液滴流微反应器的基础研究及其应用

综述了近些年来快速发展的液滴微流控技术, 回顾了微流控系统中液滴的基本行为, 如液滴的生成、运动、聚并和分裂等研究进展, 重点探讨微液滴作为反应器其内部的流动、传质和反应过程, 以及液滴流微反应器已有的和潜在的重要应用价值。通过精确调控液滴在微尺度上的行为(产生、聚并与分裂、内部的混合与反应等), 使单个液滴成为新型受限空间内的微型间歇反应器, 而微通道内的液滴流进而形成了若干间歇反应器构成的连续流反应器新型式。除了微流控技术普遍具有的微小尺寸效应带来传质传热强化、易于放大等优势外, 液滴流微反应器还具有诸如避免试剂交叉污染、液滴内部可控混合、易于独立调控、便于高通量筛选或者制备等独特特点, 使得其在功能材料制备、化学合成以及生物化工方面有着广泛的应用。     

混合增强的微流控通道进展

以微尺度过程强化为特征的微流控技术具有传质传热效率高、反应速率快、反应器尺寸小、可控性高以及易于放大等特点,被广泛应用于各个方面。其中,在流体混合领域,微流控技术所采用的微通道能够增强多相流体之间的传质,实现样品的快速混合,从而强化反应过程。常用的增强混合的方法可分为改变各通道结合处的通道类型（如从T型变到同轴流动聚焦）、改变通道内部结构（如从普通微通道变为含内部挡板微通道）以及改变流体的流形（如从层流变为泰勒流）三种。本文主要介绍了近年来微尺度过程强化技术在微流控通道设计方面的研究进展,分析了不同类型微流控通道的设计及原理,简述了不同类型微流控通道的混合增强效果,并介绍了微流控通道在制备纳米颗粒等功能材料方面的应用。未来,精细化、集成化且制造简单的微流控装置将会在过程强化中得到更充分的应用。     

多相反应体系的微界面强化简述

加氢、氧化等气液慢反应过程广泛存在于现代过程工业之中,这些反应过程一般受传质速率控制。因此,对这类多相反应体系的传质强化一直是研究热点之一。但总体而言,除外场和微通道（微流控）强化等一类强化反应器外,以往的研究大多集中于界面尺度为毫-厘米级的传统反应器的搅拌与混合方式、气泡分布状态、流体流型、构效关系等方面,而鲜有将研究视角投放到传统以米为直径计量单位的反应器平台上如何构建尺度为微米级的界面体系及其特殊效应方面。探讨了多相反应体系的微界面反应强化理念,并简述了微界面的涵义、微界面反应强化与构效调控方法、微界面反应器的结构与形成原理、微界面体系的微颗粒测试与相界面表征技术、微界面反应强化面临的问题与挑战等,以与本领域同行共同研讨。     

多相反应体系的微界面强化简述

加氢、氧化等气液慢反应过程广泛存在于现代过程工业之中,这些反应过程一般受传质速率控制。因此,对这类多相反应体系的传质强化一直是研究热点之一。但总体而言,除外场和微通道(微流控)强化等一类强化反应器外,以往的研究大多集中于界面尺度为毫-厘米级的传统反应器的搅拌与混合方式、气泡分布状态、流体流型、构效关系等方面,而鲜有将研究视角投放到传统以米为直径计量单位的反应器平台上如何构建尺度为微米级的界面体系及其特殊效应方面。探讨了多相反应体系的微界面反应强化理念,并简述了微界面的涵义、微界面反应强化与构效调控方法、微界面反应器的结构与形成原理、微界面体系的微颗粒测试与相界面表征技术、微界面反应强化面临的问题与挑战等,以与本领域同行共同研讨。     

CFD数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展

高集成化的微流控系统具有界面面积大、传递距离短、混合速度快等优势,已被广泛应用于许多科学领域。然而,微通道内多相流间的相互作用及动力学行为受多方面的影响,仅依靠试验观测技术和理论预测方法难以全面了解多相流传质传热过程、获取流场特性参数、揭示多相流相互作用规律。当下CFD数值模拟技术的快速发展为预测和分析微流控通道内的多相流问题提供了更为直观、有效、准确的帮助。本文对数值模拟技术在液滴微流控多相流特性研究的应用进展进行全面综述,涵盖液滴微流控装置结构及演变、液滴微流控模拟方法及优化以及微通道内多相流作用过程及原理。     

基于微流控芯片的液相微萃取的研究进展

微流控芯片通过微通道网络,将样品的采集、混合、反应、分离和富集等分析过程集成在芯片上完成,为化学反应的微型化提供了一个良好的操作平台。利用液体在微观尺度下表现出的特殊的表面物理性质,将液相微萃取技术移植到微流控芯片上,可以实现小体积样品中低含量目标分析物的萃取。本文介绍了基于微流控芯片的液相微萃取近年的研究进展,并总结了层流、液滴、捕陷液滴几种基本的萃取模式。     

