CN115639222A - 变频微波和uv协同处理有机污染物评价方法及评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频微波和UV协同处理有机污染物评价方法及评价装置，属于污染物处理技术领域，通过在圆柱体谐振腔与长方体谐振腔通过中央均分波导相连，固态微波源通过微波同轴线与中央均分波导相连；所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔均设有微波‑UV联用催化燃烧组件，能够对圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内的有机污染物或有机废气进行加热消解。采用固态微波源发射出不同稳定频率微波的功能，实现微波变频高效加热，在相同功率条件下产生更加高效的微波能量利用率。同时应用到微波对有机污染物热脱附以及消解的实际运用中，并通过实际实验与理论仿真相配合，得出不同微波频率段微波对有机污染物的处理效果。

Description

变频微波和UV协同处理有机污染物评价方法及评价装置

技术领域

本发明属于污染物处理技术领域，尤其涉及一种变频微波和UV协同处理有机污染物评价方法及其处理效果评价装置。

背景技术

微波加热作为一种新型加热技术，集迅速、清洁、无焰安全加热等优点备受瞩目，微波工作单元由微波发生单元、传输线以及谐振腔单元构成。为了提升微波对物料的加热性能，传统的方式为提升微波发生单元的工作强度，即增强微波功率，以提升微波加热效果。该方式是通过直接增大微波能量来提升加热效果，但是由于单个微波发生单元的功率有限，因此越高的微波功率，往往需要更多的微波发生单元，越来越多的微波发生单元工作会造成谐振腔内产生多种微波竞争模式，这将产生一加一小于二的结果，这不仅造成了大量的能量浪费，持久的高功率工作还会提升微波发生单元的故障率。因此需要设计一种微波发生单元与传输线及谐振腔相匹配的加热方式来提高微波加热的效率、均匀性和安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种变频微波和UV协同处理有机污染物评价方法及其处理效果评价装置，旨在解决上述现有技术中多个微波发生单元在谐振腔内互相竞争导致微波加热不均匀、加热效率低、故障率高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种变频微波和UV协同处理有机污染物评价方法，包括以下步骤：

（一）组装变频微波和UV协同处理效果评价装置：在圆柱体谐振腔与长方体谐振腔通过中央均分波导相连，固态微波源通过微波同轴线与中央均分波导相连；所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔均设有微波-UV联用催化燃烧组件，能够对圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内的有机污染物或有机废气进行加热消解；

（二）改变固态微波源发出的微波频率，通过测温组件检测圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内加热温度，评价相同入射条件下微波在圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内产生的竞争模式，以及加热物料对微波能量的利用率。

优选的，所述中央均分波导的中部设有规整波导，所述规整波导通过微波同轴线与固态微波源相连；所述规整波导的内孔横截面尺寸为95*55mm，根据波导传输理论，将固态微波源产生的微波规整为具有一定传输模式和截止频率的微波。

本发明还提供一种变频微波和UV协同处理效果评价装置，包括设置于支撑架上的圆柱体谐振腔和长方体谐振腔，所述圆柱体谐振腔与长方体谐振腔通过中央均分波导相连，所述中央均分波导上设有规整波导，所述规整波导通过微波同轴线与固态微波源相连，通过中央均分波导向圆柱体谐振腔与长方体谐振腔内辐射变频微波；所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的顶部设有排气口、底部设有用于放置有机污染物的托板、内部贯穿与废气管连通的导气管，所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔均设有微波-UV联用催化燃烧组件，用于向圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内辐射微波及紫外线。

优选的，所述长方体谐振腔及圆柱体谐振腔的长、宽、高及直径分别为2.45GHz微波波长0.122m的整数倍。

优选的，所述微波-UV联用催化燃烧组件包括微波发生单元、紫外灯管、催化剂床层及测温组件，所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内部的导气管中部均设有催化剂床层，所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内的紫外灯管均为多个，多个紫外灯管设置于催化剂床层的四周；所述微波发生单元为若干个，所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的侧壁上均设有微波发生单元，分别用于向圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内辐射微波并能够调整馈入角度；所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的侧壁上均设有测温组件，用于检测圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的内腔温度。

