气液双相等离子体反应器制造技术

本发明专利技术涉及一种微米流体或毫米流体装置(1)，其包括：‑支撑件(2)，其至少部分地由介电材料制成，所述支撑件(2)包括第一入口(21a)、第二入口(21b)、出口(22)和主微米通道或毫米通道(3)，所述第一入口(21a)适于连接至容纳气体的第一储蓄器，所述第二入口(21b)适于连接至容纳液体的第二储蓄器，所述出口(22)适于连接至容纳气体和/或液体的接收容器，而所述主微米通道或毫米通道(3)存在于所述介电材料中，并使得液体和气体能够从入口朝向出口流动；‑一个或数个接地电极(4)，其埋入所述介电材料中，并且沿着所述主微米通道或毫米通道(3)延伸；以及‑一个或数个高压电极(5)，其埋入所述介电材料中并且沿着所述主微米通道或毫米通道(3)延伸；其中，所述高压电极(5)和接地电极(4)位于所述主微米通道或毫米通道(3)的相反两侧，从而能够在主微米通道或毫米通道(3)内部产生电场。本发明专利技术还涉及一种使用这种微米流体或毫米流体装置(1)而以连续的方式产生等离子体的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气液双相等离子体反应器
本专利技术涉及可以作为气液等离子体反应器使用的微米流体(microfluidic)或毫米流体(millifluidic)装置，并且涉及使用这种装置来产生等离子体的方法。根据本专利技术的微米流体或毫米流体装置旨在通过施加合适的电场而在流动于液体中的气体气泡(bubble)中连续地产生等离子体，从而使得在等离子体中形成的反应物质或分子能够有效地传递至液体中。
技术介绍
数个文献公开了在微米流体或毫米流体装置中使用电场。Miura等人在他们的专利申请[9]中描述了包括能够混合两种液体的主流动通道的微反应器，其中使用激光来加速两种液体之间的化学反应。随后在主流动通道的端部施加电场和/或磁场，从而使反应产物物质分离、浓缩。因此在这种装置中，在反应区域之后在主流动通道的端部施加电场。相似地，Paul等人在他们的专利申请[10]中公开的装置包括层叠微米流体结构，所述结构限定了反应器和分离器以进行化学合成和/或分析。这种装置能够包括以适当的几何结构设置在主微米通道的相反两侧的数个电极，以生成非均匀的电势梯度。这能够通过电泳或介电泳(DEP)而分离具有不同极性的物质。因此在化学合成和/或分析区域之后在主微米通道的端部施加电场。然而，在这些文献中，电场仅用于使反应产物物质分离。其并不像本专利技术中那样，使等离子体在流动于液体中的气体气泡中产生。此外，这些文献中没有公开异质的液/气反应介质。过去开发了数种气-液等离子体反应器。这些装置中的大多数的开发的目的在于使水中的污染物氧化。在这种情况下，等离子体反应器的性能的关键点是使等离子体中产生的反应物质从气体传递至液体。Malik等人评估了不同类型的等离子体反应器传递反应物质的效率[5]。利用使水中染料褪色50％所需的能量，这些作者比较了27种不同的等离子体反应器(以g/kWh表示的G50)。他们的结论是，效率最高的反应器是脉冲供能反应器，其中液体(i)被喷入等离子体区域中或(ii)以薄膜的形式沿着圆柱形电极的内壁流下。效率的提高通过液体的大的表面积-体积比率而得到解释，所述大的表面积-体积比率导致反应物质从气体向液体的传递速率更快，并且导致污染物分子在液体中为了到达液体表面所需要扩散的距离较短。在将液体喷入放电区域中的气-液等离子体反应器中，并不容易精确控制工艺参数(例如气相和液相的驻留时间)。这是这种反应器在过去十年中没有获得很多关注的原因。薄膜流下式反应器吸引了更多的关注。在这种反应器中，在线对柱(wire-to-cylinder)电极[6]之间的气体中发生放电的情况下，液体薄膜沿着圆柱形电极的内壁流下。这种反应器的问题在于难以获得均一的液体膜，特别是就液体薄膜(<1mm)而言。为了分解水中的醋酸，Matsui等人[7]使用另一种反应器，即，将气体气泡喷射入流动液体中的双相流动反应器。在水中流动的氧气气泡中产生脉冲电介质阻挡放电。反应器包括两个共轴玻璃管，内管与外管之间的间隙为1mm。使用在反应器底部的发泡器产生气体气泡。在醋酸分解方面获得了良好的结果。然而，该反应器的缺陷在于气泡尺寸分布范围较大(从0.1至1cm)，不能完全控制双相流动，并且对液体而言存在优选路径。因此，液体的某些部分可能吸收过多的自由基，而其它部分可能缺少自由基。Yamanishi等人[8]使用微米流体装置以在大气压下在微米流体芯片中输送单分散的微等离子体气泡。使用这种装置，于是形成精度更高尺寸更小的气泡。然而，由于等离子体在双相流的上游形成，所以从气体传递至液体的短寿命的反应物质的量较小。因此存在改进气-液等离子体反应器的需要，其中能够更好地控制等离子体中形成的反应物质的形成和反应。
技术实现思路
