大多数定量分析技术需要样品以液体状态进行。取样和前处理所耗时间及费用已占实验室分析全过程投资的之多。人们在通风橱中用浓酸在电热板上分解样品。不仅时间长、劳动强度大而且对实验室人员有潜在的危害,长期接触有机溶剂和酸性物质会严重损伤嗅觉神经甚至脑神经系统。因此对微波密闭溶样技术有巨大的和由衷的渴求, 促成了微波化学制造业的迅猛发展。
2.1市场背景
被其商业利润和市场机会的吸引, 从开始只有一家公司从事专业研究和生产, 发展到现在近乎于十几家公司争相生产微波化学仪器。但用户购买产品后, 常发现花重金购买的设备其技术非常简陋, 根本无法用好。之所以很多没有科研实力和专业基础的厂家进入此行业, 是由于存在基于家用微波炉进行改造的便利条件。因此, 从生产工艺上可简单的划分为两类专业厂家型和家用微波炉改装型。改装型产品不仅国内有且国外也大量存在, 它们的共同特点除了外表和家用微波炉相似以外, 是技术含量极低。对反应的热力参数进行监测和控制能力低, 只有简单的功率时间的设定。市场上改制组装或者委托其他厂家加工组装而成进行低价竞争, 在专业设计和产品质量管理上与专业厂家产品存在本质的区别, 几乎都不存在真正保障安
全的控制。用户也难以分辨微波产品之间技术含量的巨大差别。
2.2技术水平分类
为了科学的对现有的微波产品技术含量进行陈述, 从控制水平上对现有的微波产品进行分类, 目前大致可分为以下、、三类产品。
2.1.1初级A类产品
性能特点—无可靠的温度压力的传感技术无实时温度和压力的监测和显示无自动微波功率控制程序设定—简单的固定功率和时间模式原始的开环线性控制运行模式与家用微波炉一样, 其微波的辐射只能按照设定的固定功率时间进行反应辅助, 由于其基础是开环模式, 没有控制反馈过程, 不能把握反应的情形, 反应始终是在盲目的条件下进行的, 操作人员只能通过反应结果对其方法进行评估, 使得操作方法的改善非常困难, 所有的安全保护只能全部依赖压力罐的自动超压释放机制上,对操作人员的安全有非常大的隐患。目前在国外市场几乎已经淘汰。系统评价技术上除了改变外观、通风和防腐处理以外,与家用微波炉并没有本质的提高。改装型产品大致都属于这种控制模式。其程序控制键盘和显示往往与主机分开, 操作时只有简单的功率和时间的设定, 改造产品因为不能彻底屏蔽, 一般都不装监测系统。国内有改造家用微波炉进行实验室的样品辅助, 虽然安全性差由于经济性, 是可以理解的一种方案。但某些国外厂商也用家用微波炉改造产品在国内销售, 甚至用笔记本电脑进行简单的功率时间关系的程序输入操作, 价格贵哗众取宠愚弄用户是高技术产品, 极具误导性。根本不适合实验室的工作环境。通过高压罐的盖帽设计自动排气功能, 以保证其超压反应的安全性。其设备的优点是工艺简单、无程序操作、高压罐无须更换防爆膜。明显的缺点是高压罐安装操作复杂, 安全可靠性差, 且挥发性元素易于丢失。而且把整个安全保障全都压在罐压的释放机制上令人担忧。此类产品的市场价格一般为一万美金以下不等。
2.2.2升级型B类产品
性能特点—无可靠的温度压力的传感技术有简单的温度和压力的监测和显示无温压反馈自动微波功率控制。程序设定—简单固定功率时间模式和压力限定等改进的开环线性控制运行模式此模式是对上一模式的改进, 其微波的辐射依然是按照设定的固定功率时间进行反应辅助, 如果检测系统可靠, 可阶段性、非连续的显示反应的温度和压力情况, 但其基础依然是开环模式, 没有实时的过程控制。操作人员只能有限的把握反应的情形, 其安全性依然过分依赖于机器的硬件, 如容器和坚固的外壳。系统评价此类产品为屏蔽信号传输, 其主机一般和电脑系统分开, 不能连续进行温压参数显示。如果配置齐全系统,可显示设定固定功率时间, 温度压力限值。其******检测范围往往非常低, 压力不超过, 温度不超过℃ 。只能检测温度和压力的数据, 不对产生的温度和压力进行控制。所以厂家很少介绍其检测方法和技术可靠性。操作人员只通过观察监测数据知道在固定功率时间模式下, 大致的化学反应温度压力的剧烈程度, 由于不具备控制功能, 安全性依然使人担忧, 但不太诚实生产厂家在宣传上都号称具备温控压控功能, 其实是通过混淆监测数据和控制数据的概念区别, 来吸引用户。号称一机多能, 但没有控制的化学操作在本质上是落后的。用户在选择产品时必须小心辨别性能。此类产品的市场价格一般在至之间。
