Научная статья на тему 'Химические аспекты развития технологии СВЧ. II. Применение микроволнового излучения в химии'

Химические аспекты развития технологии СВЧ. II. Применение микроволнового излучения в химии Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

CC BY
125
160
Поделиться
Ключевые слова
микроволновое / ионное излучение / электроника / химия / катализ / экология

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук, автор научной работы — Гюльмалиев Э.А., Третьяков В.Ф., Талышинский Р.М., Борисов В.П., Мовсумзаде Э.М.

Приведен исторический обзор развития технологии СВЧ, продемонстрированы основные достижения в использовании микроволнового излучения, ионного излучения в быту, науке и различных отраслях народного хозяйства. Проанализированы экономические и экологические перспективы развития СВЧ-технологии и биохимические аспекты проблемы.

CHEMICAL ASPECTS OF THE TECHNOLOGY DEVELOPMENT OF MICROWAVE FREQUENCY. II. THE USE OF MICROWAVE RADIATION IN CHEMISTRY

The article gives a historical overview of the development of microwave technology and demonstrates major advances in the use of microwave radiation, ion radiation in everyday life, science and different sectors of the economy. The economic and environmental prospects were analyzed for the development of microwave technology and biochemical aspects of the problem.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам естественных и точных наук , автор научной работы — Гюльмалиев Э.А., Третьяков В.Ф., Талышинский Р.М., Борисов В.П., Мовсумзаде Э.М.,

Текст научной работы на тему «Химические аспекты развития технологии СВЧ. II. Применение микроволнового излучения в химии»

УДК 665.65

Химические аспекты развития технологии СВЧ

II. Применение микроволнового излучения в химии

Э.А. Гюльмалиев, аспирант В.Ф. Третьяков, д.т.н., проф., г.н.с. Р.М. Талышинский, д.х.н., в.н.с.

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН (ИНХС РАН) (Россия, 119991, Москва, Ленинский пр., д. 29). В.П. Борисов, д.т.н., г.н.с.

ФГБУН Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН (ИИЕТ РАН). (Россия, 125315, Москва, ул. Балтийская, д. 14).

Э.М. Мовсумзаде, д.х.н., проф., чл.-корр. РАО

ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: eldarmm@yahoo.com

Приведен исторический обзор развития технологии СВЧ, продемонстрированы основные достижения в использовании микроволнового излучения, ионного излучения в быту, науке и различных отраслях народного хозяйства. Проанализированы экономические и экологические перспективы развития СВЧ-технологии и биохимические аспекты проблемы. Ключевые слова: микроволновое, ионное излучение, электроника, химия, катализ, экология.

В предыдущем номере была опубликована статья, в которой авторами были рассмотрены возможности и перспективы использования микроволнового излучения [1]. Работы по созданию систем радиолокации в 1930-х годах послужили основой для начала научных работ по исследованию структуры, динамических и электрических свойств молекул и появлению нового метода исследования - микроволновой спектроскопии. Микроволновая спектроскопия - это область спектроскопии, изучающая электромагнитные спектры веществ в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Возможность создания микроволновой спектроскопической аппаратуры появилась после окончания Второй мировой войны, когда радиолокационная техника стала доступной для проведения научных исследований. В 1934 году была опубликована статья С.Е. deeton и N.H. Williams, которая стала первой работой на стыке оптической и микроволновой спектроскопии.

Непременным условием проведения исследований в области микроволновой спектроскопии является нахождение образца в газообразном состоянии или при давлении пара выше 10-4 мм рт. ст., чтобы исключить межмолекулярное взаимодействие. В области микроволн наблюдаются переходы между различными вращательными уровнями молекул. Измерение частот вращательных спектров позволяет определять структуру молекулы и природу химической связи. Вращательный спектр поглощения молекулы зависит от ее конфигурации, среди которых различают типы линейных, сферических, симметричных или асимметричных волчков. Если известны моменты инерции молекулы,

то можно рассчитать ее вращательный спектр. Сравнение экспериментальных и теоретически рассчитанных вращательных спектров позволяет выяснить конфигурацию молекулы, длины связей и углы между ними. Таким образом, микроволновая спектроскопия имеет большое значение для развития теории строения молекул.

В 1958 году профессор Гарвардского университета Вильсон организовал координационный центр по микроволновой спектроскопии, который стал выпускать ежегодный бюллетень с информацией о последних достижениях в этой области.

