微波技术的基本原理以及在环境中的应用杨燕娜福州大学环境与资源学院一、微波的基本知识微波是一种电磁波，波长范围没有明确的界限，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。

表1 各系统所用频率与波长范围项目频率波长/m工业用电无线电中波广播微波50Hz或60Hz300～3000kHz300～300000MHz60000000或500000001000～1001～0.001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。

表2 常用微波频率范围频率范围/MHz 波段/m 中心波长/m 常用主频率/MHz 波长/m890～940 2400～2500 5725～5875 22000～22250 LSCK0.3300.1220.0520.01491524505800221250.3280.1220.0520.014微波是电磁波，它是具有电磁波的诸如反射、投射、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。

在微波系统中没有导线式电路，交、直流电的传输特性参数以及电容和电感等概念亦失去了其确切的意义。

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。

具体说来有以下几点。

（1）在研究微波问题时，应使用电磁场的概念，许多高频交变电磁场的效益不能忽略。

例如微波的波长和电路的直径尺寸已是同一数量级，位相滞后现象已十分明显，这一点必须加以考虑。

（2）微波传播时是直线传播，遇到金属表面将发生反射，其反射方向符合光的反射规律。

（3）微波的频率很高，因此其辐射效应更为明显，它意味着微波在普通的导线上传播时，伴随着能量不断地向周围空间辐射，波动传播将很快地衰减，所以对传输元件有特殊的要求。

（4）当入射波与反射波相遇叠加时能形成波的干涉现象，其中包括驻波现象。

在微波波导或谐振腔中，微波电磁场的驻波分布现象就很常见。

在微波设备中，也可利用多种模式的电磁场的分布、叠加来改善总电磁场分布的均匀性。

（5）微波能量的空间分布同一般电磁场能量一样，具有空间分布性质。

哪里存在电磁场，哪里就存在能量。

例如微波能量传输方向上的空间某点，其电场能量的数值大小与该处空间的电场强度的平方有关，微波电磁场总能量为空间点的电磁场能量的总和。

另外，电磁波是以光的速度传播的，电磁波透入物质的速度也是与光的传播速度相接近；而将电磁波的能量转变为物质的能量的时间近似是即使的，在微波频段转换时间快于千万分之一秒。

这就是微波可构成内外同时快速加热的原理。

二、微波加热作用2.1微波加热的基本原理用于微波介电加热的频率是918 MHz和2.45 GHz，最常用的频率是2.45 GHz。

在电磁场的作用下，物质中微观粒子可产生四种类型的介电极化，即电子极化(原子核周围电子的重新排布）、原子极化（分子内的原子的重新排布）、取向极化(分子永久偶极的重新取向)和界面极化(界面自由电荷的重新排布)。

电子极化和原子极化需时较短(10-15~10-12s)，在通常应用的微波频率范围内，可以认为是瞬时完成的，而后两种极化，要达到极化的稳定状态，一般需要经历10-8甚至更长的时间。

在微波场的作用下，电介质总的极化率(αt)用式(1)表示：αt =αe+αa+αd+αi (l)αe是原子核周围的电子极化率，αa是离子极化率，αd是偶极分子极化率，αi是空间电荷极化率。

自然界中的绝大多数物质是由大量的、具有不对称分子结构的极性分子和非极性分子组成。

在自然状态下，具有永久偶极的极性分子作杂乱无章的运动和排列，偶极矩在各个方向的几率相等，宏观偶极矩为零。

当物质处于电场中，如水处于微波电场时，这些物质的分子会诱导生成电偶极，见图9-1。

在电场中每个极性分子都受到转动力矩的作用而发生旋转，偶极子会重新进行排列，即分子中带正电荷一端趋向负极，带负电荷一端趋向正极，使分子排列有序化，宏观偶极矩不再为零，这就产生了转向极化。

这是极性电介质在电场作用下发生的一种主要极化形式，由于微波产生的交变电场是以每秒高达数亿次的高速变向，这样偶极定向极化跟随不及而滞后于电场的变化，出现极化弛豫现象。

在偶极子定向极化转变过程中，由于分子的热运动，相邻分子间产生磨擦，电介质分子吸收了微波场的能量并转变为热能，由此使得物质本身加热升温。

与此不同，具有对称分子结构的物质，如苯，在高频场中不能被加热，因为它缺少所必需的偶极特征。

除了极性分子转动吸收微波能量转变热能外，在高频微波电场中，正、负离子分别向阴、阳极迁移，离子每秒改变运动方向几十亿次，异性离子之间频繁碰撞，也会吸收微波能量转变热能，见图1。

不过，与偶极分子震荡相比，这种作用所吸收的高频能较小，尤其在常用的2.45 GHz频率范围内。

离子迁移和极性分子转动是使试样吸收微波发热的两种方式。

因为电子和原子极化的建立及消除所需的时间比微波电场反转的时间要短的多，不会产生微波加热。

可见与常规的依靠传导、对流的加热方法不同，微波加热是依靠介质材料在微波场中的极化损耗产生的整体加热，热量产生于材料内部而非来自外部加热源。

这种“内加热作用”使加热更快速、更均匀，无温度梯度，无滞后效应。

图1 在交变电场影响下可极化物质的分子震荡在微波场中单位体积电介质吸收的微波功率按式(2)计算：式中:Pˊ为电介质吸收的微波功率(W)，Pˊˊ为单位体积的微波吸收功率或称体积能量密度(W/m3)，f为微波的频率(Hz)，ε0为真空介电常数(等于8.85x10-12F/m)，εrˊ为介质的介电常数，tanδ为介质损耗角正切，δ为介电损耗角，E为物质内部的有效电场强度(V/m)，V为物料吸收微波的有效体积。