优选的，所述圆柱体谐振腔的圆柱面侧壁上及顶壁上均设有微波发生单元，所述圆柱体谐振腔的圆柱面侧壁上设有两个微波发生单元、顶壁上设有一个微波发生单元，所述圆柱体谐振腔的圆柱面侧壁上设有用于与微波发生单元配合的环形轨道槽，所述微波发生单元能够沿着环形轨道槽周向滑动，同时圆柱体谐振腔的顶部设有C形轨道槽；所述长方体谐振腔的三个侧壁上均设有微波发生单元，该三个微波发生单元与中央均分波导分别设置于长方体谐振腔的四个侧壁上，所述长方体谐振腔的三个侧壁上均设有用于与微波发生单元配合的田字形轨道槽，所述微波发生单元能够沿着田字形轨道槽上下左右滑动；所述田字形轨道槽内设有移动板，所述移动板能够与微波发生单元的入射波导相连，用于向圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内辐射微波。

优选的，所述入射波导能够与圆柱体谐振腔及长方体谐振腔上的移动板相连，用于调整微波的入射位置；所述移动板由透波材质制作而成。

优选的，所述导气管包括第一导气管和第二导气管，所述第一导气管设置于圆柱体谐振腔的中部，所述第一导气管的中部容纳催化剂床层，所述第一导气管的上端废气进口及底部的出气口均延伸至圆柱体谐振腔的外部；所述第二导气管为曲折状、且设置于长方体谐振腔的内部，所述第二导气管的上端废气进口及底部的出气口均延伸至长方体谐振腔的外部，所述第二导气管的中部为能够容纳催化剂床层的垂直段。

优选的，所述第二导气管上自上至下设有四个90°折弯，所述长方体谐振腔内的紫外灯管为四个，四个紫外灯管分别设置于第二导气管的中部垂直段的四周。

优选的，所述测温组件包括红外测温仪及多个热电偶，所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的顶部及底部均设有热电偶；所述红外测温仪的探头延伸至圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内、且对应设置于催化剂床层的上方。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明采用固态微波源作为微波发生单元，利用其可发射出不同稳定频率微波的功能，实现微波变频加热。本发明通过改变微波频率的加热方式相比于单纯的改变功率，能够调整到微波热效应最佳的频率段对有机污染物进行加热，实现在低功率条件下产生高功率才能达到的加热效果，更减少了能量的浪费，也减少了高功率多微波源之间的相互竞争情况。本发明将微波变频技术应用到微波对有机污染物热脱附以及消解的实际运用当中，并通过实际实验与理论仿真相互配合，得出不同微波频率段下微波对有机污染物的处理效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种变频微波和UV协同处理有机污染物效果评价装置的外形图；

图2是图1中变频微波和UV协同处理有机污染物效果评价装置的俯视图；

图3是图1中变频微波和UV协同处理有机污染物效果评价装置的半剖图；

图4是图1中变频微波和UV协同处理有机污染物效果评价装置的左视图；

图5是长方体谐振腔在不同微波频率下的加热效果对比图；

图6是圆柱体谐振腔在不同微波频率下的加热效果对比图；

图中：00-微波发生单元，01-入射波导；1-圆柱体谐振腔，2-长方体谐振腔，3-中央均分波导，4-固态微波源，5-微波同轴线，6-规整波导，7-支撑架，8-排气口，9-托板，10-紫外灯管，11-催化剂床层，12-田字形轨道槽，13-第一导气管，14-第二导气管，15-废气进口，16-出气口，17-热电偶，18-环形轨道槽。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种变频微波和UV协同处理有机污染物评价方法，包括以下步骤：