В Советском Союзе первые работы по микроволновой спектроскопии были начаты в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН СССР под руководством А.М. Прохорова. Затем метод микроволновой спектроскопии стали применять для изучения строения молекул в Институте физики АН Азербайджанской АССР.

В конце 1950 - начале 1960-х годов в Башкирском филиале АН СССР были начаты работы по созданию спектроскопа и изучения с его помощью строения, динамических и электрических свойств молекул. Руководителем работ и большим специалистом в области микроволновой спектроскопии был Н.М. Поздеев, впоследствии заведующий лабораторией микроволновой спектроскопии и когерентного излучения Института физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра Российской академии наук.

В аналитической химии микроволновое излучение нашло свое применение в 1970-х годах. Первая публикация в этой области появилась в 1975 году Возникновение микроволновой ана-

литической химии после появления соответствующих специализированных приборов произвело настоящую революцию в химическом анализе и пробоподготовке. В 1988 году в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ РАН) по инициативе профессора Н.М. Кузьмина были начаты исследования, направленные на изучения микроволнового воздействия на аналитически важные физико-химические процессы, результатом которых явилось создание схем анализа с использованием микроволн.

Большой интерес исследователей к микроволновой аналитической химии подтверждается такими фактами: только за 10 лет (1985-1995) в специализированной периодической литературе было опубликовано около 600 работ, посвященных использованию микроволнового излучения в химическом анализе. Для быстрого проведения процессов пробоподготовки, кислотного сжигания, экстракции различных природных и синтетических образцов рядом зарубежных и отечественных производителей были созданы различные лабораторные микроволновые установки.

На 46-й Питсбургской конференции по аналитической химии и прикладной спектроскопии, проходившей в марте 1995 года в США (Новый Орлеан) около 20 фирм демонстрировали микроволновые установки, предназначенные для химического анализа. Среди лидеров производства микроволновой техники СЕМ (США), Milestone (Италия), Prolabo (Франция) (табл. 1).

История производства микроволновых систем Milestone берет начало в 1989 году, когда была выпущена первая линия ячеек для условий повышенного давления; в 1990 году была создана

Таблица 1.

Характеристика микроволновых установок

Показатели Закрытая Моносистема

мультисистема открытая закрытая

Тип аппарата Печи Floyd Дайджесты 301, А301, 401, МХ 350, МХ 4350 Супердайджест

Работа под давлением + - +

Автоматическое

добавление реагентов

Последовательность До 12 образцов От 4 до16 образцов До 4 образцов

минерализации одновременно в зависимости от модификации одновременно

Применение кислот 200 °С >с Тип - + -

Применение кислот 200°С < с и + + +

Материал реакционного ПТФЭ* ПТФЭ, кварц, Кварц

сосуда борсиликатное стекло

Масса образца, г 0,25-0,8 0,1-5,0 0,1-1,0

Доведение до сухого

остатка

Основные области Растворение Анализ пластических Определение следов

применения биологических, материалов и летучих элементов,

геологических образцов, нефтепродуктов, гидролиз, растворение

не являющихся композитов, объектов керамики

взрывоопасными окружающей среды, минеральных образцов, сельскохозяйственных, пищевых и морских продуктов, измерение ХПК в воде (МХ 4350)

* Политетрафторэтилен. Таблица 2.

Результаты термической (Т1) и микроволновой (Т2) пробоподготовки

Образец Определяемый элемент Выполняемые операции Продолжительность пробоподготовки Т1/Т2

термическая, Т1 МВИ, Т2

Углистые сланцы Au, Ag Окисление (мокрое озоление) органической матрицы 4-8 ч 25 мин 10-20

Угли Au, Pt, Pd, Rh То же 40-56 ч 10 мин 240-340

Железомарганце-вые конкреции Au, Pt, Pd Сушка, растворение, концентрирование 16 ч 40 мин 24

Сульфидные руды Pt, Pd, Rh, Ir, Ru Окисление серы, растворение силикатной основы 16 ч 30 мин 32

Почвы, пыли Al, Fe, Cr, Cu Разрушение силикатной матрицы, растворение минеральных компонентов 8-16 ч 1 ч 8-16

Особо чистые вещества (ниобий, тантал и их оксиды) Al, B, Ca, Hf, La, Mn, Mo, Nb, Fe, Cr, Cu, Mn, Ni, Co, Cd, Pb, Sb, Ta, Ti, V, W, Zr Растворение в смеси кислот 8-24 ч 12 мин 40-120

