微波加熱水溶液及化學反應(yīng)的分子動力學模擬研究.pdf

1、微波具有高效、高滲透性、選擇性加熱等特點并已廣泛運用于化工、石油、環(huán)境治理等眾多領(lǐng)域。但是,人們對微波與化學反應(yīng)體系的相互作用機理和相關(guān)基礎(chǔ)問題的認識和理解尚不深入,其相互作用過程中產(chǎn)生的特殊效應(yīng)如非熱效應(yīng)、熱點、熱失控等現(xiàn)象也一直是人們關(guān)注的焦點和理解的難點,這導致微波能技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的瓶頸。本文就微波與水溶液、微波與化學反應(yīng)體系相互作用過程中產(chǎn)生的一些特殊效應(yīng),從分子動力學模擬到理論分析進行深入探討,這些研究對進一步理解微波與化學

2、反應(yīng)相互作用的機理、探討其特殊效應(yīng)及進一步的工程應(yīng)用提供科學依據(jù)。
　　本論文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　(1)本文研究了頻率為20 GHz微波加熱氯化鈉水溶液的過程。發(fā)現(xiàn)分子動力學模擬下微波加熱氯化鈉溶液的溫度與微波的電場強度、溶液濃度存在一定的內(nèi)在聯(lián)系,并在此基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)擬合得到分子動力學模擬時間量程內(nèi),頻率為20 GHz的微波加熱氯化鈉溶液的經(jīng)驗性溫升公式。這有助于探究微波加熱溶液及化學反應(yīng)的溫升機理并提供一定的

3、實驗支持和理論參考。
　　(2)在對微波加熱裂解甲苯和非交聯(lián)環(huán)氧樹脂的 ReaxFF反應(yīng)分子動力學模擬過程中觀察到熱失控現(xiàn)象。經(jīng)過分析,出現(xiàn)這種溫升突變現(xiàn)象的原因是整個體系內(nèi)極性基團數(shù)量的突然增多導致體系對微波能的吸收能力突然增強,使體系的溫升速率迅速升高,從而產(chǎn)生溫度突變。
　　(3)觀察到微波作用于物質(zhì)時的非熱效應(yīng),并進一步基于碰撞理論和熵效應(yīng)分析該現(xiàn)象。在研究微波加熱NaCl溶液的過程中,發(fā)現(xiàn)微波能并沒有如傳統(tǒng)理論認為

4、那樣會被全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的動能,而是有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的勢能,該結(jié)果有助于從分子層面揭示和理解非熱效應(yīng)。而相比于傳統(tǒng)加熱,微波加熱下的甲苯裂解以及環(huán)氧樹脂高溫分解過程中部分產(chǎn)物的生成速率會降低。通過分析模擬結(jié)果并結(jié)合反應(yīng)動力學研究,確定這種反應(yīng)速率降低的現(xiàn)象屬微波的非熱效應(yīng)。同時,本文對微波加熱至高溫后,部分極性分子電偶極矩的旋轉(zhuǎn)特性進行了統(tǒng)計和分析。結(jié)果表明反應(yīng)體系中的小尺寸極性基團如水、甲醇等的旋轉(zhuǎn)特性依然能夠與外電場的時變性保持一致

5、。而對于大尺寸的極性基團(≥ C7),其旋轉(zhuǎn)特性相比于外加電場有一定的滯后效應(yīng),即相位延遲。
　　(4)本文基于 ReaxFF分子動力學方法對葡萄糖水溶液在超臨界環(huán)境中氣化的工程應(yīng)用進行了探討。相關(guān)文獻表明,微波加熱純水至超臨界狀態(tài)后溫升速率會降低,因此,理論上不會出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。本文研究結(jié)果表明,在微波高溫氣化葡萄糖水溶液過程中,沒有出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象,微波場也未對氣化后最終產(chǎn)物的組分和產(chǎn)量有明顯影響,這與預(yù)期相符。因此,本文認為微