（一）组装变频微波和UV协同处理效果评价装置：在圆柱体谐振腔1与长方体谐振腔2通过中央均分波导3相连，固态微波源4通过微波同轴线5与中央均分波导3相连；所述圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2均设有微波-UV联用催化燃烧组件，能够对圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2内的有机污染物或有机废气进行加热消解。其中，所述中央均分波导3的中部设有规整波导6，所述规整波导6通过微波同轴线5与固态微波源4相连；所述规整波导6的内孔横截面尺寸为95*55mm。通过固态微波源来改变中央均分波导向两侧谐振腔内辐射的微波频率，通过频率的改变来优化微波加热效果。如图5、6所示的两个点线图展示了不同频率下相同工作功率的微波加热效果，在相同功率下，加热效果好的某个频率段的可能是相同功率下加热效果差的频率段的几倍，通过前期仿真与后期频率调整，寻找最优频率段进行工作。

（二）改变固态微波源4发出的微波频率，通过测温组件检测圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2内加热温度，评价相同入射条件下微波在圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2内产生的竞争模式，以及加热物料对微波能量的利用率。利用中央均分波导能将固态微波源产生的变频微波均衡地发散到长方体与圆柱体谐振腔内，此时两谐振腔有均衡且入射条件相同的微波，能够评价在相同入射条件下微波在不同谐振腔内产生的竞争模式，以及加热物料对微波能量的利用率。

如图1-4所示，本发明还提供一种变频微波和UV协同处理效果评价装置，该效果评价装置包括设置于支撑架7上的圆柱体谐振腔1和长方体谐振腔2，所述圆柱体谐振腔1与长方体谐振腔2通过中央均分波导3相连，所述中央均分波导3上设有规整波导6，所述规整波导6通过微波同轴线5与固态微波源4相连，通过中央均分波导3向圆柱体谐振腔1与长方体谐振腔2内辐射变频微波；所述圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2的顶部设有排气口8、底部设有用于放置有机污染物的托板9、内部贯穿与废气管连通的导气管，所述圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2均设有微波-UV联用催化燃烧组件，用于向圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2内辐射微波及紫外线。其中，所述长方体谐振腔2及圆柱体谐振腔1的长、宽、高及直径分别为2.45GHz微波波长0.122m的整数倍；底部托板可设计为翻转式结构，方便向下打开卸料。由于微波频率改变，波长就会发生改变，其在0.122mm整数倍的谐振腔尺寸内的传播路径会有巨大变化，影响了原有谐振腔内驻波产生情况。

具体设计时，圆柱体谐振腔1、长方体谐振腔2上微波发生单元00的入射波导01均为矩形波导，所述矩形波导的横截面尺寸为95mm*55mm，根据波导传输理论，将固态微波源产生的微波规整为具有一定传输模式和截止频率的微波。根据微波波导理论在TE10模式下计算截止频率为1.5779GHz。具体计算过程如下：

该矩形波导只能传输（横电波）TE与（横磁波）TM，波导的尺寸决定了麦克斯韦方程计算中产生的多个特征值中的唯一特解，即波导尺寸设计。本发明实施例中选择模数为TE10，为了验证微波能否在该波导中顺利传播，需通过公式（1）计算其波导截止频率为1.5779GHz，若微波功率大于该截止频率，则认为该波导能正常传播，倘若入射波导的电磁波频率小于波导的截止频率，沿轴向的传播常数就是虚数，这意味着波的振幅沿着轴向成指数式衰减，无法沿着波导传播。

（1）

式中：m、n对应模数中的1和0，m对应矩形波导中的宽边而n对应矩形波导中的窄边。a对应波导的长边，b对应波导的高。

是微波截止频率，单位Hz，

是截止波长，单位m，是材料磁导率，单位H/m，

是材料介电常数，单位F/m。

在长方体谐振腔表面设置了田字型轨道槽，在圆柱体谐振腔外侧设置了环形轨道槽，轨道槽内放置了移动板（采用透波材料制作），微波馈入端口与移动板连接并且波导与磁控管的微波发生单元可在轨道移动板上移动。因此，通过挪动调节来控制磁控管和波导即可控制微波发生单元所处的不同位置，即改变微波入射条件。不同的入射位置多种变化情况可经过排列组合，研究多种不同的微波馈入条件下，微波对加热媒质的热脱附效果，以及微波对UV灯管的激发效果，微波对材料的加热过程是麦克斯韦方程组与传热方程组的多物理场耦合的结果，材料的电磁场计算可由下述波动方程给出该波导方程为麦克斯韦方程组推导得出：