Растительные материалы Al, Fe, Cr, Cu, Mn, Ni, Co, Zn Окисление (мокрое озоление) органической матрицы 8-16 ч 15 мин 32-64

Парфюмерно-косметические препараты Cd, Pb, Cr То же 8-16 ч 20 мин 24-48

Биологические жидкости (кровь, плазма) Pt То же 8-16 ч 15 мин 32-64

Растительные масла Cd, Pb То же - 10 мин -

Сточные воды Тяжелые металлы Окисление органических компонентов, растворение неорганических в Н\103 8-16 ч 20 мин 24-48

первая микроволновая система MLS-1200 MEGA, разработаны и поставлены на поток установки с самозакрывающимися ячейками. Затем был внедрен в производство инфракрасный датчик для контроля температуры в ходе процесса, а в 1993 году изготовлена система для контроля и измерения давления в реакторе, введена в производство микроволновая вакуумная технология. В 1996 году в фирме Milestone были разработаны реакторы с мешалками и многие другие новшества для лабораторных исследований.

В настоящее время в арсенале фирмы Milestone имеются системы микроволновой пробоподготовки (микроволновое разложение проб) (табл. 2), системы чистой химии (получение особо чистых кислот и очистка посуды), микроволновые системы озоления (муфель), системы микроволновой экстракции.

Пионерские работы по использованию микроволнового излучения в органическом синтезе появились в 1986 году. Авторы этих работ R.N. Gedue и R.J. Giguere с сотрудниками впервые показали возможность и эффективность применения энергии микроволн для синтеза органических соединений. В своих экспериментах они использовали бытовые микроволновые печи. И хотя некоторые из этих экспериментов сопровождались взрывами запаянных реакционных сосудов, начало микроволновой органической химии было положено. Из результатов этих исследований (табл. 3) видно, что при использовании микроволнового излучения продолжительность реакций сокращается в 5-240 раз при сравнимых выходах целевых продуктов реакций.

С 1986 года количество научных публикаций, посвященных исследованиям реакций под воздействием микроволн, растет год от года. Так, например, только по использованию микроволнового нагрева в реакциях получения гетероциклических соединений в 2003 году количество публикаций увеличилось вдвое, составив 230 работ. В настоящее время в США и других странах проводятся конференции по проблемам микроволновой химии, издается специализированный Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, в котором освещаются различные аспекты применения микроволн. Таким образом, микроволновая химия за довольно небольшой промежуток времени получила достаточное развитие и до сих пор вызывает большой интерес в научном мире. Стоит, к сожалению, отметить, что в России по сравнению с другими странами количество фундаментальных работ в области микроволновой химии весьма невелико.

Таблица 3.

Результаты реакций при микроволновом и традиционном нагреве

Реакция Целевой продукт Время реакции Выход, % Коэффициент ускорения

МВИ терм. МВИ терм.

Гидролиз бензамида C6H5COOH 10 мин 1 ч 99 90 6

Окисление толуола C6H5COOH 5 мин 25 мин 40 40 5

Этерификация бензойной кислоты метанолом C6H5COOCH3 5 мин 8 ч 76 74 96

Этерификация бензойной кислоты пропанолом C6H5COOC3H7 18 мин 7,5 ч 86 89 25

Этерификация бензойной кислоты бутанолом C6H5COOC4H9 7,5 мин 1 ч 79 82 8

Синтез фенилбензилового эфира C6H5OCH2C6H5 3 мин 12 ч 74 72 240

Эффект использования микроволнового излучения в той или иной реакции зачастую определяется аппаратурным оформлением эксперимента и возможностью измерения параметров процесса в ходе исследований. Поскольку результаты экспериментов, проведенных с использованием закрытой или открытой микроволновой системы моно- или мультимодового оборудования, часто различаются, то необходимым условием является подробное описание методики проведения эксперимента.

В настоящее время определены основные методы проведения микроволновых реакций. Это синтез в условиях атмосферного давления (мультисисте-ма), в условиях повышенного давления (моносистема), синтез с использованием носителей, синтез с использованием приемников микроволн или термотрансформаторов.

При проведении эксперимента в открытой микроволновой системе используют традиционные колбы Эрлен-мейера или пробирки из пирексового стекла. Чаще всего такие эксперименты проводились в бытовых печах, приспособленных к условиям химического синтеза. Измерение температуры осуществляется периодически во время выключения источника излучения или после окончания процесса. Отводящие трубки должны быть защищены медными трубками , длина которых должна составлять не менее длины волны (12 см для 2450 МГц), а диаметр равен половине длины волны (6 см). Последние должны иметь надежный контакт с корпусом печи для предотвращения утечки излучения в окружающую среду. Тем не менее следует подчеркнуть, что такие установки являются небезопасными для обслуживающего персонала, поскольку не гарантируют отсутствие утечки излучения.

