Возможности и перспективы использования микроволнового излучения в промышленности (обзор)

УДК

DOI:

Аннотация

Бурное развитие естественных наук, которое наблюдается в последние десятилетия, опирается на существенное расширение технических возможностей проведения исследований и тесное переплетение достижений химии, физики, биологии и других областей естествознания. Это способствовало тому, что во второй половине XX в. появились новые области химии (лазерная химия, плазмо- и фотохимия, химия высоких давлений). В последние 10…15 лет уже XXI в. к их числу присоединилось и перспективное направление – микроволновая химия, которая возникла на стыке физики и химии. Она включает химические превращения с участием твердых диэлектриков и жидкостей, связанные с использованием энергии микроволнового (или сверхвысокочастотного) поля. Установлено, что микроволновое излучение способно в десятки и сотни раз ускорять многие химические реакции, вызывать быстрый объемный нагрев жидких и твердых образцов, эффективно (быстро и полностью) удалять влагу из твердых, в том числе и высокопористых, препаратов, модифицировать свойства различных сорбентов. Применение энергии микроволн вместо используемой в настоящее время тепловой энергии теплоносителей в промышленных установках позволяет значительно упростить технологические схемы, исключить все процессы и аппараты, связанные с подготовкой теплоносителя, а также снизить вредные выбросы в атмосферу. Ограничения для применения микроволного излучения связаны главным образом с отсутствием оборудования промышленного назначения.

Сведения об авторах

М.А. Молодцова, асп., инж.

Ю.В. Севастьянова, канд. техн. наук, доц., дир. инновационно-технологического центра «Современные технологии переработки биоресурсов Севера»

Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова,
наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002;

e-mail: m.molodcova@narfu.ru, J.Sevastyanova@narfu.ru

Ключевые слова

Для цитирования

Молодцова М.А., Севастьянова Ю.В. Возможности и перспективы использования микроволнового излучения в промышленности (обзор) // Лесн. журн. 2017. № 2. С.173–187. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.2.173

Литература

1. А.с. 1807587СССР, МКИ Н 05 В 6/64. Установка для обработки грунтовых блоков СВЧ-излучением / Бабин Л.А., Спектор Ю.И., Смирнов Ю.Ю., Гончарова Л.В., Егоров Ю.М., Удалов В.Н., Рагуз В.В.; заявл. 09.08.1989; опубл. 07.04.1993,
Бюл. № 13.

2. Бердоносов С.С. Микроволновая химия // Соросовский образоват. журн. 2001. № 1. С. 32–38.

3. Болотов В.А., Черноусов Ю.Д., Удалов Е.И., Танашев Ю.Ю., Пармон В.Н. Особенности проведения высокотемпературных химических реакций под действием сверхвысокочастотного поля // Вестн. НГУ. Сер.: Физика. 2009. Т. 4, вып. 2. С. 78–83.

4. Большая российская энциклопедия. Режим доступа: http:// www.bigenc.ru.

5. Ванецев А.С. Спекание оксидных порошков с использованием микроволнового воздействия. Описания задач спецпрактикума «Методы получения и анализа неорганических материалов». М.: МГУ, 2011. 32 с.

6. Википедия – сводная энциклопедия. Режим доступа: http: // www.wikipedia.org/.

7. Данилов О.С., Михеев В.А., Москаленко Т.В. Микроволновая обработка твердых горючих ископаемых // Горн. информ.-аналит. бюл. 2010. № 3. C. 203–208.

8. Денисов О.Л., Спектор Ю.И., Бабин Л.А., Гончаров Б.В. Применение СВЧ-поля для усиления оснований и устройства фундаментов // Тр. Рос. конф. по механике грунтов и фундаментостроению. 13–15 сент. 1995 г. СПб.: СПбГАСУ, 1995. Ч. 2.
C. 277–281.

9. Кисурин И.В., Арапов К.А., Гущин П.А., Иванов Е.В., Винокуров В.А. Перспективы использования микроволнового излучения в процессе переработки целлюлозосодержащего сырья // Башк. хим. журн. 2010. Т. 17, № 3. C. 167–170.

