研究多物理场下微波与介质交互作用的实验系统的制作方法

本实用新型属于环境保护领域，具体涉及一种研究多物理场下微波与介质交互作用的实验系统，该系统可耐受高压，可以将压力场叠加于微波场中，从而研究在多物理场作用下微波与介质交互作用产生的热效应及非热效应，并将其应用于实际有机污染物的降解过程中。

背景技术：

近年来，微波技术得到了日新月异的发展。其中微波加热在食品加工、干燥、烧结、焊接、冶金、等离子体加工、溶液溶胶处理、高分子材料加工、功能材料制备、有机固废热解、污染物控制等众多物理化学领域的研究和应用被不断拓展。当微波辐射到介质表面时，会有三种不同的表现，分别为穿透、吸收以及反射。这三种不同的表现形式是由介质本身的电磁参数所决定的，良好的吸波材料必须具备两个条件：(1))电磁波一旦进入材料内部要设法做到对入射电磁波的有效吸收或衰减，即材料的衰减特性；(2)当电磁波入射到材料表面表层时能够最大限度地使电磁波进入到材料内部，以减少电磁波的直接反射，这就要求在设计材料时要充分考虑其电磁匹配特性。只有当介质满足上述特性时才会吸收微波，比如说水、食品等物质。如果介质不能使得入射的电磁波发生衰减，那么在宏观上表现为对微波的透射性，比如石英、聚四氟乙烯等材料，其也经常被用于制作微波反应釜。如果介质能使得入射到其表面的电磁波无法进入内部而直接反射，那么在宏观上表现为对微波的反射性，比如大多数的金属材料，这也经常被用于微波屏蔽材料。微波与介质之间的上述三种作用被称为微波与介质的交互作用，其通常被划分为热效应以及非热效应，热效应即为微波能量被介质材料吸收而转化为热能的现象；非热效应指除热效应以外的其他效应，比如放电效应。

研究微波与介质交互作用产生的热效应及非热效应有助于深入的了解微波特性并将其应用于实际工业化生产中。比如微波的热效应可以用来加热食品、进行干燥、烧结以及污染物治理等，微波的放电效应可以产生高温热点，用于降解废气、进行焦油提质等。但是由于传统的微波反应釜材料耐压、耐温性能很差，无法在高压条件下进行实验研究，而金属类的耐高压材料又对微波表现出反射特性从而无法应用于微波反应釜中，因此传统的微波利用只是将介质放置于单一微波场中，无法对其附加压力场，因此关于多物理场条件下微波与介质交互作用的研究一直很难进行，但是介质性质在附加压力场的多物理场条件下会发生明显的变化，因此多物理场下对微波与介质交互作用的研究是有必要的。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种研究多物理场下微波与介质交互作用的实验系统，该装置通过不锈钢保护套、密封垫圈以及聚四氟乙烯套筒协同承压，可耐受较高的压力(大于3Mpa)，因此其可以在微波场中叠加压力场，从而研究多物理场下微波与介质交互作用产生的热效应及非热效应，并将其应用于实际的有机废水降解过程中，深入研究多物理场对降解效果的影响。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种研究多物理场下微波与介质交互作用的实验系统，包括

微波发生装置，其用于提供稳定连续可调的微波功率；

波导，其用于控制微波的传播方向，将微波传送到反应器内；

反应器，其用于提供微波与介质交互作用的实验反应腔体；

磁力搅拌器，其用于对反应器内的物料进行连续搅拌；

气相阀门，其用于控制反应器内高压气体的流入及流出；

其中，所述反应器包括不锈钢保护套、密封圈、聚四氟乙烯耐压层和石英内衬，所述聚四氟乙烯耐压层设于不锈钢保护套内，并通过密封圈与不锈钢保护套连接，所述石英内衬设于聚四氟乙烯耐压层内，用于装载反应物料。

进一步的，整个反应器上端采用不锈钢顶盖进行密封。

进一步的，所述微波发生装置通过微波传输系统与波导相连，所述微波传输系统包括沿微波传输方向依次设置的水负载、双定向耦合器和三螺钉调配器。

进一步的，所述反应器与液相阀门相连，所述液相阀门与实时取样器相连，所述实时取样器通过反应器内压力将物料压出进行取样。

进一步的，所述反应器配有压力阀，用于实时监测反应腔体内部压力状态。

进一步的，所述反应器上方设有观察口，用于观测反应腔体内部实时反应状态。

进一步的，所述观察口与光谱仪相连，用于实时读取反应腔体内的光谱信息。

进一步的，所述实验系统还包括温度传感器和温度控制器，所述温度传感器和温度控制器用于在反应过程中实时监测物料温度状态，并根据设定温度控制微波发生装置的启停。

一种多物理场下微波与介质交互放电实验系统，包括基于如上所述的各实验装置。

一种多物理场下微波与介质交互作用的热效应实验系统，包括基于如上所述的各实验装置。

一种多物理场下微波与介质交互作用应用于有机废水降解的实验系统，包括基于如上所述的各实验装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型反应腔体内部通过聚四氟乙烯耐压层、不锈钢保护套以及密封圈进行密封，该密封方式可以长时间承压而不泄压，可耐受大于3Mpa的高压。