（2）

式中：μ，

和σ分别为媒质的磁导率、随温度T变化的复相对介电常数、电导率；k₀为自由空间波数; ω和E分别表示角频率和电场强度；传热场计算可由下述偏微分方程模型给出：

（3）

式中：

为物料密度，

为物料恒压热容，k为传热系数，Q为获得的热量。

事实上，微波加热材料的过程涉及了电磁与传热物理场的双向耦合过程，加热材料随着温度的升高，其介电特性会发生改变。麦克斯韦的计算，材料传热方程得到解集后进行计算，得出新一轮的解集，该新的解集会被导入到麦克斯韦方程中进行从新计算，如此往复循环，两个方程双向耦合，揭示了微波加热材料的过程。

实际微辐射入圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的微波情况，实验结果与计算机仿真结果相结合，探讨加热媒质对微波的最佳利用率以及表现的最佳加热效果的情况。更重要的，本发明设计了圆柱体微波谐振腔与长方体谐振腔的对比加热，两部分可以同时使用也可单独使用研究。长方体谐振腔在前后侧面以及右侧三面分别设计了田字型轨道槽，而圆柱体谐振腔在表面以及顶部分别设计了环形和C型的轨道槽，环形轨道槽的移动板置于轨道槽内部，顶部C型轨道槽控制了微波从顶部辐射的馈入条件，波导端口与移动板连接。同时，该装置的中央还设计了均分支波导微波传输线作为共用波导槽，作为圆柱体和长方体谐振腔的共用微波馈入源，该部分为一个装配整体，多个微波发生单元置于均分支波导传输线的一侧、且位置正好位于两谐振腔的中央，多个微波正常辐射后，沿均分支波导传输线传播，到分叉口出能保持均匀的、同时的反射传播到在两个谐振腔内，此时关闭两个谐振腔周围的其他微波发生单元的电源，只使用中央均分波导上的固态微波源，此时研究同时同样的入射条件下，微波在圆柱体或长方体谐振腔内的辐射情况，以及微波对两个谐振腔内部的相同加热媒质的加热效果情况。该中央均分波导可在中央位置上下进行小范围的移动，可以改变微波在两谐振腔内的高度入射条件。在两谐振腔内设置同样的设置了相同的催化剂床层以及连通有机废气管的导气管，研究在不同馈入情况条件下微波强化催化氧化处理挥发性有机物（VOCs）等废气的最佳工况条件以及评价在微波对催化剂的加热强化作用下催化剂对有机废气的处理效果。两谐振腔顶部设计的盖板为可拆开方式，可从顶部置入受有机污染物污染的土壤或者其他的极性材料，两谐振腔底部设计在装配架内，可从底部打开，用于倒出处理好的土壤等加热媒质。该装置可应用于污染土壤修复评价，也可用于有机废气催化氧化，都利用到了微波对材料的热效应，微波能选择性的对材料进行加热，这些材料大多为有较强的介电损耗，公式（4）直观的反应了微波与加热材料的介电损耗的相关性。