10. Коляда В. Прирученные невидимки. Все о микроволновых печах // Наука и жизнь. 2004. № 10. С.136–142.

11. Кубракова И.В. Микроволновое излучение в аналитической химии: возможности и перспективы использования // Успехи химии. 2002. Т. 71, № 4. C. 327–340.

12. Кубракова И.В., Мясоедова Г.В., Еремин С.А., Плетнев И.В., Моходоева О.Б., Морозова В.А., Хачатрян К.С. Подготовка проб в условиях микроволнового нагрева // Методы и объекты хим. анализа. 2006. Т. 1, № 1. С. 27–34.

13. Кузнецов Д.В., Раев В.А., Куранов Г.Л., Арапов О.В., Костиков Р.Р. Применение микроволнового излучения в синтезе органических соединений // Журн. общей химии. 2005. Т. 41, № 12. C. 1757–1787.

14. Маркин В.И., Чепрасова М.Ю., Базарнова Н.Г. Основные направления использования микроволнового излучения при переработке растительного сырья (обзор) // Химия растит. сырья. 2014. № 4. С. 21–42.

15. Побединский В.С. Активирование процессов отделки текстильных материалов энергией электромагнитных волн ВЧ, СВЧ и УФ диапазонов. Иваново: ИХР РАН, 2000. 127 с.

16. Рахманкулов Д.Л., Бикбулатов И.Х., Шулаев Н.С., Шавшукова С.Ю. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов. М.: Химия, 2003. 220 с.

17. Рахманкулов Д.Л., Шавшукова С.Ю., Вихарева И.Н., Чанышев Р.Р. Применение микроволнового излучения для извлечения металлов из промышленных отходов // Башк. хим. журн. 2008. Т. 15, № 2. C. 53–55.

18. Розанов С.В. Исследование процессов массо- и теплопереноса в различных средах под воздействием микроволнового излучения и разработка энергосберегающих микроволновых технологий и установок промышленного применения: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб., 2004. 18 c.

19. Романова Н.Н., Кудан П.В., Гравис А.Г., Бундель Ю.Г. Применение микроволновой активации в химии гетероциклических соединений // Химия гетероциклических соединений. 2000. № 10. C. 1308–1320.

20. Сапунов Г.С. Ремонт микроволновых печей. М.: Солон-Пресс, 1998. 268 с.

21. Федюнин П.А., Дмитриев Д.А., Воробьев А.А., Чернышов В.Н. Микроволновая термовлагометрия / под. общ. ред. П.А. Федюнина. М.: Машиностроение-1, 2004. 208 с.

22. Чепрасова М.Ю. Карбоксиметилирование растительного сырья под воздействием микроволнового излучения: автореф. дис. … канд. хим. наук. Барнаул, 2012. 22 с.

23. Шавшукова С.Ю. Интенсификация химических процессов воздействием микроволнового излучения: автореф. дис. … канд. техн. наук. Уфа, 2003. 24 с.

24. Gedye R., Smith F., Westaway K. Ali H, Baldisera L, Laberge L, Rousell J. The Use of Microwave Ovens for Rapid Organic Synthesis // Tetrahedron Lett. 1986. Vol. 27.
Pp. 279–282.

25. Giguere R.J., Bray T.L., Duncan S.M., Majetich G. Application of Commercial Microwave Ovens to Organic Synthesis // Tetrahedron Lett. 1986. Vol. 27. Pp. 4945–4948.

26. Microwave Enhanced Chemistry: Fundamentals, Sample Preparation and Applications. Ed. by H.M. Kingston, S.J. Haswell. US, Washington DC, 1997.

27. Mingos D.M.P., Baghurst D.R. Microwave-Assisted Solid-State Reactions Involving Metal Powders // Chem. Soc. Rev. 1991. No. 20. P. 1.

