特征微波加热/热解过程中介质吸波与金属放电的耦合作用机制研究

Microwave heating processes usually result from the microwave absorption of dielectric materials. The existance of certain metals may induce discharge phenomana and therefore make the heating processes become the coupled results of microwave absorption and metal discharge.This is a common mechanism when substances containing metals are placed under microwave irradiation. However, the rules of metal discharge are known little because it is difficult to trap and characterize. Accordingly, the unveiling of the coupling mechanism of microwave absorption and metal discharge becomes the frontier research in the fields of microwave heating and pyrolysis.Our working group has realized the exclusive study of metal discharge through the foundation of a creative research method. The effects of discharge were characterized in the forms of bulk heat effect, hot point effect and catalytic effect. Then,it becomes possible to uncover the above mechanism.Aiming at the microwave heating or pyrolysis for substances containing metals, this project plans to unveil the detailed rules of metal discharge in the processes. Electronic waste and waste tyre will be taken as the specific application objects. The effects of microwave absorption and metal discharge will be studied respectively and combinedly, and the investigation will be carried out under different conditions of microwave irradation and metal characteristics. The final goal is to unveil the coupling mechanism of microwave absorption and metal discharge.As a result, this project can build up the theory of microwave heating controled by microwave absorption and metal discharge together,which will promote the development of theories and technologies of microwave heating or pyrolysis.

一般微波加热都是介质材料吸波起作用，而特征金属存在时会诱发放电现象而使得加热过程成为介质吸波与金属放电共同作用的结果；但金属放电现象由于难捕捉难量化表征而作用规律鲜被认知，于是含金属物质微波辐照下介质吸波与金属放电的耦合作用这一共性机制的解析成为微波加热/热解领域的前沿。本研究组通过独特的实验设计实现了金属放电现象的剥离考察，又从整体热效应、局部热点效应和催化效应来量化表征放电作用，使相关机制的揭示成为可能。本项目拟以含金属物质的微波加热/热解为共性背景，以电子废物和废旧轮胎为具体应用实例，通过介质吸波和金属放电这两种作用的分别与组合研究，通过对不同微波辐照条件和不同金属特征条件的影响规律的考察，阐明金属存在对微波加热/热解过程的影响，揭示介质吸波与金属放电的耦合作用机制。从而，建立介质吸波与金属放电耦合作用主导微波加热的理论基础，促进微波加热/热解理论与技术的发展，进而促进其应用的拓展。

通常的微波加热过程都是介质材料吸波起作用，而微波场中有特征金属存在时会诱发放电现象而使得加热过程成为介质吸波与金属放电共同作用的结果；但金属放电现象由于难捕捉难量化表征而作用规律鲜被认知，于是含金属物质微波辐照下介质吸波与金属放电的耦合作用这一共性机制的解析对深入认知微波加热/热解过程意义重大。本项目通过独特的实验设计实现了金属放电现象的剥离考察，建立了金属放电过程热效应的表征方法，证明整体热效应可以占到总输入电能的30%以上，而热量集中释放所造成的局部高温可以达到数千度；通过热效应测定、光谱分析等多种研究手段的综合应用，揭示了微波金属放电过程包含着强烈的热效应、等离子效应和光催化效应，这一多效应耦合的物理过程，具有强烈的反应强化能力及催化效应，在气体重整、生物质焦油裂解或有机污染物降解等多相催化反应中应用潜力很大；通过介质吸波和金属放电这两种作用的分别与组合研究，证明微波作用下介质吸波与金属放电的耦合作用机制随着吸波介质的添加量的变化既可以是合作又可以是竞争的。本项目建立了介质吸波与金属放电耦合作用主导微波加热的理论基础，促进了微波加热/热解理论与技术的发展及其应用拓展。. 研究成果方面：1）发表期刊论文11篇，均被SCI、EI收录，国际会议论文2篇，工程热物理年会论文4篇；鉴于本团队在微波金属放电的研究基础，应Applied Energy（影响因子7.182，Top期刊）主编特约撰写“微波金属放电及其在能源和工业过程中的应用综述”。2）培养了博士研究生3人、硕士研究生6人；3）授权/申请国家发明专利8项；4）通过本项目，赴英、美参加国际学术会议人7次，参加国内学术会议12人次，与美国辛辛那提大学、英国诺丁汉大学就本课题建立良好合作。所有成果均已超出任务书的预期目标。