（4）

式中：

为微波频率，单位为HZ；

为真空介电常数，数值为8.85×10-12Fm-1；

为物料的介电损耗，

的变化直接反映了微波频率对加热材料的有着显著的作用效果。

微波的迅速加热作用可将受污染土壤颗粒中夹杂的有机物分子从土壤中脱附出来，但是微波的能量子并不足以将挥发出来的有机物彻底消解处治，因此采用微波-UV联用的方式，UV波具有较高的频率，UV能量子可以将大部分的有机污染物消解为无毒无害小分子后排出，但是UV波的波长极短，不能穿透土层，因此微波的迅速热脱附土壤层，快速使有机物热脱附出土壤内部，进而被UV波消解，两者相互配合补足短板。更重要的，UV波的激发装置常采用紫外灯管，但是传统有极紫外灯管启动慢，反应慢，产UV而且需要单独添加灯管电极供电，加大了设备的制作成本。微波的能量子不能使有机物间的共价键断裂但可以使紫外灯管内的Hg-Ar蒸汽发生电离，在电离过程中会迅速产生UV波，这便是无极紫外灯管的工作原理，其启动迅速，反应迅速，且灯管可简易放置。因此在两谐振腔内各放置了四根无极紫外灯管，作为挥发性有机污染物的后处理方法，消解后从排气口排出。因此，本发明提供的装置可作为不同馈入条件下微波强化催化氧化处理VOCs的评价装置，也可作为不同馈入条件下有机污染土壤的修复评价装置，在整个过程中圆柱形与箱式谐振腔内互相作为对照研究。实际运用中，寻找的最佳馈入效果，同计算机仿真模拟结果相互论证相互结合得出的最佳馈入效果，用于从微波馈入条件以及谐振腔构型上探讨研究微波加热不均，产生不同热极点，微波加热能量利用率低等问题。

具体应用时，固态微波源4通过中央均分波导射入圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2内的微波频率发生改变，则微波的波长亦会发生改变，这将导致在两个谐振腔以及中央均分波导内部中原本2.45GHz的传播路径发生改变，这将导致中央均分波导以及谐振腔内部的微波入射情况、反射情况以及入射波和反射波相互作用产生的驻波产生变化，最终微波对物料的加热效果发生改变。同时，微波频率变化导致了微波能量的变化。因此，微波频率的变化能非常直观的反应微波的传播路径的改变，进而直观反映物料的加热效果。因为根据公式：波长=波速/频率，此处波速为光速固定，频率变化，导致波长反向变化，波长为一个周期内微波前进的距离，而当波长变化，在达到谐振腔某个点，原本需要1个微波波长就可以到达的位置，可能波长变化后需要1.2个微波长才能到，再经由谐振腔内壁反射或者物料吸收过程，这种细微的差异放大，微波在谐振腔内的传播路径改变，入射波与反射波相互作用产生的驻波环境也改变。

在本发明的一个具体实施例中，所述微波-UV联用催化燃烧组件包括微波发生单元00、紫外灯管10、催化剂床层11及测温组件，所述圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2内部的导气管中部均设有催化剂床层11，所述圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2内的紫外灯管10均为多个，多个紫外灯管10设置于催化剂床层11的四周；所述微波发生单元00为若干个，所述圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2的侧壁上均设有微波发生单元00，分别用于向圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2内辐射微波并能够调整馈入角度；所述圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2的侧壁上均设有测温组件，用于检测圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2的内腔温度。其中，圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2上的磁控管没有变频功能，只能在2.45GHz下工作，本发明利用多个微波入射单元在相同工作功率下与固态微波源做对比，来验证效果。利用微波能够迅速加热有机污染物或有机废气，以受污染土壤为例，微波加热作用可将受污染土壤颗粒中夹杂的有机物分子从土壤中脱附出来，同时紫外灯管产生的185nm的UV波具有较高的频率，能将空气中的氧气转化为具有强氧化性的臭氧，臭氧可以起到了对加热材料的氧化作用，同时对土壤热修复过程中产生的挥发性有机物也能对其进行氧化作用。采用微波-UV联用的方式， UV能量子可以将大部分的有机污染物消解为无毒无害小分子后排出，通过微波迅速加热土壤层，快速使有机物热脱附出土壤内部，进而被UV波消解，两者相互配合补足短板。另外，针对有机废气，通过催化剂床层内催化剂的催化作用为辅，可使整体装置的催化燃烧效果更为显著，对VOCs的处理效果也更好。

