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微混合器混合机理与技术

1.微混合器混合机理

在分析化学和生命科学领域,系统的微型化是大势所趋。随着微细加工技术的快速发展,微混合在化学实验室中具有越来越重要的作用。在两股或多股流体进行化学反应时,必须解决他们之间的有效混合,因而微混合是微混合中的重要组成部分。微混合器的主要结构特征是其容纳流体的有效结构至少在一个维度上为百微米级尺度微混合器的基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。

微混合器具有如下特点:

(1)微混合器具有很高的效率。可在数秒至数十秒时间内完成分离、测定或者其他更复杂的操作。分析速度常高于相应的宏观操作一至二个数量级。

(2)微混合分析的试样与试剂消耗能降低至微升水平。这既降低了分析费用和贵重试剂的消耗,也减少了环境污染。

3)微混合器的微小尺度使设备制作材料消耗量减小,而当实现工业化后,制作成本有望进一步降低,有利于为混合器的发展。

依据混合是否需要借助外界力源来完成,微混合器分为主动式微混合器和被动式微混合器。

主动式微混合器包括机械驱动式、电动力驱动式、超声波驱动式、磁动力驱动式和压电驱动式混合器。

被动式微混合器中样品的混合不需要借助外界力源。相对于主动式微混合器,被动式微混合器具有结构简单、耗能低、方便控制、易于集成等特点。

在微通道中微流体常常呈层流状态流动,因此在被动式微混合器中的流体主要通过分子扩散实现混合,然而,单独依靠分子扩散实现混合在微通道环境下是不可取的。为了增强被动式微混合器中样品的混合,通常通过设计蜿蜒微通道或者在微通道中设置障碍物,以细化层流或者产生混沌对流,从而达到混合的目的。

2.被动式微混合器

2.1平行叠片混合器

在微混合器中,实现样品的快速混合能够通过减少混合路径和增加混合组分的接触面积来实现。平行叠片混合器是实现这种功能的最简单的混合器,许多结构复杂的微混合器都是以T-Y为基本构型进行设计的。在T型或Y型被动式微混合器的两端分别通入两种待混合的微流体,经过一段长通道的扩散,实现混合,如图1所示。Z型和十字型也是在T型的基础上发展出来的。

图1 几种类型的并行叠片混合器

1 几种类型的并行叠片混合器

为了加强混合效果,在此基础上出现了很多改进型的混合器,如更多层的平行分流(图2)等,流体的混合主要靠扩散来实现,混合效果直接依赖于混合通道的尺寸,很多情况下很难获得很好的混合效果。

图2 并行叠片的微混合器仿真结果

2 并行叠片的微混合器仿真结果

2.2分流合并式混合器

分流合并式的工作原理是入口两流体首先水平呈一股流体流动,然后被垂直分割,再水平回合,重复此过程(图3),经过m次汇合和分割后,则会出现2m层薄层流体,能够使混合时间减小4m-1倍,同时大大提高混合效率。该类型主要是通过串联分割混合,交错而成。例如,图4中的混合器通过4次分割,将流体分割为16层,能够更有效的促进混合。

图3 分流合并式混合器原理

3 分流合并式混合器原理

图4 一种用于生物反应的分流合并式混合器

4 一种用于生物反应的分流合并式混合器

2.3注射式微混合器

类似于分流合并式微混合器,注射式微混合器也是通过分流再合并的方式来实现试样的混合,但是注射式微混合器只分裂一股流体,然后将分流后的流体注入到另一股流体,实现混合。Miyake等设计了一种带有微型阵列喷嘴的,能产生许多射流的被动式微混合器,如图5所示,在微混合器的入口处有212mm×2mm×330μm的混合区域,底部还有400个间隔为15μm的微型喷嘴。通过这样喷嘴,上面的样品被注入到下面的样品中,形成了多个微小的喷流,即喷流阵列。喷流会大大增加两种被混合流体的接触面积,从而加速试样扩散的速度。在样品量我0.5μL、流体注入速度为0.75μL/s时,两种待混合的试样在1.2s内就实现了充分混合。