28. National Research Council. Microwave Processing of Materials. US, Washington DC, 1994.

29. Perreux L., Loupy A. A Tentative Rationalization of Microwave Effects in Organic Synthesis According to the Reaction Medium, and Mechanistic Considerations // Tetrahedron Lett. 2001. Vol. 57. P. 9199.

30. Thiebaut J.M., Roussy G., Medjram M., Seyfield L., Garin F., Maire J. Durable Changes of the Catalytic Properties of Alumina-Supported Platinum Induced by Microwave Irradiation // Catal. Lett. 1993. Vol. 21. P. 133.

Поступила 14.11.16

Ссылка на английскую версию:

UDC 621.365

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.2.173

Opportunities and Prospects of Microwave Radiation in Industry (Review)

M.A. Molodtsova, Postgraduate Student, Engineer

Yu.V. Sevast'yanova, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

Innovative Technological Center “Modern Technologies in Processing of North Bioresources”, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; е-mail: m.molod-cova@narfu.ru, J.Sevastyanova@narfu.ru

The rapid development of natural sciences, based primarily on a significant expansion of technical capabilities of research and entwinement of the achievements of chemistry, physics, biology and other fields of natural sciences, has been observed in recent decades. This contributed to the appearance of new fields of chemistry (laser chemistry, plasma chemistry, photochemistry, high-pressure chemistry) in the second half of the 20th century. Microwave chemistry as a promising direction, which arose at the intersection of physics and chemistry, joined to these new branches in the last 10…15 years. It includes chemical conversions with participation of solid dielectrics and liquids associated with the use of microwave field energy or MW-field. Microwave irradiation (MWI) is capable to accelerate many chemical reactions by a factor of hundreds, cause rapid volumetric heating of liquid and solid samples, efficiently (quickly and completely) remove moisture from solids, including highly porous, drugs and modify the properties of various sorbents. The application of microwave energy instead of currently used thermal energy of heat carriers in industrial installations can
 significantly simplify the technological schemes, exclude all processes and devices related to the preparation of a heat carrier and reduce harmful emissions into the atmosphere.
Limitations for microwave radiation application are mainly due to the lack of equipment for industrial use.

Keywords: microwave radiation, super-high-frequency radiation, plant raw material, wood, conventional heating.

REFERENCES 

1. Babin L.A., Goncharova L.V., Egorov Yu.M., Udalov V.N., Spektor Yu.I., Smirnov Yu.Yu., Raguz V.V. Ustanovka dlya obrabotki gruntovykh blokov SVCh-izlucheniem [Installation for the Groundwater Units Treatment by Microwave Radiation]. Certificate of Authorship USSR, no. 1807587, 1993.

2. Berdonosov S.S. Mikrovolnovaya khimiya [Microwave Chemistry]. Sorosovskiy obrazovat. zhurn. [Soros Educational Journal], 2001, no. 1, pp. 32–38.

3. Bolotov V.A., Chernousov Yu.D., Udalov E.I., Tanashev Yu.Yu., Parmon V.N. Osobennosti provedeniya vysokotemperaturnykh khimicheskikh reaktsiy pod deystviem sverkhvysokochastotnogo polya [Features of High-Temperature Chemical Reactions under Microwave Irradiation]. Vestn. NGU. Seriya: Fizika [Vestnik of the Novosibirsk State University. Series: Physics], 2009, vol. 4, no. 2, pp. 78–83.

4. Bol'shaya rossiyskaya entsiklopediya [Great Russian Encyclopedia]. Available at: http://www.bigenc.ru.

5. Vanetsev A.S. Spekanie oksidnykh poroshkov s ispol'zovaniem mikrovolnovogo vozdeystviya. Opisaniya zadach spetspraktikuma «Metody polucheniya i analiza neorganicheskikh materialov» [Oxide Powder Sintering by Microwave Exposure. Descriptions of Special Practical Problems “Methods of Preparation and Analysis of Inorganic Materials”]. Moscow, 2011. 32 p.