作为一种优选方案，如图1所示，所述圆柱体谐振腔1的圆柱面侧壁上及顶壁上均设有微波发生单元00，所述圆柱体谐振腔1的圆柱面侧壁上设有两个微波发生单元00、顶壁上设有一个微波发生单元00，所述圆柱体谐振腔1的圆柱面侧壁上设有用于与微波发生单元00配合的环形轨道槽18，所述微波发生单元00能够沿着环形轨道槽18周向滑动，同时圆柱体谐振腔的顶部设有C形轨道槽；所述长方体谐振腔2的三个侧壁上均设有微波发生单元00，该三个微波发生单元00与中央均分波导3分别设置于长方体谐振腔2的四个侧壁上，所述长方体谐振腔2的三个侧壁上均设有用于与微波发生单元00配合的田字形轨道槽12，所述微波发生单元00能够沿着田字形轨道槽12上下左右滑动；所述田字形轨道槽12内设有移动板，所述移动板能够与微波发生单元00的入射波导01相连，用于向圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2内辐射微波。借助环形轨道槽18及田字形轨道槽12可实现微波发生单元00在圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2上的位置调整，使相邻入射波导发出的微波相互错开，从而确定最佳位置。因为如果两微波发生单元正对入射，入射波直接碰撞相互作用产生驻波，驻波一般都是入射波与反射波作用产生的，相邻入射波导错开能避免部分两入射波作用产生的驻波，进而降低驻波对微波加热效果的影响。

该方案中利用多个微波发生单元的磁控管在不同位置产生多个入射条件的微波，可以同固态微波源产生的微波在中央均分波导上上下移动产生不同的入射条件进行对比。由于固态微波源产生的微波为不同于传统磁控管产生的频率为2.45GHz的其他频率段微波，借由前期仿真结果，用于验证固态微波源的其他频率微波同磁控管产生的2.45GHz微波同时工作时，在两谐振腔内产生的加热效果，两者能否有最佳的频率匹配段。

具体制作时，所述入射波导01能够与圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2上的移动板相连，用于调整微波的入射位置；所述移动板由透波材质制作而成。其中，所述环形轨道槽18及田字形轨道槽12的边缘均设有刻度尺（图中未画出），每间隔25mm为一个标尺点，借助刻度尺可精确入射波导01在轨道槽内的移动量。具体操作过程如下：

装置在未通电时，挪动位于圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2表面上的微波发生单元00，在移动板与轨道槽的接触下，控制入射波导在01圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2周围沿着轨道槽边缘并按照一定的步长移动。另外，移动板和微波发生单元可以从轨道槽上拆卸，也可将多个微波发生单元放置于同一侧，此时研究多个微波发生单元位于同一平面时的效果。具体移动板及波导磁控管部分的移动要求依照具体实验条件以及前期仿真模拟结果条件控制。

进一步优化上述技术方案，所述圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2的侧壁分别设有与中央均分波导3相匹配的滑槽（图中未画出），所述中央均分波导3的两端能够沿着圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2的高度方向升降。采用该结构来评价不同高度变频微波对谐振腔内有机污染物的处理效果。

在本发明的一个具体实施例中，如图4所示，所述导气管包括第一导气管13和第二导气管14，所述第一导气管13设置于圆柱体谐振腔1的中部，所述第一导气管13的中部容纳催化剂床层11，所述第一导气管13的上端废气进口15及底部的出气口16均延伸至圆柱体谐振腔1的外部；所述第二导气管14为曲折状、且设置于长方体谐振腔2的内部，所述第二导气管14的上端废气进口15及底部的出气口16均延伸至长方体谐振腔2的外部，所述第二导气管14的中部为能够容纳催化剂床层11的垂直段。其中，所述第二导气管14上自上至下设有四个90°折弯，所述长方体谐振腔2内的紫外灯管10为四个，四个紫外灯管10分别设置于第二导气管14的中部垂直段的四周。

具体制作时，催化剂床层11由催化剂及其下方的石英棉组成，污染的有机废气从导气管顶部进入、底部排出，石英棉能够对催化剂起到隔档这样，避免随气流排出造成损失。利用微波对催化剂加热强化，使其快速达到活性温度，发挥催化氧化作用高效处理有机废气。

在本发明的一个具体实施例中，如图1、4所示，所述测温组件包括红外测温仪（图中未画出）及多个热电偶17，所述圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2的顶部及底部均设有热电偶15；所述红外测温仪的探头延伸至圆柱体谐振腔1及长方体谐振腔2内、且对应设置于催化剂床层11的上方。利用红外测温仪来测量催化剂床层内的温度，同时借助顶部及底部的热电偶用于测量导气管内的废气进口温度及出口温度。

