微波加熱水溶液及化學(xué)反應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、微波具有高效、高滲透性、選擇性加熱等特點(diǎn)并已廣泛運(yùn)用于化工、石油、環(huán)境治理等眾多領(lǐng)域。但是,人們對(duì)微波與化學(xué)反應(yīng)體系的相互作用機(jī)理和相關(guān)基礎(chǔ)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和理解尚不深入,其相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的特殊效應(yīng)如非熱效應(yīng)、熱點(diǎn)、熱失控等現(xiàn)象也一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)和理解的難點(diǎn),這導(dǎo)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(xué)反應(yīng)體系相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的一些特殊效應(yīng),從分子動(dòng)力學(xué)模擬到理論分析進(jìn)行深入探討,這些研究對(duì)進(jìn)一步理解微波與化學(xué)

2、反應(yīng)相互作用的機(jī)理、探討其特殊效應(yīng)及進(jìn)一步的工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
　　本論文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)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(guò)程。發(fā)現(xiàn)分子動(dòng)力學(xué)模擬下微波加熱氯化鈉溶液的溫度與微波的電場(chǎng)強(qiáng)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(guò)數(shù)據(jù)擬合得到分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間量程內(nèi),頻率為20 GHz的微波加熱氯化鈉溶液的經(jīng)驗(yàn)性溫升公式。這有助于探究微波加熱溶液及化學(xué)反應(yīng)的溫升機(jī)理并提供一定的

3、實(shí)驗(yàn)支持和理論參考。
　　(2)在對(duì)微波加熱裂解甲苯和非交聯(lián)環(huán)氧樹(shù)脂的 ReaxFF反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程中觀察到熱失控現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析,出現(xiàn)這種溫升突變現(xiàn)象的原因是整個(gè)體系內(nèi)極性基團(tuán)數(shù)量的突然增多導(dǎo)致體系對(duì)微波能的吸收能力突然增強(qiáng),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(shí)的非熱效應(yīng),并進(jìn)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(guò)程中,發(fā)現(xiàn)微波能并沒(méi)有如傳統(tǒng)理論認(rèn)為

4、那樣會(huì)被全部轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的動(dòng)能,而是有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的勢(shì)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(shù)脂高溫分解過(guò)程中部分產(chǎn)物的生成速率會(huì)降低。通過(guò)分析模擬結(jié)果并結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(shí),本文對(duì)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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。結(jié)果表明反應(yīng)體系中的小尺寸極性基團(tuán)如水、甲醇等的旋轉(zhuǎn)特性依然能夠與外電場(chǎng)的時(shí)變性保持一致

5、。而對(duì)于大尺寸的極性基團(tuán)(≥ C7),其旋轉(zhuǎn)特性相比于外加電場(chǎng)有一定的滯后效應(yīng),即相位延遲。
　　(4)本文基于 ReaxFF分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)葡萄糖水溶液在超臨界環(huán)境中氣化的工程應(yīng)用進(jìn)行了探討。相關(guān)文獻(xiàn)表明,微波加熱純水至超臨界狀態(tài)后溫升速率會(huì)降低,因此,理論上不會(huì)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(guò)程中,沒(méi)有出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象,微波場(chǎng)也未對(duì)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(rèn)為微