К достоинствам микроволновой мультимодовой системы можно отнести максимальное приближение к условиям термического эксперимента и поэтому -

корректность сравнения результатов двух способов нагрева. К недостаткам - большую трудоемкость подготовки системы, необходимость исключения утечки излучения во внешнюю среду, затрудненный контроль температуры в ходе процесса, потенциальную пожа-роопасность, связанную с применением летучих органических растворителей.

Все недостатки применения бытовой техники в исследовательских целях послужили толчком к созданию микроволновых установок, удобных и безопасных для проведения органического синтеза. Так, первые микроволновые установки для химического синтеза были созданы в 1988 году CEM Согр. (США). Это CMR (continious microwave reactor) - микроволновый реактор непрерывного действия и MBR (microwave batch reactor) - микроволновый реактор периодического действия.

Установка оборудована средствами измерения температуры и давления, клапанами регулировки давления и микропроцессорным устройством, с помощью которого задаются параметры (скорость подачи реагентов, температура нагрева и охлаждения), которые могут быть изменены в ходе процесса. Змеевик может быть изготовлен из пер-фторалкокситефлона.

Преимущество микроволнового нагрева перед традиционными способами состоит еще и в том, что исключается влияние стенки сосуда. Однако большинство реакционных сосудов для проведения микроволновых реакций под давлением изготовлено из теплоизоляционных материалов, поэтому они требуют длительного охлаждения после окончания реакции. В CMR проблема быстрого охлаждения была решена помещением теплообменника непосредственно на выходе из зоны излучения, когда реакционная смесь может охлаждаться, находясь под давлением, чтобы предотвратить потерю летучих и разложение термолабильных соединений.

Одновременно с появлением в научной литературе в начале 1990-х годов

публикаций об ускорении реакций в условиях микроволнового нагрева возник вопрос о природе микроволновых эффектов и предположение о наличие так называемого нетермического микроволнового эффекта. Это предположение могло быть подтверждено или опровергнуто проведением тщательных кинетических исследований и расчетами кинетических параметров при проведении реакций в условиях микроволнового и термического нагрева. Однако предпринятые рядом исследователей попытки проведения таких исследований привели к противоречивым результатам, что, вероятно, связано с несовершенством лабораторных микроволновых установок на основе бытовых печей и сложностью измерения температуры в условиях микроволнового нагрева, в результате чего вопрос наличия нетермического микроволнового эффекта до сих пор остается спорным.

Быстрый микроволновый нагрев связан с эффективным поглощением микроволн полярными реагентами, растворителем и (или) катализатором. При этом скорость реакции увеличивается, так как при традиционном нагреве она лимитируется низким теплопереносом. Кроме того, ряд исследователей отмечают перегрев растворителей выше точки кипения, что также связано с высокой скоростью нагрева, когда конвекция тепла к поверхности жидкости и испарение оказываются неэффективны, чтобы рассеять избыток энергии.

Особый интерес при исследовании микроволновых эффектов представляют собой гетерогенные системы. Повышение скорости твердофазной реакции в условиях микроволнового нагрева может произойти в результате локального перегрева твердого катализатора. Перемещение полярных или ионных групп под действием микроволнового излучения может привести к увеличению числа желательных столкновений их с активными центрами катализатора. Измерение температуры твердых материалов под действием микроволн затруд-

нительно. Несмотря на это, некоторыми методами, например инфракрасным термометром, можно зафиксировать температурное распределение на поверхности образца без контакта с ним.

Развитие исследований влияния

микроволнового излучения

на организм человека

и окружающую среду

В русле анализа аспектов применения микроволн заслуживает особого рассмотрения проблема воздействия микроволнового излучения на организм человека и окружающую среду [2-8].

Развитие современных технологий передачи информации и энергии, дистанционного контроля и наблюдения, глобальная компьютеризация, широкое распространение электробытовых приборов, в частности микроволновых печей, а также развитие ряда технологических процессов с использованием различных видов излучений привело к тому, что в последней трети XX века возник и сформировался новый глобальный фактор загрязнения окружающей среды - электромагнитный.