本发明的工作原理如下：

通过固态微波源在实际工作中产生不同频率段的微波，应用于对有机污染物的热脱附或者催化氧化作用，筛选出针对该尺寸构型下的波导和谐振腔的最佳微波频率段，作为最佳频率工况条件，在相同功率情况下，能起到更优的加热效果。同时，固态微波源作为微波发生单元，借由微波同轴线将产生的微波发射到规整波导内进行模式规整后借由中央均分波导进行传输至两个不同谐振腔构型内产生微波热效应，两个谐振腔可以同时使用也可单独使用研究。同时，在圆柱体谐振腔的侧面设计环形轨道槽，在长方体谐振腔在正面背面以及右侧三面分别设计了田字型的轨道槽，方便调整微波发生单元的位置，使入射微波相互错开，提高加热效率。

通过在导气管内相同的催化剂床层，用于改变不同微波频率的情况条件下调整微波对强化催化氧化处理挥发性有机物（VOCs）等废气的最佳工况条件以及评价在微波对催化剂的加热强化作用下催化剂对有机废气的处理效果，微波频率的改变，改变了微波的波长大小，改变了微波对土壤层的穿透深度。当然，频率的改变，造成了微波能量子强度的变化，对有机物的消解作用存在差别，这些变化情况都可作为变频微波对有机污染物处理效果可控条件。

另外，两个谐振腔的顶部均设计为可拆开的方式，可从顶部置入受有机污染物污染的土壤或者其他的极性材料，两个谐振腔底部架设在支撑架上，可从底部打开托板，用于倒出处理好的土壤等加热媒质。该装置可应用于对变频微波作用下对污染土壤修复评价，也可用于变频微波作用下对有机废气催化氧化效果。

本发明应用前经过计算机仿真软件通过一系列的理论仿真技术，得到随着微波频率的改变，相同功率相同谐振腔等工况条件下，频率的改变，会大大的改变加热物料的最终升温效果的结论（如图5、6所示）再利用本发明将微波变频技术应用到微波对有机污染物热脱附以及消解的实际运用当中，并通过实际实验与理论仿真相互配合，得出不同微波频率段微波对有机污染物的处理效果。图5、6分别是长方体谐振腔及圆柱体谐振腔在不同微波频率下的加热效果对比图。注意，单独做固态微波源做变频加热的时候，此时周围的微波发生单元均封闭了入射波导端口且关闭磁控管电源，只采用固态微波源进行工作，且位置固定。

利用本发明能够评价在相同谐振腔构型内，相同微波功率等工况条件下，不同频率段的微波会由于传播路径和微波能量的改变，最终对加热物料的效果影响。

本发明通过改变微波频率的加热方式相比于单纯的改变功率，通过调整到微波热效应最佳的频率段进行加热工作，能在低功率条件下产生高功率才能达到的加热效果，更减少了能量的浪费，也减少了高功率多微波源之间的相互竞争情况。

综上所述，本发明通过微波频率的改变不仅能改变物料的加热效果，同时能很大程度上优化微波加热不均匀的问题。本发明提供的变频微波和UV协同处理有机污染物评价方法提出利用固态微波源的可变频式功能，使用固态微波源作为微波发生单元，并应用到微波加热的实际应用中。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (10)

1.一种变频微波和UV协同处理有机污染物评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

（一）组装变频微波和UV协同处理效果评价装置：在圆柱体谐振腔与长方体谐振腔通过中央均分波导相连，固态微波源通过微波同轴线与中央均分波导相连；所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔均设有微波-UV联用催化燃烧组件，能够对圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内的有机污染物或有机废气进行加热消解；

（二）改变固态微波源发出的微波频率，通过测温组件检测圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内加热温度，评价相同入射条件下微波在圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内产生的竞争模式，以及加热物料对微波能量的利用率。

2.根据权利要求1所述的变频微波和UV协同处理有机污染物评价方法，其特征在于：所述中央均分波导的中部设有规整波导，所述规整波导通过微波同轴线与固态微波源相连；所述规整波导的内孔横截面尺寸为95*55mm。

