梁博文(廣西玉林市科技開發(fā)實驗中心，廣西 玉林 537000)

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，促進了我國化學(xué)分析領(lǐng)域的多元素分析技術(shù)的發(fā)展，其中較為典型的包括有原子發(fā)射法和原子吸收法等[1]。但大多數(shù)分析普遍存在試液制備時間較長，試樣分解過程緩慢的現(xiàn)象，特別是針對溶解度較低的試樣，其分解情況較差。針對傳統(tǒng)加熱方式存在的弊端，國外開展研究微波能分解技術(shù)，通過快速加熱分解試樣來達到實驗效果，并取得了較好的成效。該項技術(shù)最先應(yīng)用于敞口系統(tǒng)中[2]。微波能加熱法所具備的優(yōu)點在于能同時瞬間加熱受熱物體內(nèi)部和外部，具備較快的加熱速度和較小的熱能損耗，有效提升了熱能的利用率。

1 微波能加熱原理

常見的微波能加熱系統(tǒng)(如圖1所示)。通過直流電形式為該設(shè)備磁控管供給恒定可靠的直流電能。同時該組件得到對應(yīng)微波，并傳遞至加熱模塊，結(jié)合微波場等的影響最終達到加熱的效果[3]。

圖1 微波加熱系統(tǒng)

加熱物體經(jīng)外加電場作用后，其內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)通常會產(chǎn)生一定的變化，繼而造成其性質(zhì)的改變。除極性分子外，非極性分子經(jīng)外加電場作用后也會發(fā)生極化轉(zhuǎn)變成暫時性的極性分子。

微波能加熱原理如圖2所示，將水杯放置于電容器的兩極板之間，電容器連接轉(zhuǎn)換開關(guān)和電池。當(dāng)開關(guān)閉合時，杯中的水分子受兩極板之間形成的電場作用，使帶負電的O2-趨向電容器的正極，帶正電的H+趨向負極，促使水分子基于電場方向?qū)崿F(xiàn)恒定排布。此外，如若轉(zhuǎn)換模塊處在反方向點位情況下，對應(yīng)的電容器內(nèi)出現(xiàn)的電場方向和水分子排列形式也隨之發(fā)生改變。假若轉(zhuǎn)換開關(guān)方向處于不同的轉(zhuǎn)換狀態(tài)時，會導(dǎo)致外加電場方向的改變，從而導(dǎo)致水分子受方向轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)晃動?；谂彿肿又g的影響會出現(xiàn)諸如摩擦等情況，繼而影響分子能量等激發(fā)出現(xiàn)無序的活動，這在某些層面上切實提增了分子運動情況，導(dǎo)致水溫攀升。基于外加電場評率攀升，極性分子晃動速率也進一步加劇，帶來的熱也額外的提高，外加電場的提高，分子晃動幅度也隨之變大，相應(yīng)形成的熱量也會增多。

圖2 微波能加熱原理圖

2 微波能分解試樣的反應(yīng)原理

化學(xué)分析中，分解試樣是基于化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上進行的，即在試驗過程中需科學(xué)應(yīng)用化學(xué)試劑。和以往的加熱反應(yīng)不同，此次加熱形式可以進一步使得物體之中和外界一起加熱。試劑快速分解的關(guān)鍵在于試劑的微粒和溶劑的接觸是否良好，形成于微粒層面的部分內(nèi)熱能加速裂開，持續(xù)生成新的表層，提高了其反應(yīng)效率。此之外，受熱的媒介液體以及介電微粒等會彼此反應(yīng)，導(dǎo)致的熱高于其表層的熱溫，由此構(gòu)成明顯的溫差，出現(xiàn)較為激烈的熱傳遞流情況，晃動粒子表層和液體，不斷地將新表面露在新鮮溶液中，繼而實現(xiàn)試樣的快速分解。

假若分解反應(yīng)容器并非敞口容器，而是封閉的高壓彈，那么溶劑內(nèi)的氯和NO等物質(zhì)隨機存儲于容器之中，在高溫高壓等影響下，溶液中的含量會大幅度增加；同時受高溫和微波能作用，會促進氯離子價態(tài)的變化，產(chǎn)生一定的活化性，有效提升試樣的分解反應(yīng)速度。