В 1990-е годы стал употребляться термин «электромагнитный смог». А в 1995 году Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) был официально введен термин «глобальное электромагнитное загрязнение окружающей среды». В связи с этим начала действовать долгосрочная программа WHO EMF Project (1996-2005), основной задачей которой была координация соответствующих исследований и обобщение их результатов с целью выработки глобальных оценок и рекомендаций по проблеме биологического действия электромагнитного поля и защите от его воздействия. В результате действия этой программы во многих странах были реализованы национальные проекты по исследованию биологического действия электромагнитного поля и обеспечению безопасности человека и экосистем в условиях электромагнитного загрязнения окружающей среды.

Изучения воздействия микроволн на человека были начаты в связи с развитием исследований в области радиолокации и радионавигации, созданием и распространением РЛС еще в 19301940-х годах. Проводились исследования влияния микроволн различной интенсивности на экспериментальных животных, обследовалось состояние здоровья персонала РЛС. В результате многочисленных исследований было выяснено, что наибольшей опасности перегревания под действием микроволн подвержены органы с наименьшим кровотоком, к которым относятся глаза и половые органы. При этом ря-

дом исследователей было обнаружено специфическое протекание биохимических процессов в хрусталике глаза. Эти исследования положили начало изучению нетеплового (специфического) воздействия микроволн на организм человека и животных.

В 1957 году, когда получают распространение промышленные нагревательные микроволновые установки, были начаты всесторонние исследования воздействия микроволн на людей, обслуживающих эти установки. В результате этих исследований были установлены санитарные нормы, в которых определены пороговые значения плотности потока мощности излучения (ППМ) в 10 мВт/см2 для промышленных нагревательных установок с источником СВЧ-излучения и бытовых микроволновых печей.

В СССР исследование биологического действия микроволн было начато в 1938 году Ф.М. Супоницкой. Ф.М. Супо-ницкая же указала на особую перспективу использования биологического действия дециметровых волн в лечебных целях, тепловой эффект которых выражен значительно больше и наступает при значительно меньших интенсивно-стях облучения, чем для ультракоротких волн. По мнению Ф.М. Супоницкой, в основе биологического действия микроволн лежат резонансные явления, то есть вибраторный эффект обусловливает влияние излучения на молекулярную структуру тканей.

История развития

электронно-ионных технологий

Исследование электронно-ионных процессов в течение последних 150 лет неоднократно приводило к разветвлению проблем при разработке самых разнообразных технологических процессов. Появление новых классов радиоэлектронных устройств стимулировало революционный прогресс в технологиях.

Первые печи для электронно-лучевой плавки были запатентованы Пирани в 1907 году [9]. Развитие электронно-лучевых печей имело целью получить тугоплавкие и жаропрочные сплавы с точным содержанием примесей внедрения. К началу 60-х годов прошлого века электронно-лучевая плавка приобретает наиболее интенсивное развитие. Появляется оборудование мощностью до сотен киловатт. К середине 70-х годов в мире используется уже более сотни электронно-лучевых печей для выплавки слитков общей мощностью более 33 МВт [10].

Достоинства метода электронно-лучевого нагрева связаны с высокой концентрацией теплоты (108 Вт/см2) и с

возможностью регулирования в широких пределах скорости плавки, а также с экологичностью технологии. Параллельно развивается технология испарения материалов в вакууме при воздействии электронного луча с получением покрытий. Электронно-лучевой нагрев получает развитие в машиностроении для закалки кулачков, шпинделей, толкателей клапанов и т.п. Также получают развитие электронно-лучевая сварка металлов и технологии воздействия лучей на структуру веществ.

Наряду с электронно-лучевой развивается ионно-лучевая обработка. До начала 1920-х годов Круксом, Кольшот-тером и др. изучались закономерности катодного распыления в условиях тлеющего разряда.

Совершенствованию техники ион-но-лучевого распыления материалов способствовали разработки ускорителей элементарных частиц [11-13]. Значительное развитие при этом получили технологии изделий микроэлектроники.

До середины 70-х годов в электронике преобладали распылительные системы диодного типа, основными недостатками которого являлось наличие высокого напряжения, вызывающего радиационные дефекты, а также интенсивный нагрев подложек.

В магнетронных распылительных системах, появившихся в 1974 году, указанные недостатки были преодолены [14].

В 1980-е годы получило развитие ионное травление металлов. Ион-но-плазменное травление активно вытесняет химическое травление, которое не эффективно по экономическим и экологическим соображениям [15].