2)本实用新型通过石英内衬可保护外层腔体不被高温损坏，从而间接达到耐高温、高压的效果。

3)本实用新型通过温度传感器以及温度控制器可实时监测反应腔体内部介质的温度，并通过温度控制外部微波的启停，满足某些需要恒温反应实验的需要，同时通过实时取样器可在反应过程中实时提取腔体内部物料进行检测。

4)本实用新型通过磁力搅拌器可以避免金属在微波场中可能形成的驻波，方便的使得材料产生的热量良好的分散在中间介质中，有效避免了热点效应。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为研究多物理场下微波与介质交互作用的实验系统结构示意图；

图2为反应器结构示意图；

图3为物理场下微波与介质交互作用的热效应曲线图；

图4为有机废水在多物理场条件下与微波交互作用的降解曲线图；

其中，1、微波发生装置，2、水负载，3、双定向耦合器，4、三螺钉调配器，5、波导，6、截止波导，7、磁力搅拌器，8、不锈钢保护套，9、聚四氟乙烯耐压层，10、石英内衬，11、进气阀门，12、出气阀门，13、观测口，14、液相阀门，15、压力阀，16、实时取样器，17、上密封圈，18、下密封圈，19、红外温度传感器，20、温度控制装置，21、不锈钢顶盖，22、插底管，23、磁转子。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本实用新型做进一步的说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在传统的微波利用只是将介质放置于单一微波场中，无法对其附加压力场的问题，为解决上述问题，本实用新型提出了一种研究多物理场下微波与介质交互作用的实验系统，该系统可耐受高压，可以将压力场叠加于微波场中，从而研究在多物理场作用下微波与介质交互作用产生的热效应及非热效应，并将其应用于实际有机污染物的降解过程中。

如图1所示，一种研究多物理场下微波与介质交互作用的实验系统，包括微波发生装置1，其用于提供稳定连续可调的微波功率；

波导5，其用于控制微波的传播方向，将微波传送到反应器内；

反应器，其用于提供微波与介质交互作用的实验反应腔体；

磁力搅拌器7，其用于对反应器内的物料进行连续搅拌；

气相阀门，其用于控制反应器内高压气体的流入及流出；

其中，所述反应器包括不锈钢保护套8、上密封圈17、下密封圈18、聚四氟乙烯耐压层9和石英内衬10，所述聚四氟乙烯耐压层9设于不锈钢保护套8 内，并通过上密封圈17和下密封圈18与不锈钢保护套8连接，采用该种密封方式，使得反应器可耐受3Mpa以内的高压，且长时间不泄压，所述石英内衬 10设于聚四氟乙烯耐压层9内，用于装载反应物料，如图2所示，整个反应器采用不锈钢顶盖21进行密封，反应时根据反应要求，石英内衬10中可放有磁转子23进行磁力搅拌。

优选的，所述石英内10衬为耐高温石英内衬，可保证反应腔体不会因为高温受到损坏。

具体实施中，所述石英内衬10可以方便取出，便于添加物料以及清洗；

具体实施中，所述石英内衬10可随时更换，以保证实验系统的良好运行。

优选的，所述微波发生装置1功率为0-1000W连续可调节。

优选的，所述磁力搅拌器7可以实时显示搅拌转速，并与反应器内的磁转子协同搅拌，使热量在介质内更好的分散，避免局部热点效应。

优选的，所述气相阀门包括进气阀门11和出气阀门12。

具体实施中，所述微波发生装置1通过微波传输系统与波导5相连，所述微波传输系统包括沿微波传输方向依次设置的水负载2、双定向耦合器3和三螺钉调配器4。

所述水负载2用于对系统进行循环冷却，且所述水负载2可以将微波功率源与反应腔体隔离开来，吸收反射回的微波，保护微波功率源不被反射回的微波损伤。

所述双定向耦合器3可用于微波的隔离、分离和混合。

所述三螺钉调配器4可通过调节插入深度来改变系统状态使得系统更好的匹配。

所述波导末端设有截止波导6，可以防止微波外泄，达到一个保护的作用。

具体实施中，微波发生装置1的微波自微波功率源的激励腔输出后经水负载2对微波腔体和功率源进行相对的隔离，然后进入双定向耦合器3对入射和反射电流进行采集比较，再经过三螺钉调配器4进入馈能波导然后辐射进入反应腔体，过余的微波会被短路活塞反射至水负载2吸收。

所述反应器与液相阀门14相连，所述液相阀门14与实时取样器16相连，所述实时取样器16通过反应器内压力将物料压出进行取样，即可以在反应过程中对物料进行实时取样，既保证了反应的连续性又能随时检测腔体内部物料状态，且不会影响反应器内的压力条件。