3 微波能加熱特點以及加熱過程中存在的問題

目前，國外試樣的化學(xué)分析中，微波能加熱爐主要為市場售賣的微波爐，其價格較低，且易于交易。但是支持分析的微波爐，涵蓋MDS-81D型微波設(shè)備等和我國推出的微波高壓熔樣器，國內(nèi)市場都有銷售。就具體的運用層面分析，對于未有使用封閉容器微波爐，需避免和酸接觸，導(dǎo)致腐蝕問題還需要規(guī)避微波輻射等的疏漏對作業(yè)人員的安全造成威脅。微波爐內(nèi)腔的材料應(yīng)科學(xué)選用不會與酸發(fā)生作用，且能承載高速加熱以及冷卻性能的硼硅酸鹽玻璃箱等等。同時還應(yīng)對微波爐在加熱過程中形成的不平衡加熱予以重視，防止在容器處于空置狀態(tài)下進行操作，以免對磁控管造成損壞，部分情況下可將裝水的燒杯置于爐內(nèi)。硼硅酸鹽玻璃箱(內(nèi)腔)如圖3所示。

圖3 硼硅酸鹽玻璃箱(內(nèi)腔)

微波能加熱的特性主要包括有：(1)場強高溫：即在微波能加熱時，受電磁影響在一定作業(yè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生加強的磁場，同時加熱過程中通常伴有較高的熱量。(2)高頻高溫：其特點為微波能加熱時形成頻率較大的爐震蕩。(3)穿透力強：微波能加熱為不斷調(diào)轉(zhuǎn)物質(zhì)中分子和原子的來向來進行加熱，對物質(zhì)而言具備一定的穿透效果，能直接作用于巖石物質(zhì)的內(nèi)部進行加熱。(4)熱慣性小。熱慣性通常指物質(zhì)經(jīng)加熱前具備較為緩慢的反應(yīng)階段，經(jīng)加熱后對能量的消耗需耗費較長的時間。 (5)選擇性加熱。由于微波爐的操作靈活度較高，可針對性的對目標(biāo)加熱區(qū)域進行電磁作用。(6)改善勞動環(huán)境與勞動條件。由于微波能使用的設(shè)備以及相應(yīng)的操作流程都較為建議，能有效改善試驗場所的工作環(huán)境，同時也有利于降低試驗人員的工作強度。

4 巖石礦物分析中微波能法的應(yīng)用

稱取適量礦物粉末試樣放于聚碳酸酯杯內(nèi)，加入硝基鹽酸(HNO3·3HCl)5 mL、氫氟酸(HF)2 mL，加蓋后置于硼硅玻璃真空干燥器內(nèi)，在試樣杯旁放置一個裝有50 mL水的燒杯，蓋上真空干燥器蓋，進行適度抽真空后，將真空干燥器置于微波爐內(nèi)，加熱時長設(shè)定為3 min，將干燥器取出并放置于通風(fēng)環(huán)境下，打開蓋子并把其中的酸霧去除。網(wǎng)試樣內(nèi)添加硼酸1 g，隨后持續(xù)性的給予10 min左右的加熱處理并去除其中的殘渣成分，把整個的濾液進一步稀釋到100左右，選擇ICP-AES策略就其中的鋁等其他的數(shù)十種不同的元素成分予以準(zhǔn)備分析，進行檢測。該類試樣法目前已被應(yīng)用于巖石、礦物、油頁巖以及沉積物的分析，具備較高的精準(zhǔn)度和準(zhǔn)確性。

微波加熱分解試樣時，應(yīng)避免試樣溫度過高過出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象，否則會導(dǎo)致四氯化硅過度受熱呈現(xiàn)為氣態(tài)而造成不必要的損耗，同時也可能會對部分具有揮發(fā)性的元素造成影響。以往針對巖石、礦物試樣分解的常用試驗方法往往需要耗費較長的時間，而微波能加熱分解法的應(yīng)用大幅度的減少了分解時間，可以從數(shù)小時縮短至數(shù)分鐘，顯著提高了分解效率。