液滴微流控的集成化放大方法研究进展

相比于传统乳化方法,液滴微流控技术可以在微通道内可控制备单分散液滴模板用于合成各种功能微球,被广泛应用于生物、医疗、制药、环境等领域。由于单个液滴制备微流控单元的产量低,液滴微流控的集成化放大成为了液滴微流控技术面向工业应用的技术难点。本文综述了近年来液滴微流控集成化放大方法的研究进展,重点介绍了不同类型液滴制备微流控单元集成化放大的研究进展,包括基于剪切力形成液滴、基于界面张力形成液滴和基于被动分裂形成液滴的液滴制备微流控单元的集成化放大方法。     

微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展

功能微颗粒材料因其微型化和多功能化等优点而在诸多领域具有广泛的应用。微流控技术可控制备的多样化乳液液滴体系为功能微颗粒材料的创新设计与可控制备提供了优良而独特的模板。深入研究乳液模板法构建功能微颗粒材料过程中介尺度结构的形成与演变规律，以及液滴界面介尺度结构与乳液动力学行为、界面传质与反应耦合对微颗粒介尺度结构的影响规律等，对于实现乳液模板结构调控与新型功能微颗粒材料创新制备具有重要意义。本文主要综述了微流控乳液模板法构建功能微颗粒过程中介尺度结构定向调控的研究进展，着重涵盖了两方面内容：（1）微流控法可控制备乳液模板的过程中，液滴界面两亲分子聚集态介尺度结构的调控与液滴运动、吞并、融合、相界面定向演变等动力学行为之间的相互影响关系和调控机制，以及上述调控对液滴形貌、结构和组成的影响规律；（2）乳液模板制备功能微颗粒的过程中，界面传质、反应，及两者耦合对微颗粒介尺度结构的定向调控，以期为新型功能微颗粒材料的高效制备与性能强化提供科学指导。     

T型微通道内流体流动的FLUENT模拟

在流体力学研究中,微流控技术是当今研究的一个热点。利用微尺度下流体流动的一些特性可以提高流体间传质、传热以及反应速率。T型微通道是一个比较常见的微流控装置,利用ICEM CFD软件建立T型微通道的几何模型;然后通过FLUENT软件对微通道内流体流动进行模拟仿真。模拟实验结果表明,通道内两相流体的速度和粘度对流型有显著影响。     

我国在化工、生物与热动力微系统领域的研究进展

简述了我国在化工、生物与热动力微系统及相关微制造技术的最新研究进展.文中指出由于具有小型化、强化传质、传热的优点,微反应器被广泛应用在化学反应中,这些反应主要包括液相、气相反应和纳米颗粒合成.微反应技术适用于一些高危反应或利用传统方法合成较困难或成本和价值非常高的反应.微流控技术应用于生物分析与测试领域也已经取得了长足...     

产品开发

正新型微流控液滴包裹技术研发前景好新型微流控液滴包裹技术,与传统液滴包裹技术相比,其优点是:操作灵活、可控性强、可通过改变通道数量、结构等方式制备双乳、复乳液滴,每层液滴的尺寸和数量还可通过调节流量等参数进行调控。因此新型微流控液滴包裹技术研发和应用具有非常广阔的前景,可应用于生物医学、食品科学、化妆品、医药等诸多领域。新型微流控液滴包裹技术主要包括膜乳化包裹、外力驱动乳化包裹、微通道乳化包裹等。     

基于微流动混合的微纳米粒子合成进展

综述了近三年来人们采用普通层流与聚焦层流、分散相与连续相形成技术、液滴技术等微流控技术角度来合成微纳米粒子的研究进展。这些进展反映出,微纳米粒子合成的微流控技术正在从连续微流动层流向离散态的分段流与液滴流技术的方向发展。文中对围绕基本微混合方式形成的特殊微流控结构被用于粒子合成的研究也给予了关注。最后对微流控微混合方式合成粒子技术过程中存在的一些基本问题作了讨论。     

双重乳液的微流控制备进展

双重乳液是一种离散相液滴中还包裹着更小的液滴的高度结构化流体,单分散的在食品、化工、医疗等领域有着广泛的应用。微流控技术作为一门研究微尺度流体的新兴技术,已经成为制备优质双重乳液的首选。本文对被动式微流控技术进行了系统地综述,介绍了协流式、交叉流式、流动聚焦式微通道的结构及其乳化机理,展望了该项技术在微液滴制备方面的发展前景。在学科交叉应用的背景下,通过对微流控装置的改进与升级,可以克服常见微流控方法出现的双乳液生产效率低,不具备超薄壁结构等问题。此外,本文还讨论了微流控技术背景下双重乳液流型演化研究的进展,提出可以通过单乳液的研究基础,联系和发展双重乳液流型演化的完备理论体系。     