优选的，所述实时取样器16的插底管22为聚四氟乙烯材质，不会影响反应器内的微波场。

所述反应器配有压力阀15，用于实时监测反应腔体内部压力状态。

所述反应器上方设有观察口13，用于观测反应腔体内部实时反应状态。

优选的，该观测口13为蓝宝石材质，保证观测效果的同时又能耐压较高的压力。

优选的，所述观察口13可外接光谱仪，实现反应过程中对内部光谱信息的监测。

所述实验系统还包括温度传感器19和温度控制器20，所述温度传感器19 和温度控制器20用于在反应过程中实时监测物料温度状态，并根据设定温度控制微波发生装置的启停，实现恒温反应。

优选的，所述温度传感器19为红外温度传感器，该红外温度传感器具有量程大、准确度高等特点，可以在很大的温度范围内监控温度。

一种包括如上所述的实验系统的实验步骤：

1)将介质置入石英内衬10内部，并根据具体实验需求决定是否添加其他物料；

2)将反应器密封，通过气相阀门加压至所需压力；

3)开启水负载2对系统进行循环冷却，设置微波功率参数并进行预热；

4)在研究微波与介质交互作用热效应及应用于有机废水降解的实验中，需打开磁力搅拌器7对物料进行搅拌；在研究微波与介质交互作用热效应及应用于有机废水降解的实验中，需通过温度传感器19和温度控制器20监测和控制反应腔体内部介质温度；在研究微波与介质交互作用放电效应时需连接光谱仪至观测口13从而记录内部光谱信息。

5)开启微波发生装置1，按照具体实验需求决定其余操作步骤。

所述步骤2)中，加压气体可为高压氮气、高压空气等气体，可将反应器内压力加压至0-3MPA。

实施例一：

一种多物理场下微波与介质交互放电实验系统，包括基于如上所述的各实验装置。

采用上述装置对多物理场下微波与介质交互放电过程进行测量，其过程如下：

取金属丝铝、镍、铁、钨和锌为目标材料，将金属丝放入石英内衬10中，通过进气阀门11向反应腔体内部通入高压气体，通过压力阀15实时读取压力信息，完成加压后关闭进气阀门11，打开水负载2进行水循环，设置微波功率参数然后开启微波，利用光谱仪通过观测口13实时读取放电过程中的光谱信息。

分别设置压力为0、0.1Mpa和0.2Mpa，功率为500W，读取光谱信息的时刻为实验进行的第10秒钟，根据所得数据可以发现压力越高，金属丝在同时刻的放电能量强度越大，得出高压可以提高介质的放电强度的结论，从而对多物理场下微波与介质交互放电过程有了更加深入的了解。

实施例二：

一种多物理场下微波与介质交互作用的热效应实验系统，包括基于如上所述的各实验装置。

利用该实验系统研究多物理场下微波与介质交互作用的热效应，取碳纳米管和羰基铁粉为目标材料，因为这两种材料分别代表了典型吸波材料中的碳基和铁基，因此更具有代表性。选用石蜡油做为中间介质，因为其不吸波且蓄热能力强。取碳纳米管0.1g，石蜡油15g，加入到石英内衬10中，通过进气阀门 11向反应腔体内部通入高压气体，通过压力阀15实时读取压力信息，完成加压后关闭进气阀门11，打开水负载2进行水循环，打开磁力搅拌器7进行搅拌，设置微波功率参数然后开启微波，利用红外温度传感器19实时读取物料的温度信息。选取0s、10s、20s、30s、40s、50s和60s这7个时刻作为时间参数，设置压力条件为0、0.1Mpa和0.2Mpa，设置功率为500W，实验结果如图3所示，根据所得数据可以发现压力越高，介质在相同时间内升温幅度越大，得出高压可以提高介质的吸波能力的结论，从而对多物理场下微波与介质交互过程的热效应有了更加深入的了解。

实施例三：

一种多物理场下微波与介质交互作用应用于有机废水降解的实验系统，包括基于如上所述的各实验装置。

利用该实验系统研究多物理场下微波与介质交互作用应用于有机废水降解过程，取碳纳米管为目标材料，选用过氧化氢作为氧化剂，对硝基苯酚作为模拟有机污染物。取碳纳米管0.1g，30％的过氧化氢5ml，浓度为200mg/L的对硝基苯酚15ml，加入到石英内衬10中，通过进气阀门11向反应腔体内部通入高压气体，通过压力阀15实时读取压力信息，完成加压后关闭进气阀门11，打开水负载2进行水循环，打开磁力搅拌器7进行搅拌以保证碳纳米管在溶液中良好分散，设置微波功率参数然后开启微波，利用红外温度传感器19实时读取物料的温度信息，通过实时取样器15不间断的提出反应腔体内部物料进行检测。选取1min、2min、3min、4min和5min这5个时刻作为时间参数，设置压力条件为0、0.2Mpa和0.3Mpa，设置功率为500W，实验结果如图4所示，根据所得数据可以发现压力越高，有机废水在相同时间内降解率越高，得出高压可以提高有机废水降解效率的结论，从而对多物理场下微波与介质交互作用应用于有机废水降解过程有了更加深入的了解。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。