由(2)式可见，物质在微波场中，其单位体积的热能转换取决于微波电场强度的平方，频率以及物质的介电特性(介电常数εrˊ和介质损耗tanδ等因素。

tanδ表示物质在特定微波频率和温度下将电磁能转化为热能的效率，它等于介电常数εr ˊ与介电损耗因子εrˊˊ之比。

式中: εrˊˊ代表介电损耗因子或称动态介电常数，它表示微波穿过介电材料时产生的内电场，诱导了自由电荷移动和偶极子旋转，使材料内部引起介电损耗、减弱了电场并产生热效应。

所以εrˊˊ也代表内电场转变为热的量度。

tanδ值的大小依赖于电磁波的频率，温度和物质的物理状态及其成分。

tanδ值或εrˊˊ值越高的物质，在微波场中越容易被加热。

如水和各种含水物质具有较高的介电损耗因子，这类物质都能很好地吸收高频能和微波能。

表3列出了一些物质的tanδ值。

表3 一些物质的tanδ值由表3可见，tanδ值很小的物质如玻璃、聚四氟乙烯、苯等材料几乎全透过微波辐射，吸收的微波功率很小，在微波系统中，这类物质称为微波透明体或微波绝缘体。

而tanδ值高的物质如水、盐水和醇等极性化合物，不同程度地吸收微波的能量，称为有耗介质，或称微波吸收体，此外，如铜、银、铝之类的金属能够反射微波、能传播微波能量，这类物质称为微波反射体或微波导体。

物质吸收微波辐射后，微波能部分转变为热能，导致微波强度从物质表面到物质内部指数地迅速减弱。

常用穿透深度(d E)(能量密度减弱到表面处能量密度的1/e倍的深度)描述微波的减弱程度。

微波的穿透深度与物质的介电性质及微波辐射的波长有关，可用式(4)表示：式中：λ0为真空中的人射波长，在915 MHz时，λ0≈33 cm;在2450 MHz时λ0≈12cm。

由式(4)可见，微波的穿透深度与微波的真空波长成正比。

因为低频时材料内部体积能量密度较低，尽管低频有较大的穿透深度，但加热升温并不明显。

表4为2.45GHz频率的微波对一些物质穿透深度的计算值。

表4 微波的穿透深度由表4可见，如水或其它极性液体，微波穿透深度约为1cm。

因此，若将微波技术用于液相体系时，最好采用物料流动体系。

与此不同，虽然大多数气体都是微波透明体，但是微波技术能用于含有能控制体系电磁性质固体的气相体系。

分子筛是典型的催化剂或吸附剂，微波穿透深度约在10-100cm之间，其穿透深度取决于分子筛中结晶水和离子的含量。

2.2微波加热在环境中的应用2.2.1微波加热去除挥发性有机物与土壤净化当土壤和一些工业废渣中含有一些可挥发的有害有机物时，除去这些有害物净化土壤的常用方法是通过加热。

热处理法包括燃烧法和挥发法。

燃烧法的缺点是可能燃烧不完全，释放出二次污染物，而且这些二次污染物可能比原来的污染物毒性更大。

挥发法是使用普通的加热法时，这种加热是由外到里的，当热量传到土壤内层，外层土壤的结构已经被热破坏，造成土壤使用价值的下降。

而微波法是里外同时加热的，就不会出现上述问题。

对于含有水分的土壤用微波处理时，水吸收微波的能力很强，在升温后形成蒸发，从而将易挥发有机物蒸馏带出土壤。

很显然，这一方法与土壤的含水量有关，含水量高有利于形成蒸馏，并将有机污染物蒸馏去除。

这一过程，温度一般低于100℃，防止有机物分解形成其它的副产物。

对于半挥发性有机污染物，可采用多级蒸馏法，即重复加水、重复用微波照射，直至将它们去除。

George等研究了用微波低温减压条件下净化标加甲苯和对二甲苯的土壤，他们发现，在低温低压条件下，甲苯和对二甲苯不会分解；当土壤中含水质量分数为3%时，这些有机物的挥发速率会增加几倍。

与砂土相比，黏土是更强的微波吸收体，所以黏土中有机物挥发的速度更快。

而且，在这种减压条件下，可防止和避免有机物的燃烧。

对于那些半挥发性化合物，还可以采用高温挥发的方法。

但在高温条件下，为了防止燃烧，一般需要用Ar、N2等载气。

这些气体除了可以保护有机物不被O2燃烧氧化外，还有载带有机物进入吸收塔的作用。

George等用这一装置清理了三氯苯酚（沸点为310℃）和污泥中的菲（沸点为340℃）。

为了增强土壤对微波的吸收能力，提高升温速率，可在土壤中加入炭屑（平均粒径为10mm）。

当这些炭屑与土壤混合后，因为对微波有很强的吸收能力，所以当采用微波照射时，其温度迅速上升，同时这些升高温度的炭粒会迅速将热能传导给周围的土壤，使土壤温度也迅速上升。

图2是污泥样品加炭粒后温度随时间的变化图。

%100×−=it i C C C DRE （2-1） 式中 C i －微波处理前样品中污染物的浓度；C t －微波处理后样品中污染物的浓度。