本专利技术因此涉及一种微米流体或毫米流体装置，其包括：-支撑件，其至少部分地由介电材料制成，所述支撑件包括第一入口、第二入口、出口和主微米通道或毫米通道，所述第一入口适于连接至容纳气体的第一储蓄器，所述第二入口适于连接至容纳液体的第二储蓄器，所述出口适于连接至容纳气体和/或液体的接收容器，而所述主微米通道或毫米通道存在于所述介电材料中，并使得液体和气体能够从入口朝向出口流动(尤其是在加压条件下)；-一个或数个接地电极，其埋入所述介电材料中，并且沿着所述主微米通道或毫米通道延伸；以及-一个或数个高压电极，其埋入所述介电材料中，并且沿着所述主微米通道或毫米通道延伸；其中，所述高压电极和接地电极位于所述主微米通道或毫米通道的相反两侧，从而能够在主微米通道或毫米通道内部产生电场，更具体而言，产生介质阻挡放电(dielectric-barrierdischarge，DBD)。这种装置能够在流动的液相中形成气体气泡。随后在所述气体气泡中(优选地以精确的频率)产生能量受控的微放电，从而以连续的方式在所述气体气泡中产生等离子体；这是由于产生微放电的电极沿着主微米通道或毫米通道延伸，在所述主微米通道或毫米通道中所述气体气泡随液体流动。因此，每当在气体气泡中产生微放电，给定量的反应物质(自由基、电子、激发的中性物质等)形成并传递至液体中。因此通过这种装置，能够控制气泡的尺寸，以及反应物质的密度和性质。由此，也能够控制反应物质向液相中传递的速率。因此这种装置能够将反应物质精确而有效率地注入液相中。因而根据本专利技术的装置能够用于等离子体驱动的化学合成，其目标例如在于通过例如液体中存在的各种分子与在气泡中形成并传递至液体中的反应物质的反应而进行(i)分子的特定官能化或(ii)等离子体诱导聚合反应。另一种可能的应用可以是在液相中收集通过各种反应物质的反应而在气体气泡中形成的小分子，所述小分子可以随后传递至液相中。附图说明将参考所附附图通过示例来描述本专利技术，附图中：图1A和图1B示意性地示出了根据本专利技术的两个不同的可能实施方案的支撑件的俯视图；图1C示意性地示出了根据本专利技术的实施方案的注入通道与主微米通道或毫米通道之间的接合；图2示意性示出了根据本专利技术的各个实施方案的带有主微米通道或毫米通道3的高压电极5或接地电极4的俯视图，电极4或5具有各种可能的形式；图3示意性地示出了接地电极和高压电极4和5以及主微米通道或毫米通道3的根据本专利技术的各个实施方案；图4示意性地示出了根据本专利技术的实施方案的微米流体或毫米流体装置，得益于摄像机的存在，其尤其能够使所形成的等离子体可视化；图5A和图5B示意性地显示了根据本专利技术的可能的实施方案在支撑件中的通道的构造；图6A、图6B1、图6B2、图6C1、图6C2和图6C3示意性地显示了根据实施方案在支撑件中形成通道的方法的步骤；图7A和图7B示意性地显示了根据实施方案在支撑件中形成电极的方法的步骤；图8示意性地显示了根据本专利技术产生等离子体的方法；图9示意性地示出了示例中使用的支撑件的几何结构；图10示出了在示例中使用的装置中在气泡中观察到的等离子体放电的照片。图11示出了示例2的实验中获得的收集液体的EPR信号，并且图12示出了模拟的光谱与测量的光谱之间的对比。其展示了在等离子体气泡中形成的反应物质向液体流中的传递。具体实施方式本文中将使用术语“装置”指代根据本专利技术的“微米流体或毫米流体装置”。以同样的方式，本文中将使用术语“主通道”指代根据本专利技术的“主微米通道或毫米通道”。介本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用微米流体或毫米流体装置(1)而以连续的方式产生等离子体的方法，所述微米流体或毫米流体装置(1)包括：‑支撑件(2)，其至少部分地由介电材料制成，所述支撑件(2)包括第一入口(21a)、第二入口(21b)、出口(22)和主微米通道或毫米通道(3)，所述第一入口(21a)适于连接至容纳气体的第一储蓄器，所述第二入口(21b)适于连接至容纳液体的第二储蓄器，所述出口(22)适于连接至容纳气体和/或液体的接收容器，而所述主微米通道或毫米通道(3)存在于所述介电材料中，并使得液体和气体能够从入口朝向出口流动；‑一个或数个接地电极(4)，其埋入所述介电材料中，并且沿着所述主微米通道或毫米通道(3)延伸；以及‑一个或数个高压电极(5)，其埋入所述介电材料中，并且沿着所述主微米通道或毫米通道(3)延伸；其中，所述高压电极(5)和接地电极(4)位于所述主微米通道或毫米通道(3)的相反两侧，从而能够在主微米通道或毫米通道(3)内部产生电场；所述方法包括以下步骤：a)提供液体，并使所述液体流通穿过微米流体或毫米流体装置(1)的主微米通道或毫米通道(3)，b)提供气体，并在所述液体中产生所述气体的气泡，从而使得气体气泡随液体流通穿过微米流体或毫米流体装置(1)的主微米通道或毫米通道(3)，c)在高压电极(5)与接地电极(4)之间施加高压，从而在流通穿过微米流体或毫米流体装置(1)的主微米通道或毫米通道(3)的气泡中产生等离子体。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.11 EP 15306987.71.