分析工作者提出就礦山、企業(yè)還有熔煉廠等的樣品開展分析探究，結(jié)合各種差異化的酸溶解方式，分別為：(1)將敞口燒杯置于電熱板上進行分解，持續(xù)性的給予加熱處理保持一個半小時，之后得到能夠兼容原子吸收分光光度策略檢測所需的試液；(2)利用高壓彈中微波爐分解方式。取試樣，即0.5 g原料與精礦以及1 g尾礦，加入KCl、HNO3和HF分別為1.5 g、10 mL以及5 mL。全部安置于150 mL的容積占總的聚四氟乙烯容器之中，并把蓋子牢牢固定同時將4個相同的容器放置于微波爐內(nèi)，在477 W下放置3 h后，將容器取出并置于冷卻槽內(nèi)進行冷卻，5 min后可將蓋子打開。該種方式所獲得的溶液所需耗費的時間不超過10 min分鐘。以上兩種方式對試樣中的鎳和銅的分析數(shù)值基本一致(如表1所示)。

表1 用微波、電熱板加熱分解試樣的結(jié)果比較

試驗發(fā)現(xiàn)，對一些濕度較高的礦泥使用傳統(tǒng)試驗方式所耗費的干燥時長約為4 h，而大部分礦泥和水分含量較高的塊狀試料，使用微波干燥法的干燥時間不超過15 min。如取含68%水分的碳酸鋇試樣20 g，將其置于105 ℃的電烘箱內(nèi)進行烘干至恒重，大約需要4 h，而使用微波烘干只需15 min。主要原因是通常的烘干方式的解熱原理是有外到內(nèi)的加熱，而微波爐則是內(nèi)外同時快速加熱。另外，經(jīng)相關(guān)試驗結(jié)果顯示，巖石、礦物在采用微波爐進行試驗分解時，能有效避免試樣在分解過程中亞鐵的氧化，并取得了較好的成果。

此外，研究人員還研究了微波加熱分解試樣中使用不同的混酸來制備原子吸收和電感耦合等離子發(fā)射光譜分析的試液。對試樣粒度與分解時間之間的關(guān)系、微波加熱硝酸的溫度與壓力曲線(如圖4所示)進行了試驗，并對各種酸應(yīng)用于無機試樣的分解情況進行了探究。

圖4 硝酸的微波加熱溫度-壓力曲線

5 微波能在化學(xué)分析中的應(yīng)用前景

由于在化學(xué)分析領(lǐng)域中，微波能具備較多的優(yōu)勢應(yīng)用于分解巖石、長石、礦物、沉積物、油頁巖和合金鋼等試樣，且都取得了較好的效果。但相關(guān)的研究面還較小，研究深度不足，特別是分解難度較大的巖石、礦物、氧化物(氧化鋁)、氮化物(氮化硅)、稀有金屬、貴金屬以及貴金屬合金(銥、銠、釕等合金)等，還需深入研究其相應(yīng)的分解機理。對較難溶解試樣的分解，熱壓分解技術(shù)具有一定的優(yōu)勢。且有資料表明，經(jīng)微波加熱結(jié)合熱壓分解的新技術(shù)，能有效改善難分解試樣的研究效果。

此外，微波能在化學(xué)分析領(lǐng)域中除了加熱作用外，還可以應(yīng)用于其他多方面的研究，如用微波化學(xué)和微波等離子體來加速化學(xué)反應(yīng)，微波等離子體-發(fā)射光譜，微波檢測稀土溶液的濃度，微波能形成活性氧灰化有機物，結(jié)合帶線傳感器的測試原理的微波檢測原鹽含水量以及微波法檢測煤中的無機硫含量等。

6 結(jié)語

文章通過分析微波能加熱原理、微波能分解試樣的反應(yīng)原理、微波爐加熱過程中存在的問題以及特點、微波能在巖石、礦物分析中的應(yīng)用以及微波能在化學(xué)分析中的前景，對巖石、礦物找那個微波能分解法的應(yīng)用進行了論述。從中發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)常規(guī)的加熱分解方式相比，微波能分解試樣具有場強高溫、高頻高溫、穿透力強、熱慣性小、選擇性強、能改善工作環(huán)境和效率的特性，可以應(yīng)用于巖石礦物分析中，其在化學(xué)分析領(lǐng)域具有較好發(fā)展前景，通過對微波能分解法應(yīng)用的深入研究，有助于科學(xué)發(fā)展礦物分析技術(shù)，有利于對我國巖石礦物資源合理“采、選、冶”。