图5 注射式混合器

5 注射式混合器

2.4混沌式微混合器

混沌对流是实现试样混合的一种重要方法,近年来受到很多学者的重视和研究。混沌混合的基本思想就是通过改变微通道的形状和在微通道内设置障碍物来使微流体分裂、拉伸、折叠、破裂,以形成横向流,最终达到混合的目的。比较典型的是交错排列人字形凹槽微混合器,该为混合器通过在微通道内部设置与流体流动方向成一定角度的人字形凹槽来产生横向流,从而触发混沌对流,加速混合。如图6所示。

图6 交错排列人字形凹槽微混合器

6 交错排列人字形凹槽微混合器

在图7中,两种流体在经过圆形流道内的几个楔形障碍物,使流体分割为不同方向上的几束后,互相之间产生对流,加速混合,提高混合效率。

图7 混沌对流式混合器

7 混沌对流式混合器

3.主动式微混合器

3.1超声制动微混合器

超声制动混合器的原理是:芯片上集成的传感器将超声波引入通道内,通道内的声波流垂直于流体的流动方向,引起微通道内液流的搅动,增强了液流的混合。

(a)混合装置图片

(a)混合装置图片

(b)混合腔截面示意图(激光多普勒干涉)图8 超声制动混合器

b)混合腔截面示意图(激光多普勒干涉)图8 超声制动混合器

3.2声波气泡混合器

气泡表面如图9中的振动膜,当气泡在声场中振动时,气液界面上的摩擦力会导致流体围绕气泡流动。Liu等设计的声波起泡混合器包括一个黏附在反应腔上的压电磁盘(直径为15mm,深度为300μm),此结构能在溶液中产生一定大小的气泡。这些气泡停留在固体表面上并随声场而振动,产生稳定的循环流动,从而使整个反应腔产生球形对流,最终实现快速混合。实验证明,22μL混合腔中流体的混合时间可以从小时量级降到十几秒。数值模拟的结果显示流场分布及混合程度主要取决于气泡的位置,实验表明产生一个气泡时混合时间大于1min,但如果是多个气泡(如图9显示4个气泡),那么45s后便可完全混合。

图9  4个气泡的反应腔中随时间变化的混合示意图

9  4个气泡的反应腔中随时间变化的混合示意图

4.微混合技术原理

传统混合过程依赖于层流混合和湍流混合。在微化工系统中,由于通道特征尺度在微米级,Reynolds数远小于2000,流动多呈层流,因此微流体混合过程主要基于层流混合机制,其基本混合机理如下。

(1)层流剪切 在微混合器中引入二次流,使流动截面上不同流线之间产生相对运动,引起流体微元变形、拉伸继而折叠,增大待混合流体间的界面面积、减少流层厚度。

(2)延伸流动 由于流动通道几何形状的改变或者由于流动被加速,产生延伸效应,使得层流厚度进一步减小,改进混合质量。

(3)分布混合 在微混合器内集成静态混合原件,通过流体的分割—重排—再结合效应,减小流层厚度,并增大流体间的界面。

(4)分子扩散 分子水平均匀混合的必经之路。常规尺度混合器中,只有当剪切、延伸和分布混合使流层厚度降至足够低的水平时,分子水平的混合才有意义。而在微混合器中,由于微通道当量直径可低至几个微米,依据Fick定律:

t~t2/D

当待混合流体处于同一微通道内时,分子扩散路径大大缩短,因此仅依靠分子扩散就可在极短的时间内实现均匀混合。

参考文献

[1]杨大参.新型微混合器的仿真与实验研究[D].东南大学,2012:10-40.

[2]陈雪叶.微混合器和微反应器的建模计算方法与实验[D].大连理工大学,2012:10-22.

[3]李倩,徐进良,毛文彬.微混合器的研究进展[J].化工进展,2009,6(28):922-926.

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