微波强化传质过程中分子扩散系数与峰值吸收频率的研究

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微波辅助萃取是利用微波能对包含样品的溶液进行加热,从而使目标萃取物质从样品基体中分离出来进入到萃取溶液中的一种方法。由于该方法具有萃取时间短、溶剂用量少、效率高和能耗低等优点,近年来受到许多研究人员的重视。但是,目前对微波辅助萃取机理的研究还不够,对某成分进行提取时,萃取时间、温度、溶剂和微波功率等萃取参数的选择仍然只能通过反复实验来确定。特别是目前的萃取装置微波频率单一,不能提供最佳的微波萃取频率。当前微波辅助萃取强化传质理论研究的重点是,建立能为实验工作者提供理论指导的微波参数、溶剂和溶质物理量之间关系的表达式。   微波萃取虎杖中白藜芦醇是一个典型的强化传质过程。本文建立了白藜芦醇分子在虎杖颗粒内的扩散过程中所受到的势垒模型;利用粘度系数表示了分子扩散系数与活化能之间的关系。基于活化能的概念,建立了微波作用下的分子扩散势垒,得到在微波作用下有效成分分子的扩散系数表达式。从表达式可以看出,微波作用下的扩散系数与目标萃取物质的密度、微波功率及频率有关,与未加微波的情况比较扩散系数明显增大,实验和计算表明增大倍数一般为2~7倍。对颗粒内、外有效成分浓度和有效成分提取率的研究结果表明,在利用微波萃取中草药有效成分时,应该尽量减小药材颗粒半径,但不要小于0.1mm。   分子主要通过转动吸收微波能,因此研究分子的转动特性具有重要意义。本文讨论了极性分子在微波作用下的转动扩散问题,对微波作用下的介电弛豫时间和转动扩散系数进行了研究,结果表明,极性分子在电场作用下的最大转动角速度越大,分子的重取向相关时间越小,转动扩散系数越大。   物质对微波的吸收能力与物质的分子结构和微波的频率有关,物质最强烈吸收微波时的微波频率称为物质的微波峰值吸收频率。利用微波峰值吸收频率,不仅可以对物质进行高效地加热,而且可以选择性地高效萃取中草药中的有效成分。本文将极性分子或分子团簇简化为形状固定的电偶极子,基于分子之间的束缚和粘滞作用建立了极性分子在微波作用下的转动方程,从粘滞转动摩擦做功得到了极性分子吸收微波能的功率密度,利用极值条件从功率密度导出了液体极性分子吸收微波能的峰值频率,该峰值频率等于分子转动的固有频率。进一步结合电介质损耗功率密度导出了峰值频率的表达式,该表达式与分子的物理结构、液体的粘度和介电常数有关。
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