舞动的液滴：界面现象与过程调控

液滴动态行为的调控在包括微化工、相变传热、喷雾冷却、农药喷洒、微流控芯片等领域都具有广泛的应用。液滴润湿过程包含着复杂的固液界面现象,借助界面效应对液滴动态行为进行调控是液滴调控领域的热点方向。将围绕多尺度润湿、界面结构驱动的液滴动态行为等过程中的若干科学问题进行综述。首先介绍了多尺度表面润湿基本理论,讨论了核化过程、液滴多尺度润湿、液滴弹跳和液滴多向迁移过程及液滴撞击固体表面过程中的固液界面作用机理,并展现了液滴动态调控在相变传热、喷墨打印、农药喷洒和微流控等工业过程的调控作用、应用以及主要发展趋势和方向。     

舞动的液滴:界面现象与过程调控

液滴动态行为的调控在包括微化工、相变传热、喷雾冷却、农药喷洒、微流控芯片等领域都具有广泛的应用。液滴润湿过程包含着复杂的固液界面现象,借助界面效应对液滴动态行为进行调控是液滴调控领域的热点方向。将围绕多尺度润湿、界面结构驱动的液滴动态行为等过程中的若干科学问题进行综述。首先介绍了多尺度表面润湿基本理论,讨论了核化过程、液滴多尺度润湿、液滴弹跳和液滴多向迁移过程及液滴撞击固体表面过程中的固液界面作用机理,并展现了液滴动态调控在相变传热、喷墨打印、农药喷洒和微流控等工业过程的调控作用、应用以及主要发展趋势和方向。     

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。     

微尺度过程强化的结晶颗粒制备研究进展

结晶颗粒制备技术在化工、医药、电子、生物等领域具有不可替代的作用。近年来,随着化工过程强化和微化工技术的快速发展,基于微尺度的过程强化方法在晶体颗粒制备过程中得到广泛的应用,成为高端颗粒制备的前沿技术。本文系统综述了该领域的研究进展：围绕微流控组件,简述微结构混合器、微流体技术对提高微观混合效率的原理及其在纳米材料、药物结晶等领域的应用;围绕微尺度力场,综述超重力旋转填充床的结构设计、可视化研究,超声场为代表的声空化效应及外加力场对超细纳米颗粒制备和药物连续结晶过程的应用;进一步,针对新型膜微尺度传质强化过程,分析微孔膜材料强化传质过程以及膜表面的晶体颗粒“黏附-生长-脱落”运动行为,阐明影响微孔膜分散传质强化过程的关键结构和过程参数,系统论述致密膜液层强化传质的表面更新机制和控制结晶颗粒制备的多级膜操作系统。最后,展望微尺度过程传质强化的结晶颗粒制备技术发展趋势。     

微通道内卫星液滴生成机理与惯性分离机制

由于非线性动态特征,液液界面破裂过程常伴随卫星液滴的产生,对基于液滴的微流体技术生产液滴的均一性和精准化目标提出了挑战。阐释了微流体界面失稳的复杂动力学特征,剖析了界面失稳的影响因素,并分析了伴随界面失稳而产生的卫星液滴的现象与原理。结合惯性微流体新概念,总结了卫星液滴的惯性分离机制。展望了卫星液滴生成-惯性微流体分离一体化及其并行化数目放大的构想。相关工作的开展,有利于实现微流体技术生产单分散性液滴的精准化目标,为微流体与复杂流体相关的界面动力学行为与调控夯实基础。     

气液液微分散萃取强化低浓度稀土离子富集回收

我国稀土矿产资源分布广泛，种类丰富齐全。但稀土开采过程中的酸沉、浸出等流程会产生大量富含低浓度稀土离子等污染物的废水，该部分废水若排放进入地下水体或河流，会对生态环境和人民的身体健康造成严重的影响。萃取技术在稀土离子分离领域应用广泛，然而传统的萃取技术和设备若在大相比下操作将存在萃取剂耗量大、溶剂夹带损失严重、萃取效率低、易乳化等弊端。气液液微分散技术近年来成为微流控、微化工、微分析等领域的重要研究内容。其应用于萃取过程具有传质速度快、分相时间短的独特优势。本文介绍了气液液微分散萃取技术在低浓度稀土离子富集回收领域的研究进展，具体包括气液液微分散体系的微流控制备方法和调控规律、多相微分散体系的流型、气液液微分散萃取技术在低浓度稀土离子萃取回收领域的应用及其过程放大研究。已有的研究结果表明气液液微分散萃取技术在低浓度稀土离子富集回收领域展现出了独特的优势，有望解决稀土浸矿尾液处理的难题。本文主要针对以上几个方面的研究进展进行综述，并对其未来的发展方向进行了展望。     

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。     

微尺度内液-液传质及反应过程强化的研究进展

微化工技术作为一种高效的过程强化技术获得了广泛应用。本文从流动、传递及反应三者之间的耦合机制出发,系统综述了近十五年以来关于微尺度内液-液两相流动与传质过程特征、强化传质的微反应器、评价标准及其在化学品合成与材料制备中的应用等方面的研究进展,并对其未来发展方向进行了展望。     

微通道内表面活性剂与界面传递现象研究进展

表面活性剂在微流体应用中具有重要作用,常伴随动态界面传递现象。综述了微通道内含表面活性剂的多相流研究进展,剖析了液滴尺寸、液体流变性、压力降与微流体中动态界面张力的关系。总结了表面活性剂作用下的界面传递现象,如气泡及液滴的生成、运动、形变、破裂和聚并动力学的研究进展。综述了微流体中表面活性剂的吸附动力学,对该领域的发展方向进行了展望。     

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。     

Suspension,dispersion, and interfacial polycondensation: A methodological survey

This review presents a general picture of suspension, dispersion, and interfacial polycondensation processes employed for the preparation of beaded resins, dry powders, and high solid dispersions. The polymer systems covered include polyamides, polyesters, polycarbonates, polyurethanes, and phenol-formaldehyde and urea-formaldehyde resins. Basic features of heterogeneous polycondensation processes are outlined, and different mechanisms of particle formation in suspension, dispersion, and interfacial polycondensation are discussed. Effects of manufacturing parameters such as feed ratio, droplet/particle stabilizer, and stirrer speed on product characteristics are also briefly covered.     