2.2.3智能型C类产品
性能特点—有可靠的温度压力的传感技术有温度和压力的监测和显示有温压反馈的自动微波功率控制有自动温压控制方式转换程序设定—精确的温压和时间多步模式高频闭环反馈运行模式是目前所设计出来最合理和成功的控制方案。其原理是基于改变微波对密闭反应的辐射强度, 调整和控制其反应的剧烈程度, 以期达到理想的过程控制设定效果。它通过高精密的温度和压力传感器把密闭系统中反应的热力学数据, 以秒的采集速度实时检测出来, 数据传输到进行处理, 对采集的实时数据在与设定的程序进行比较以后, 发出调整指令, 通过变频调节磁控管, 改变微波发射功率, 对反应程度进行矫正。其变频响应速率高达秒, 如此高的响应速度使得密闭微波化学系统的反应始终按照程序, 控制和保持在设定的轨道上进行。系统评价最新的系统其微波发射磁控管—温压传感控制装置—内置计算机系统, 能三者一体高屏蔽在强磁场下不受干扰完美的协同工作。系统不仅可以监视且可对反应的热力学条件进行过程控制, 其程序设定的显著的特点就是直接设定时间温度以及时间压力的线性关系,其磁控管微波发射功率是根据所设定的热力学反馈数据,自动进行变频输出调整, 并同时显示变化功率、压力、温度等参数和控制反应的动态曲线。由于系统的极高的响应频率, 对化学反应热力参数的控制的能力和效果令人惊讶。使人真正的体会到精确微波能量传输的在化学反应控制上的成就。加上丰富的专家软件可进行智能化控制如剧烈反应时的温压控制转换, 反应临界点的测试, 反应峰值测试等。此级别仪器只有最专业的厂家才能进行生产。其产品技术设计和生产的质量管理是严格按照一标准在自己工厂进行, 此类产品市场价格在三万至五万美金之间另外在此基础上更高一级的具备微波发射频率控制性能的产品, 一般价格在二十万美金以上, 且其销售和采购审批必须严格受美国法律的制约。
2.3硬件综述
前A、B、类产品, 都没有调频微波发射功率控制技术, 无法进行热力学温度和压力控制。且监测技术也极不成熟,一般都回避介绍传感方式。其检测数据的可靠性一直困扰此类厂家。这些厂家不希望也不推荐用户购买其温度压力检测装置, 而只列为选件范围, 但在宣传上也号称具备此类技术。因采用的家用磁控管单一功率输出, 且发射时基只有一秒, 过大脉冲易刺激临界连锁反应, 因此改装型产品不可能实现安全反应的温压控制。最新的智能类产品系统采用新型磁控管, 通过闭环控制输出调频时基, 提高了发射时基响应, 极高响应频率可对反应压力和温度推升的变化过程进行秒的精确控制, 据温压反馈斜率信号调整连续功率输出。一精确控制反应, 使其完全符合设定的反应条件曲线和斜率。自动功率输出调整比其他简单的设定固定功率输出的产品有根本的技术进步。其主要特点如下发射调频时基高达到, 提高了系统发射控制响应能力。可据信号反馈调整功率连续输出一精确控制反应, 消除脉冲影响稳定反应。建立了保持反应推升斜率和程序设定斜率一致性的控制关系。增强了应急响应控制能力, 避免化学反应中可能产生危险后果的临界连锁反应。可进行适合小和强反应性样品消化的低功率输出。微波化学首次为研究化学反应的动态和机理提供了精确的手段, 例如测试反应临界点的热力学参数, 反应的峰值与产出率的关系, 催化剂的性能及反应特征, 为加深化学反应动力学机理的研究, 改善和优化反应工艺参数奠定了精确的量化手段, 因此微波化学已不仅用于分析化学样品前处理, 且在石化, 农业, 医药, 及分解、合成新材料、物质提取的应用科研也开辟了广阔的前景。
2.4应用专家系统
基于其强大的过程控制能力, 新一代的产品被称为智能化微波化学反应系统的另一个因素, 即是它首次实现一机多功能的丰富的应用专家系统, 其一体化的内置计算机存储了上百种标准和非标准的应用软件, 辅助进行快速分解和合成反应如微波消解、有机萃取、有机合成、裂化反应的热力学指标控制、提供了精确量化的应用方法。功率控制系统根据专家系统软件自动调节以达到反应的各个阶段的条件控制。操作人员可方便的进入专家系统, 调出程序即可帮助其进行工作, 大大提高了工作能力。
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