Одним из критериев, по которому различают применяемые в микроэлектронике методы ионно-плазменного травления, является энергия ионов.

При плазмохимическом травлении энергия ионов обычно не превышает 1,610-17 Дж (100 эВ), при ионно-хими-ческом - (1,6-8)10-17 Дж (0,1-0,5 кэВ), а для процессов ионного травления -(0,8-3,2)-10-16 Дж (0,5-2 кэВ).

Перспективным методом применения ионной технологии в микроэлектронике является использование ионных лучей для непосредственного формирования топологических рисунков ИС - ионная литография, разработка которой была начата в 1980 году. В перспективе намечается создание установок с фокусированным ионным лучом, создающим элементы ИМС с наноме-тровыми размерами (0,3-0,03 мкм).

С начала 1970-х годов неотъемлемой частью технологии полупроводникового производства стал метод ионной имплантации , в основе которого лежит возможность легирования полупровод-

Таблица 4. Основные этапы

развития исследовании и создания микроволновой техники

Начало исследований Область исследований Основоположники

1930-е гг. Радиолокация Рожанский Д.А., Кобзарев Ю.Б., Иоффе А.Ф., Ощепков П.К., Слуцкин А.А., Watson-Watt R. и др.

1932 г. Биологическое действие микроволн Patzold J., Супоницкая Ф.М. и др.

1934 г. Микроволновая спектроскопия Cleeton С.Е., Williams N.H., Van Vleck J.H., В.Л. Гинзбург, Good W.E. и др.

1938 г. Микроволновая физиотерапия Schwan H.P., Patzold J. Супоницкая Ф.М. и др.

1950 г. Первый патент на микроволновую печь P. Spenser

1950-е гг. Микроволновые установки для пищевой отрасли

1975 г. Первая публикация по микроволновой пробоподготовке Abu-Samra A., Morris J.S., Koirtyohann S.R.

1980-1990-е гг. Микроволновые установки для горной, лесоперерабатывающей и др. отраслей, аналитической химии

1986 г. Первые работы по применению микроволн в органическом синтезе Gedye R.N., Giguere R.J.

1990-е гг. Применение микроволн в нефтяной отрасли

Нулевые годы Исследования космического пространства

никовых материалов путем внедрения в них ускоренных ионов.

Ионно-лучевая технология представляет собой универсальный метод воздействия на поверхностные слои любых материалов. Имплантация примесей «донорских» элементов с различными дозами и глубиной позволяет получать материалы с новыми свойствами и уникальными электрофизическими, прочностными, химическими характеристиками.

В табл. 4 обобщены этапы исследований по использованию микроволнового излучения.

Заключение

Анализируя имеющиеся литературные данные, можно заключить, что на сегодняшний день теоретически и практически пройдена важнейшая ступень по преодолению малых масштабов и переходу на промышленный уровень СВЧ как источника энергии, а значимость этого особенно очевидна для крупнотоннажных и энергоемких процессов, в первую очередь для переработки нефти и газового конденсата. Действительно, возможность непосредственного влияния СВЧ-поля на молекулы углеводородов открывает широкие перспективы микроволнового нагрева на стадиях:

• обессоливания, обезвоживания и первичной перегонки нефти;

• вторичной переработки нефтепродуктов, включая каталитические процессы;

• ускорения процесса теплообмена при термических и каталитических процессах;

• структурных преобразований молекул углеводородов газового конденсата.

Анализ большого количества реакций, индуцированных СВЧ-излуче-нием, позволяет сделать вывод о том, что СВЧ снимают только кинетические ограничения реакций, не изменяя термодинамических параметров. На сегодняшний день не обнаружено реакций, стимулированных СВЧ-излучением, которые не протекали бы в обычных условиях. Однако СВЧ-нагрев значительно отличается от обычного тем, что он обусловливает дипольную поляризацию молекул, что в принципе может приводить к необычным эффектам. В то же время величина кванта энергии, соответствующая сантиметровому, миллиметровому и субмиллиметровому диапазонам СВЧ, соизмерима с разницей энергий близко расположенных энергетических уровней атомов и молекул, что является хорошей предпосылкой для их активации. Это обстоятельство играет определяющую роль, поскольку реализация резонансного взаимодействия СВЧ-энергии с веществом будет стимулировать промежу-

точное взаимодействие твердого тела с реагирующими компонентами через их активированное состояние.

