缎烧制备钒催化剂的实验:实验结果表明,微波法缎烧钒催化剂的催化活性、机械强度等指标都超过了采用传统法生产的催化剂,并且能够减少耗能,降低成本,同时减少环境的污染,具有经济与环保的优点。此外 ,微 波催化技术还应用于石油化工、烟草行业和微波催化辅助提取中药有效成分等方面

4 展望
微波 催 化 技术是一门综合性交叉科学,尽管它的作用机理尚不够清楚,人们对反应机理的争议也较多,但由于它能在一些反应中大大提高反应速度,缩短反应时间,提高收率,实现某些常规方法不能进行的反应,并且可以和大多数常规催化剂共同作用,大大降低了反应物的活化能。由于目前常用微波装置为家用微波炉改装后的仪器,效果并不是最佳,随着人们对微波催化的不断认识、对微波催化技术的深人研究和微波装置的不断改进,可以预见微波催化技术将会得到广泛的应用和发展。
参 考 文 献
[11 高军军,胡书明,吾满江,等.微波催化技术在有机合成中的作用〔J〕新疆师范大学学报2005,24(1):40 -44.
[2」张慧敏.微波催化湿式氧化法处理难降解有机废水【1l.河南化工,2005,22(5):23一24.
[3l 谭亚军,蒋展鹏.废水处理催化湿化氧化法及其催化剂的研究进展「J〕环境工程,1999,17(4):14一18.
[4l都苗.微波催化处理连续流染料废水的研究【Dl.长春:东北师范大学,2002:18 -28.
[5l孙德坤,郑福萍,姜维鸿,等.微波法股烧硫酸工业机催化剂[1l.江苏化工,2003, 31(3):38一40.
[6〕施燕飞,石金莲.机催化剂生产过程中微波燃烧实验与性能研究〔Jl.化学工业与工程技术,2001, 22(4):10-11.
[7]夏祖学,刘长军,闰丽萍,等.微波化学的应用研究进展【1l.化学研究与应用,2004,16(4):441 -443.

  
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