一种使用微米流体或毫米流体装置(1)而以连续的方式产生等离子体的方法，所述微米流体或毫米流体装置(1)包括：-支撑件(2)，其至少部分地由介电材料制成，所述支撑件(2)包括第一入口(21a)、第二入口(21b)、出口(22)和主微米通道或毫米通道(3)，所述第一入口(21a)适于连接至容纳气体的第一储蓄器，所述第二入口(21b)适于连接至容纳液体的第二储蓄器，所述出口(22)适于连接至容纳气体和/或液体的接收容器，而所述主微米通道或毫米通道(3)存在于所述介电材料中，并使得液体和气体能够从入口朝向出口流动；-一个或数个接地电极(4)，其埋入所述介电材料中，并且沿着所述主微米通道或毫米通道(3)延伸；以及-一个或数个高压电极(5)，其埋入所述介电材料中，并且沿着所述主微米通道或毫米通道(3)延伸；其中，所述高压电极(5)和接地电极(4)位于所述主微米通道或毫米通道(3)的相反两侧，从而能够在主微米通道或毫米通道(3)内部产生电场；所述方法包括以下步骤：a)提供液体，并使所述液体流通穿过微米流体或毫米流体装置(1)的主微米通道或毫米通道(3)，b)提供气体，并在所述液体中产生所述气体的气泡，从而使得气体气泡随液体流通穿过微米流体或毫米流体装置(1)的主微米通道或毫米通道(3)，c)在高压电极(5)与接地电极(4)之间施加高压，从而在流通穿过微米流体或毫米流体装置(1)的主微米通道或毫米通道(3)的气泡中产生等离子体。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体选自空气、氩气、氦气、氧气、氮气、水蒸气及其混合物。3.根据权利要求1和2中的任一项所述的方法，其中，所述液体选自溶剂、反应物或其混合物；所述溶剂例如为水、脂族烃、芳族烃、醇、醚、酯、酮、卤化溶剂、二甲亚砜(DMSO)、乙腈、二甲基甲酰胺(DMF)或其混合物；所述反应物例如为甲基丙烯酸甲酯(MMA)或苯酚。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，每个气泡的长度在1μm至10mm之间，尤其是在10μm至5mm之间，优选地在100μm至3mm之间。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述高压在1kV至30kV之间，尤其是在5kV至20kV之间，优选地在10kV至15kV之间。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，所述高压为例如正弦高压的可变高压，其频率有利地在100Hz至10MHz之间，特别地在100Hz至1MHz之间，优选地在100Hz至10kHz之间；或者所述高压为脉冲高压，其频率有利地在1Hz至10MHz之间，特别地在100Hz至1MHz之间，优选地在100Hz至10kHz之间。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，主微米通道或毫米通道(3)的宽度和深度在1μm至10mm之间，尤其是在10μm至5mm之间，优选地在100μm至3mm之间。8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述介电材料为UV-固化的聚合物例如通过基于巯基-烯的树脂的光聚合而获得的聚合物、聚(四亚甲基琥珀酸酯)、环烯烃共聚物(COC)例如乙烯和降冰片烯或四环十二碳烯的共聚物、玻璃或其组合。9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，所述支撑件(2)包括第三入口(21c)，所述第三入口适于连接至容纳液体的第二储蓄器或连接至容纳液体的第三储蓄器。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述支撑件还包括：-第一注入通道(6a)，其将第一入口(21a)连接至主微米通道或毫米通道(3)，-第二注入通道(6b)，其将第二入口(21b)连接至主微米通道或毫米通道(3)，以及-第三注入通道(6c)，其将第三入口(21c)连接至主微米通道或毫米通道(3)，其中，第一、第二和第三注入通道(6b、6c)在接合处与主微米通道或毫米通道(3)汇合，并且其中，在所述接合处，第二注入通道和第三注入通道(6b、6c)中的每一个相对于第一注入通道(6a)而垂直地延伸，第二注入通道(6b)和第三注入通道(6c)为彼此的延续部分。11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，其中，微米流体或毫米流体装置(1)进一步包括适于容纳液体的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·塔陶利安，S·奥尼耶，张梦雪，
申请(专利权)人：巴黎科学与文学联大拉丁区，国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：法国,FR