Определив в каждом конкретном случае свои резонансные частоты, можно обеспечить существенные геометрические и энергетические изменения молекул вещества вплоть до изменения (как граничный случай) его физико-химических свойств. Образующееся при этом некоторое переходное состояние, отличное по свойствам от исходного, является предпосылкой для развития нового реакционного пути при осуществлении какого-либо химического процесса.

Новые современные средства механического воздействия на твердое вещество позволяют целенаправленно и кардинально изменить его свойства. С одной стороны, это открывает широкие возможности для регулирования фазового состава катализатора, с другой - для его активации через изменение энергетики и геометрии поверхности. По сути, можно говорить о формировании нестационарных состояний за счет энергии упругого воздействия, которые выражаются в реализации новых полей состояний катализатора, концентрационных и температурных градиентов и т.п., то есть в создании таких условий, при которых протекание каталитического акта более благоприятно, чем в стационарном состоянии. Второй возможностью целенаправленного воздействия на катализатор является использование энергии СВЧ-полей. Кроме объемных источников тепла, возникающих в твердом материале, после микроволнового облучения имеют место поляризационные явления, что в конечном счете также обусловливает развитие нестационарных состояний. Можно полагать, что в недалеком будущем вполне реальным станет не только предсказуемость работы гетерогенных катализаторов, но и селективное управление каталитическим процессом.

Бурное развитие технологии СВЧ открывает широкие перспективы в различных отраслях народного хозяйства в научных исследованиях и в быту. Эволюция полосковой техники позволяет прогнозировать как в области усовершенствования электронной промышленности, так и в расширении возможностей научно-исследовательской аппаратуры, с одной стороны, и развитии эффективных экологических решений, с другой. Важнейшим стратегическим направлением в эволюции СВЧ-технологии является решение энергетической проблемы с развитием техники передачи и усиления информативных сигналов на большие расстояния и модернизацией оборонного военно-промышленного комплекса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гюльмалиев Э.А., Третьяков В.Ф., Талышинский Р.М. и др. Химические аспекты развития технологии СВЧ. I. Возможности и перспективы использования микроволнового излучения // История и педагогика естествознания, 2016. № 2. С. 59-68.

2. Зорин В.В., Масленников С.И., Шавшукова С.Ю. и др. Интенсификация реакции Принса в условиях микроволнового нагрева // Журнал органической химии. 1998. Т. 34. Вып. 5. С. 768-769.

3. Рахманкулов Д.Л., Шавшукова С Ю., Вихарева И.Н. История изучения воздействия микроволн на живые организмы и окружающую среду // История науки и техники. 2008. № 5. Спец. вып. 2. С. 3-14.

4. Рахманкулов Д.Л., Шавшукова С.Ю., Вихарева И.Н. Исторические аспекты создания и развития микроволновой спектроскопии // История науки и техники. 2008. № 6. Спец. вып. 3. С. 61-67.

5. Рахманкулов Д.Л., Шавшукова С.Ю., Вихарева И.Н. Применение микроволнового излучения для извлечения металлов из промышленных отходов // Башкирский химический журнал. 2008. Т. 15. № 2. С. 53-56.

6. Рахманкулов Д.Л., Шавшукова С.Ю., Бикбулатов И.Х., Даминев Р.Р. Применение микроволнового излучения в нефтехимических процессах // Российский химический журнал (ЖРХО им. Д.И. Менделеева). 2008. № 4.

7. Рахманкулов Д.Л., Шавшукова С.Ю., Вихарева И.Н. Микроволновое обеззараживание нефти и нефтепродуктов // Башкирский химический журнал. 2008. Т. 15. № 3.

8. Рахманкулов Д.Л., Шавшукова С.Ю., Вихарева И.Н. Микроволновые технологии для переработки и обезвреживания углеродсодержащих промышленных отходов // История науки и техники. 2008. № 9. Спец. вып. 4.

9. Pirani M. Pat USA № 848600. Publ. 26.03. 1907.

10. Schiller S., Forster H., Jdsch G. et.al. Leistungsfähige Electronenstrahltechnik im Industrieofenbau // Elektrowärme Intern. 1977. Bd. 35, № 4. P. 219-229.

11. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат, 1972. 304 с.

12. Dawton R.H. Some experimental ion sources // Electromagnetically enriched isotopes and mass spectrometry. L.: Butterworths, 1956.

13. Гришин С.Д. Основы теории ионных двигателей. М.: МВТУ, 1973. 140 с.

14. Waits R. Magnetron deposition of conductor metallization // Solid State Technol. 1978. Vol. 15, No 2. P. 179-187.

15. Борисов В.П. Из истории отечественной электроники. М.: ИИЕТ РАН. 2010. 208 с.