微流控法构建微尺度相界面及制备新型功能材料研究进展

微流控技术由于具有优异的流体微尺度相界面调控能力,是实现微结构精确可控的新型功能材料的设计制备与性能调控的重要新兴手段。本文介绍了微流控技术可控构建稳定相界面结构的两大体系：一是具有封闭液-液相界面的乳液液滴体系;二是具有非封闭层状和环状液-液相界面的层流体系。回顾了利用微流控技术构建的这两类稳定相界面结构体系制备三大类功能材料的研究进展：一是利用乳液液滴体系制备微球微囊材料;二是利用层状层流体系制备微通道膜材料;三是利用环状层流体系制备超细纤维材料。指出微流控技术为实现功能材料的小尺度化、薄膜化、纤维化、多功能化、材料元件一体化等带来了新的机遇,提出应进一步深入系统地认识液-液相界面设计与调控以及功能材料合成过程的基本规律和机理。     

基于PMMA材料的微通道快速加工技术

近年来,基于聚合物的微加工制造技术已经成为微细加工领域的研究热点,已广泛应用于制备芯片实验室和微流控芯片。以热压技术为基础,研究利用加热电阻丝制备微流控芯片微通道的快速加工技术,并最终实现了基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料的微通道快速加工,获得了电阻丝压印微通道的最优条件,在电流1. 8 A、时间5s、压力为44. 59 N条件下获得的微通道宽度变形率约为8. 5%,深度变形量约为8. 9%,可以在2 h左右制备完成PMMA微流控芯片。最后,利用该加工技术制作了十字型流动聚焦型微流控芯片,可稳定生成34～74 nL范围内的微液滴,实验结果显示利用本快速加工技术所获得的微通道圆润光滑、性能稳定、键合密封牢固。     

微通道内气-液两相传质过程行为及其应用

微通道内气-液两相体系中Taylor流和泡状流具有气泡尺寸均一、停留时间分布窄、可调控性强和比表面积高等优点,具有广泛的应用前景。从Taylor气泡和泡状气泡的传质过程出发,系统综述了微尺度下气泡的溶解规律、传质过程机理和传质/溶解模型等方面的研究进展,并介绍上述流型在反应或过程强化、基础物性及动力学数据测量和微纳材料合成方面的应用。最后总结并展望了技术领域的研究难点与研究方向。     

微通道内气-液两相传质过程行为及其应用

微通道内气-液两相体系中Taylor流和泡状流具有气泡尺寸均一、停留时间分布窄、可调控性强和比表面积高等优点,具有广泛的应用前景。从Taylor气泡和泡状气泡的传质过程出发,系统综述了微尺度下气泡的溶解规律、传质过程机理和传质/溶解模型等方面的研究进展,并介绍上述流型在反应或过程强化、基础物性及动力学数据测量和微纳材料合成方面的应用。最后总结并展望了技术领域的研究难点与研究方向。     

基于液滴微流控技术的蛋白质结晶

结晶是培养蛋白质单晶以及蛋白质分离纯化的一种重要手段。传统静态蛋白质结晶操作周期长，晶体粒径分布不均。液滴微流控技术能够实现低雷诺数条件下的高效传质传热，是提高蛋白质结晶速率以及改善晶体尺寸分布的潜在方法。本研究利用液滴微流控系统分别在静止液滴和低剪切速率（流动液滴）条件下进行蛋白质结晶。实验结果表明，微流控液滴内循环可以有效提高成核速率和晶体数量，并且成核速率、平均晶体数量和晶体尺寸均与液滴流速呈单调依赖关系,证明了微流控液滴内温和的剪切力场是改善蛋白质晶粒度分布，减少蛋白质晶体聚集的有效手段。此外，活性实验表明微液滴内循环对溶菌酶的活性并未产生明显影响。     

微通道内液-液多相流数值模拟研究进展

液滴微流控技术在化学化工、生物医学等领域具有良好的应用前景,而微通道内的液-液多相流动则是液滴微流控技术中最常见的流动现象,深入研究其机理及其内在规律对相关装置与过程的优化设计具有重要的指导意义。本文系统地综述了研究微通道液-液多相流常用数值研究方法,回顾了连续力学方法与介观动理学方法的研究进展,详细介绍了界面追踪方法与界面捕捉方法的特点以及常用模型,讨论了多种模型的应用情况,论述并对比了不同模型的优势与限制。为进一步开展微通道液-液多相流行为规律及其内在机理的研究提供有益借鉴。微通道内多相流动涉及多种流体与界面的相互耦合,应进一步深入研究在模型简化的基础上实现更精确的界面与流体动力学行为描述。     

TiO2平板微反应器设计优化及光催化性能研究

光流体学可以将光催化反应与微流控技术结合,大幅提高光利用率和反应速率,实现对光催化水处理的高效强化,其中微反应器结构的设计与优化是研究重点之一。首先利用流体力学模拟分析优化通道级数,设计了5级树状通道平板反应器。进而,通过调控通道高度,研究不同高度的微通道对其光催化性能的影响。研究发现50 μm微反应器的降解性能及连续操作性能均优于100 μm。同时以亚甲基蓝为模拟废水对微反应器及釜式反应器的反应动力学、微反应器污染问题、连续操作性能等进行研究。研究表明,微反应器在不同流速下对亚甲基蓝均能实现连续高效降解,降解率远高于釜式反应器。当流速为55 μl/min时对5×10^-5 mol/L亚甲基蓝可达到95%的降解率并保持较好的连续操作性能及重复使用性能。