随着社会工业化程度提高,水污染问题越发突出,应用纳米材料进行污水净化处理在水资源循环利用中发挥着重要作用,高性能微纳米材料的研究和生产成为新时代材料的发展方向。微波化学凭借其特殊的加热方式和特有的微波效应,被广泛应用于微纳米材料的合成,因此,对能够高效利用电磁能量的微波化学反应器的研究愈来愈受到关注。本文针对微波化学反应中电磁能量如何有效利用的问题,通过理论计算,仿真分析及实验测试等方法,设计了一款利用天线辐射加热且通过增设热管实现同步冷却功能的微波化学反应器。本课题主要研究内容如下:(1)研究微波反应器及天线相关理论,通过理论计算设计波导-同轴天线辐射结构,并利用仿真软件HFSS进行电磁计算,分析不同参数下的微波能量传输情况及场强分布。结果表明阶梯内导体和其在波导内的轴向错位补偿能够影响阻抗匹配,通过优化内导体结构及位置尺寸,可以实现宽频带内较小的回波损耗。通过仿真计算,设计可以在谐振腔中心实现集中辐射的弧形天线板结构,温度测试实验表明该天线式微波反应器的谐振腔内场强分布合理,加热均匀性提高。(2)针对微波辅助化学反应中,温度稳定后微波辐射急剧下降的问题,在天线式微波反应器的基础上增设热管。采用数值模拟计算增设热管后的谐振腔品质因数,确定热管在谐振腔内的最佳蒸发段长度。通过实验测试研究热管在不同冷凝段长度和微波功率下的传热特性,分别对反应升温段速率和温度稳定段的微波能量进行分析。结果表明,冷凝段长度变化对低功率微波升温速率影响较大,会呈现抛物线型升温曲线。增设热管后,依据分析得到的热管传热特性优化工作参数,可明显提高温稳段微波辐射能量。(3)采用常压微波水热法,分别在无热管和增设热管的微波反应器中制备纳米氧化锌,研究温稳段微波能量变化对合成ZnO的影响,并在增加微波能量的基础上添加不同表面活性剂(柠檬酸钠、草酸钠)修饰ZnO,探究其形貌及性能。结果表明,随着温稳段微波能量增加,合成的纳米ZnO明显偏向片状结构,其光学性能在高功率微波能量变化下较为敏感。同功率下,增加微波辐射能量制备的氧化锌在90 min后光催化降解率显著提高,表面活性剂草酸钠制备的氧化锌120 min内降解率可达到99%以上,表现出优异的光催化性能。本课题设计研发的天线式微波反应器和热管式同步冷却功能型微波反应器可调控纳米ZnO结构,制备性能优异的纳米ZnO,具有广阔的应用前景。