CHEMICAL ASPECTS OF THE TECHNOLOGY DEVELOPMENT OF MICROWAVE FREQUENCY II. THE USE OF MICROWAVE RADIATION IN CHEMISTRY

Gyulmaliyev E.A., Postgraduate student

Tretyakov V.F., Dr. Sci. (Chem.), Prof., Chief Researcher

Talyshinsky R.M., Dr. Sci. (Chem.), Leading Researcher

A.V. Topchiev Institut of Petrochemical Synthesis (TIPS RAS) (29, Leninskiy prosp., 119991, Moscow, Russia) Borisov V.P., Dr. Sci. (Tech.), Chief Researcher

S.I. Vavilov Institute of History of Science and Technology RAS (14, Baltic St., 125315, Moscow, Russia) Movsumzade E.M., Corresponding Member Russian Academy of education, Dr. Sci. (Chem.), Prof.

Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Russia). E-mail: eldarmm@yahoo.com ABSTRACT

The article gives a historical overview of the development of microwave technology and demonstrates major advances in the use of microwave radiation, ion radiation in everyday life, science and different sectors of the economy. The economic and environmental prospects were analyzed for the development of microwave technology and biochemical aspects of the problem. Keywords: microwave, ion radiation, electronics, chemistry, catalysis, ecology.

REFERENCES

1. Gyul'maliyev E.A., Tret'yakov V.F., Talyshinskiy R.M. Chemical aspects of the development of microwave technology. I. Opportunities and prospects for the use of microwave radiation. Istoriya ipedagogika yestestvoznaniya, 2016, no. 2, pp. 59-68 (In Russian).

2. Zorin V.V., Maslennikov S.I., Shavshukova S.YU. Intensification of Prins reaction under microwave heating. Zhurnal organicheskoy khimii, 1998, vol. 34, no. 5, pp. 768-769 (In Russian).

3. Rakhmankulov D.L., Shavshukova S YU., Vikhareva I.N. History of the study of microwave effects on living organisms and the environment. Istoriya nauki i tekhniki, 2008, no. 5, pp. 3-14 (In Russian).

4. Rakhmankulov D.L., Shavshukova S.YU., Vikhareva I.N. Historical aspects of the creation and development of microwave spectroscopy. Istoriya nauki i tekhniki, 2008, no. 6, pp. 61-67 (In Russian).

5. Rakhmankulov D.L., Shavshukova S.YU., Vikhareva I.N. The use of microwave radiation for the extraction of metals from industrial waste. Bashkirskiy khimicheskiyzhurnal, 2008, vol. 15, no. 2, pp. 53-56 (In Russian).

6. Rakhmankulov D.L., Shavshukova S.YU., Bikbulatov I.KH., Daminev R.R. Use of microwave radiation in petrochemical processes. Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal, 2008, no. 4 (In Russian).

7. Rakhmankulov D.L., Shavshukova S.YU., Vikhareva I.N. The microwave disinfection of oil and petroleum products. Bashkirskiy khimicheskiy zhurnal, 2008., vol. 15, no. 3 (In Russian).

8. Rakhmankulov D.L., Shavshukova S.YU., Vikhareva I.N. Microwave technology for the processing and disposal of carbon-containing industrial waste. Istoriya nauki i tekhniki, 2008, no. 9 (In Russian).

9. Pirani M. Patent USA, no. 848600, 1907.

10. Schiller S., Forster H., Jdsch G. Leistungsfdhige Electronenstrahltechnik im Industrieofenbau. Elektrowarme Intern., 1977. vol. 35, no. 4. pp. 219-229.

11. Gabovich M.D. Fizika i tekhnika plazmennykh istochnikovionov [Physics and technology of plasma ion sources]. Moscow, Atomizdat Publ., 1972. 304 p.

12. Dawton R.H. Some experimental ion sources. Electromagnetically enriched isotopes and mass spectrometry. London, Butterworths, 1956.

13. Grishin S.D. Osnovy teoriiionnykh dvigateley [Fundamentals of the theory of ion engines]. Moscow, MVTU Publ., 1973. 140 p.

14. Waits R. Magnetron deposition of conductor metallization. Solid State Technol., 1978, vol. 15, no 2, pp. 179-187.

15. Borisov V.P. Izistoriiotechestvennoy elektroniki [From the history of native electronics]. Moscow, IIYET RAN Publ., 2010. 208 p.