6. Vikipediya – svobodnaya entsiklopediya [Wikipedia – Free Encyclopedia]. Available at: http://www.wikipedia.org.

7. Danilov O.S., Mikheev V.A., Moskalenko T.V. Mikrovolnovaya obrabotka tverdykh goryuchikh iskopaemykh [Microwave Processing of Solid Fuel Fossils]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' [Mining Informational and Analytical Bulletin (Scientific and Technical Journal)], 2010, no. 3, pp. 203–208.

8. Denisov O.L., Spektor Yu.I., Babin L.A., Goncharov B.V. Primenenie SVCh-polya dlya usileniya osnovaniy i ustroystva fundamentov [The Use of the Microwave Field to Strengthen the Foundations]. Tr. Ross. konf. po mekhanike gruntov i fundamentam.  13–15 sentyabrya 1995 g. Sankt Peterburg. Ch. 2 [Proc. Russ. Nation. Conf. on Soil Mechanics and Foundation. Engineering (September 13–15, 1995, St. Petersburg). Part 2]. Saint Petersburg, 1995, pp. 277–281.

9. Kisurin I.V., Arapov K.A., Gushchin P.A., Ivanov E.V., Vinokurov V.A. Perspektivy ispol'zovaniya mikrovolnovogo izlucheniya v protsesse pererabotki tsellyulozsoderzhashchego syr'ya [Prospects for the Use of Microwave Radiation in the Conversion of Cellulose]. Bashkirskiy khimicheskiy zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2010, vol. 17, no. 3, pp. 167–170.

10. Kolyada V. Priruchennye nevidimki. Vse o mikrovolnovykh pechakh [Tamed Invisible Creatures. Everything of Microwave Ovens]. Nauka i zhizn' [Science and Life], 2004, no. 10, pp. 136–142.

11. Kubrakova I.V. Mikrovolnovoe izluchenie v analiticheskoy khimii: vozmozhnosti i perspektivy ispol'zovaniya [Microwave Radiation in Analytical Chemistry: the Scope and Prospects for Application]. Uspekhi khimii [Russian Chemical Reviews], 2002, vol. 71, no. 4, p. 327–340.

12. Kubrakova I.V., Myasoedova G.V., Eremin S.A., Pletnev I.V., Mokhodoeva O.B., Morozova V.A., Khachatryan K.S. Podgotovka prob v usloviyakh mikrovolnovogo nagreva [Preparation of Samples under Microwave Heating]. Metody i ob"ekty khim. analiza [Methods and Objects of Chemical Analysis], 2006, vol. 1, no. 1, pp. 27–34.

13. Kuznetsov D.V., Raev V.A., Kuranov G.L., Arapov O.V., Kostikov R.R. Primenenie mikrovolnovogo izlucheniya v sinteze organicheskikh soedineniy [The Use of Microwave Radiation in the Organic Compounds Synthesis]. Zhurn. obshchey khimii [Russian Journal of General Chemistry], 2005, vol. 41, no. 12, pp. 1757–1787.

14. Markin V.I., Cheprasova M.Yu., Bazarnova N.G. Osnovnye napravleniya ispol'zovaniya mikrovolnovogo izlucheniya pri pererabotke rastitel'nogo syr'ya (obzor) [Basic Directions of Use Microwave Radiation in the Processing of Plant Raw Material (Review)]. Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of Plant Raw Material], 2014, no. 4,
pp. 21–42.

15. Pobedinskiy V.S. Aktivirovanie protsessov otdelki tekstil'nykh materialov energiey elektromagnitnykh voln VCh, SVCh i UF diapazonov [The Process Activation of Textile Materials Finishing by the Energy of Electromagnetic Waves of RF, Microwave and Ultraviolet Ranges]. Ivanovo, 2000. 127 p.

16. Rakhmankulov D.L., Bikbulatov I.Kh., Shulaev N.S., Shavshukova S.Yu. Mikrovolnovoe izluchenie i intensifikatsiya khimicheskikh protsessov [Microwaves and Intensification of Chemical Processes]. Moscow, 2003. 220 p.