3.一种变频微波和UV协同处理效果评价装置，其特征在于：如权利要求2所述的变频微波和UV协同处理有机污染物评价方法中的变频微波和UV协同处理效果评价装置包括设置于支撑架上的圆柱体谐振腔和长方体谐振腔，所述圆柱体谐振腔与长方体谐振腔通过中央均分波导相连，所述中央均分波导上设有规整波导，所述规整波导通过微波同轴线与固态微波源相连，通过中央均分波导向圆柱体谐振腔与长方体谐振腔内辐射变频微波；所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的顶部设有排气口、底部设有用于放置有机污染物的托板、内部贯穿与废气管连通的导气管，所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔均设有微波-UV联用催化燃烧组件，用于向圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内辐射微波及紫外线。

4.根据权利要求3所述的变频微波和UV协同处理效果评价装置，其特征在于：所述长方体谐振腔及圆柱体谐振腔的长、宽、高及直径分别为2.45GHz微波波长0.122m的整数倍。

5.根据权利要求4所述的变频微波和UV协同处理效果评价装置，其特征在于：所述微波-UV联用催化燃烧组件包括微波发生单元、紫外灯管、催化剂床层及测温组件，所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内部的导气管中部均设有催化剂床层，所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内的紫外灯管均为多个，多个紫外灯管设置于催化剂床层的四周；所述微波发生单元为若干个，所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的侧壁上均设有微波发生单元，分别用于向圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内辐射微波并能够调整馈入角度；所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的侧壁上均设有测温组件，用于检测圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的内腔温度。

6.根据权利要求5所述的变频微波和UV协同处理效果评价装置，其特征在于：所述圆柱体谐振腔的圆柱面侧壁上及顶壁上均设有微波发生单元，所述圆柱体谐振腔的圆柱面侧壁上设有两个微波发生单元、顶壁上设有一个微波发生单元，所述圆柱体谐振腔的圆柱面侧壁上设有用于与微波发生单元配合的环形轨道槽，所述微波发生单元能够沿着环形轨道槽周向滑动，同时圆柱体谐振腔的顶部设有C形轨道槽；所述长方体谐振腔的三个侧壁上均设有微波发生单元，该三个微波发生单元与中央均分波导分别设置于长方体谐振腔的四个侧壁上，所述长方体谐振腔的三个侧壁上均设有用于与微波发生单元配合的田字形轨道槽，所述微波发生单元能够沿着田字形轨道槽上下左右滑动；所述田字形轨道槽内设有移动板，所述移动板能够与微波发生单元的入射波导相连，用于向圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内辐射微波。

7.根据权利要求6所述的变频微波和UV协同处理效果评价装置，其特征在于：所述入射波导能够与圆柱体谐振腔及长方体谐振腔上的移动板相连，用于调整微波的入射位置；所述移动板由透波材质制作而成。

8.根据权利要求5所述的变频微波和UV协同处理效果评价装置，其特征在于：所述导气管包括第一导气管和第二导气管，所述第一导气管设置于圆柱体谐振腔的中部，所述第一导气管的中部容纳催化剂床层，所述第一导气管的上端废气进口及底部的出气口均延伸至圆柱体谐振腔的外部；所述第二导气管为曲折状、且设置于长方体谐振腔的内部，所述第二导气管的上端废气进口及底部的出气口均延伸至长方体谐振腔的外部，所述第二导气管的中部为能够容纳催化剂床层的垂直段。

9.根据权利要求8所述的变频微波和UV协同处理效果评价装置，其特征在于：所述第二导气管上自上至下设有四个90°折弯，所述长方体谐振腔内的紫外灯管为四个，四个紫外灯管分别设置于第二导气管的中部垂直段的四周。

10.根据权利要求5所述的变频微波和UV协同处理效果评价装置，其特征在于：所述测温组件包括红外测温仪及多个热电偶，所述圆柱体谐振腔及长方体谐振腔的顶部及底部均设有热电偶；所述红外测温仪的探头延伸至圆柱体谐振腔及长方体谐振腔内、且对应设置于催化剂床层的上方。

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