微通道内传递对液液分散过程的影响规律

在同轴环管微通道中,采用水/正辛醇形成两相体系,利用硫酸向水中传质并释放热量以实现伴随传质传热的微分散过程,研究了两相流速、硫酸浓度对两相流型和液滴大小的影响规律。结果发现,传递会引发O/W/O新流型的产生和流型分布区域变化。探讨了传递强度对于分散液滴尺寸的影响,通过计算液滴脱落时的动态界面张力,分析了传质和传热对于液液微分散影响的大小。     

微混合技术--颗粒材料制备的关键之一

分散混合是化工生产过程中的一个重要单元,特别是在液相法制备固体颗粒材料方面.针对混合技术的最新发展--微混合技术进行讨论,描述了微通道和膜分散两种微混合方式的基本原理,结合已有工作对微混合技术在固体颗粒材料制备方面的优势进行了分析,并指出了微混合技术的研究方向及其发展前景.     

电场对液滴界面张力及动力学特征影响的研究进展

电场是改变液滴界面张力的重要因素,施加不同类型的电场对驱动微流体运动、变形、分裂及合并等行为起着至关重要的作用,该技术广泛用于微液滴操控、电子显示和原油脱水等领域,并具有潜在的应用前景。文中综述了电场作用下微液滴气-液、气-固与液-液交界面张力的变化,分析了与界面张力对微液滴运动学行为影响相关的实验现象及模拟成果;指出电场作用下气-液交界面处表面张力的变化趋势,因实验及模拟方法不同目前仍存在较大争议;探讨了直流电和交流电对电润湿过程液滴铺展的不同影响和液滴形态振荡特征;分析了直流电、交流电及电脉冲对电破乳过程中液滴运动行为的重要作用。总结了电场对液滴界面张力影响研究中存在的问题,并提出了值得进一步深入研究的可能方向。     

多相/多组分LBM模型及其在微流体领域的应用

多相/多组分流体在化工领域中广泛应用,通常伴随有组分传递、相变、界面的产生与运动、化学反应等复杂的物理、化学过程,建立描述相应复杂体系的理论模型和模拟方法面临着极大的挑战。格子Boltzmann方法（lattice Boltzmann method,LBM）是近年来备受关注的一种介观模拟方法;多相/多组分格子Boltzmann模型具有易于追踪多相动态界面、壁面性质设定简单等优点,从物理模型到计算精度和速度都有很大的优势,尤其适合于模拟微化工系统下的多相多组分流动问题。以格子Boltzmann方法为基础,重点介绍了气液及液液体系多相/多组分LBM模型的研究进展以及其在微流体系统中的应用。     

The liquid–liquid flow dynamics and droplet formation in a modified step T-junction microchannel

The droplet generation mechanism in the asymmetrically enhanced step T-junction remains unknown, especially for the transition stage from dripping to jetting regimes. In this work, the droplet generation mechanism was systematically investigated in a modified step T-junction by modulating a large flowrate range and altering different interfacial tensions. We found that under different fluid regimes, both the capillary number and flow rate ratio of continuous and dispersed phase showcase completely different impacts over droplet generation. In dripping regime, the interfacial tension, which was controlled by changing the surfactant concentration, dominated the formation mechanism when the surfactant concentration was found below micelle concentration. In jetting regime, our experimental results showed that the influence of the surfactant concentration on the size of generated droplets was rather negligible while the flow rate ratio of continuous and dispersed phase indeed determined such a parameter. In the dripping-jetting transition stage, an increase of droplet size was observed despite the increase of continuous phase flow. After reaching a peak, the droplet dimension started to decrease with the increase of continuous phase flow as expected. To the best for our knowledge, it is the first study to report generation mechanism in modified step T-junction from dripping to jetting regimes.     

Progress in molecular-simulation-based research on the effects of interface-induced fluid microstructures on flow resistance

In modern chemical engineering processes, solid interface involvement is the most important component of process intensification techniques, such as nanoporous membrane separation and heterogeneous catalysis. The fundamental mechanism underlying interfacial transport remains incompletely understood given the complexity of heterogeneous interfacial molecular interactions and the high nonideality of the fluid involved. Thus, understanding the effects of interface-induced fluid microstructures on flow resistance is the first step in further understanding interfacial transport. Molecular simulation has become an indispensable method for the investigation of fluid microstructure and flow resistance. Here, we reviewed the recent research progress of our group and the latest relevant works to elucidate the contribution of interface-induced fluid microstructures to flow resistance.We specifically focused on water, ionic aqueous solutions, and alcohol–water mixtures given the ubiquity of these fluid systems in modern chemical engineering processes. We discussed the effects of the interfaceinduced hydrogen bond networks of water molecules, the ionic hydration of ionic aqueous solutions, and the spatial distributions of alcohol and alcohol–water mixtures on flow resistance on the basis of the distinctive characteristics of different fluid systems.