17. Rakhmankulov D.L., Shavshukova S.Yu., Vikhareva I.N., Chanyshev R.R. Primenenie mikrovolnovogo izlucheniya dlya izvlecheniya metallov iz promyshlennykh otkhodov [Application of Microwave Radiation for Extraction of Metals from Industrial Wastes]. Bashkirskiy khimicheskiy zhurnal [Bashkir Chemical Journal], 2008, vol. 15, no. 2, pp. 53–55.

18. Rozanova S.V. Issledovanie protsessov masso- i teploperenosa v razlichnykh sredakh pod vozdeystviem mikrovolnovogo izlucheniya i razrabotka energosberegayushchikh mikrovolnovykh tekhnologiy i ustanovok promyshlennogo primeneniya: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk [Study of Mass and Heat Transfer in a Variety of Environments under the Influence of Microwave Radiation and the Development of Energy-Efficient Microwave Technologies and Industrial Application Systems: Cand. Eng. Sci. Diss. Abs.]. Saint Petersburg, 2004. 18 p.

19. Romanovа N.N., Kudan P.V., Gravis A.G., Bundel' Yu.G. Primenenie mikrovolnovoy aktivatsii v khimii geterotsiklicheskikh soedineniy [The Use of Microwave Activation in Chemistry of Heterocyclic Compounds]. Khimiya geterotsiklicheskikh soedineniy [Chemistry of Heterocyclic Compounds], 2000, no. 10, pp. 1308–1320.

20. Sapunov G.S. Remont mikrovolnovykh pechey [Repair of Microwave Ovens]. Moscow, 1998. 268 p.

21. Fedyunin P.A., Dmitriev D.A., Vorob'ev A.A., Chernyshov V.N. Mikrovolnovaya termovlagometriya [Microwave Thermo and Water Content Measurements]. Moscow, 2004. 208 p.

22. Cheprasova M.Yu. Karboksimetilirovanie rastitel'nogo syr'ya pod vozdeystviem mikrovolnovogo izlucheniya: avtoref. dis. … kand. khim. nauk [Carboxymethylation of Vegetable Raw Materials under the Influence of Microwave Radiation: Cand. Chem. Sci. Diss. Abs.]. Barnaul, 2012. 22 p.

23. Shavshukova S.Yu. Intensifikatsiya khimicheskikh protsessov vozdeystviem mikrovolnovogo izlucheniya: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk [Intensification of Chemical Processes by Microwave Irradiation: Cand. Eng. Sci. Diss. Abs.]. Ufa, 2003. 24 p.

24. Gedye R., Smith F., Westaway K. Ali H, Baldisera L, Laberge L, Rousell J. The Use of Microwave Ovens for Rapid Organic Synthesis. Tetrahedron Lett., 1986, vol. 27,
pp. 279–282.

25. Giguere R.J., Bray T.L., Duncan S.M., Majetich G. Application of Commercial Microwave Ovens to Organic Synthesis. Tetrahedron Lett., 1986, vol. 27, pp. 4945–4948.

26. Microwave Enhanced Chemistry: Fundamentals, Sample Preparation and Applications. Ed. by H.M. Kingston, S.J. Haswell. US, Washington DC, 1997.

27. Mingos D.M.P., Baghurst D.R. Microwave-Assisted Solid-State Reactions Involving Metal Powders. Chem. Soc. Rev., 1991, no. 20, p. 1.

28. National Research Council. Microwave Processing of Materials. US, Washington DC, 1994.

29. Perreux L., Loupy A. A Tentative Rationalization of Microwave Effects in Organic Synthesis According to the Reaction Medium, and Mechanistic Considerations. Tetrahedron Lett., 2001, vol. 57, p. 9199.

30. Thiebaut J.M., Roussy G., Medjram M., Seyfield L., Garin F., Maire J. Durable Changes of the Catalytic Properties of Alumina-Supported Platinum Induced by Microwave Irradiation. Catal. Lett., 1993, vol. 21, p. 133.

Received on November 14, 2016

For citation: Molodtsova M.A., Sevast’yanova Yu.V. Opportunities and Prospects of Microwave Radiation in Industry (Review). Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 2, pp.173–187. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.2.173