一种微反应通道结构及基于其的微反应器和纳米材料合成系统技术方案

本发明专利技术公开了一种微反应通道结构及基于其的微反应器和纳米材料合成系统，可以解决现有微反应器反应距离长、可操作性差等缺点；具有灵活调控反应混合效率的优点；且基于其强大的液体混合效果，构建了纳米材料合成系统。其设计工作方案如下：一种微反应通道结构，包括具有特征尺度为0.005mm

【技术实现步骤摘要】
一种微反应通道结构及基于其的微反应器和纳米材料合成系统


[0001]本专利技术属于流体混合与反应强化
，具体涉及一种微反应通道结构及基于其的微反应器和纳米材料合成系统。

技术介绍

[0002]微反应器是具有微小特征尺度(一般为5微米至2毫米)的反应器件，其内部有人工设计的微通道，用于化学、化工、生物、医学等领域的各类反应过程。与传统的宏观反应器相比，微反应器由于其极高的表面积
‑
体积比、消耗较少的反应物、极快的反应过程等优点，受到越来越多的学界和工业界的广泛关注。
[0003]由于微通道中的流体运动一般为层流状态，不利于混合和反应过程，因此需要针对性的设计微通道的结构以加强混合和反应过程。目前，国内外已经专利技术了一些用于加强混合过程的被动式微反应器。如将液体从反应器上部输入微通道中，在重力作用下液体加速，并在下方相互冲击以进行混合的螺旋形的微通道；将反应物从上层和下层进入微流道，在中间层进行混合的多支路的微反应系统，该系统减少了反应时间，提高了混合效率；通过折叠微通道来延长实际反应长度，以达到加强混合的目的的盘管微通道。可以看出，目前已经发展出一些具有加强混合过程效应的微反应器。
[0004]尽管现有的部分微反应器已具有一定程度的强化混合作用，但是这些微反应器普遍存在着以下的缺陷：1、反应距离长，虽然大部分进行了空间上的折叠，但实际反应长度一般在数十厘米甚至米级；2、可操控性差，通常只能靠调节流率来进行反应控制。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种微反应通道结构及基于其的微反应器和纳米材料合成系统，用于解决现有微通道技术中反应距离长、可操作性差等缺点，并将其作为纳米材料合成的一种新系统。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术公开了一种微反应通道结构，该微反应通道结构包括基底，所述基底上设置有特征尺寸为0.005mm
‑
2mm的微通道；所述微通道一端设有入液口，另一端设有出液口，所述微通道内壁或中间设有若干尖刺微结构；
[0008]所述尖刺微结构由两根及两根以上根部聚拢的尖刺组成，尖刺开合角度为30
°‑
180
°
，尖刺截面顶角为10
°‑
85
°
；
[0009]所述尖刺微结构分布在微通道内壁的一侧或排列在微通道内壁的两侧，或排列在微通道中间。
[0010]进一步地，所述处于微通道中间的尖刺微结构的根部纵截面形状为多边形、圆形、椭圆形或波浪形。
[0011]进一步地，所述尖刺微结构的纵截面形状为三角形、平行四边形、椭圆形、半椭圆
形或不规则圆弧状结构。
[0012]进一步地，所述尖刺微结构的宽度为微通道宽度的1/5
‑
4/5。
[0013]进一步地，所述入液口的数量大于等于2个，相邻入液口之间形成Y形、T形或U形。
[0014]进一步地，所述微通道和尖刺微结构由聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙烯制成；基底由玻璃片制成。
[0015]进一步地，所述微通道的结构类型为直线形、波浪形、弧形、螺旋线形、S形或环形。
[0016]本专利技术还公开了采用上述的微反应通道结构组成的微反应器，所述微反应器采用一个或多个压电陶瓷换能器作为主动式强化模块，压电陶瓷换能器与微通道的直线距离不超过3cm，且在同一基底上；压电陶瓷换能器的工作频率为2kHz～2MHz。
[0017]本专利技术还公开了由上述微反应器为基础的纳米材料合成系统，将合成纳米材料所需的化学试剂分多次通入微反应器进行完全混合，混合后的液体流入合成纳米材料的目标地，再经加热烘干等后处理过程得到纳米材料。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]本专利技术公开了一种微反应通道结构，其微通道的特征尺寸为0.005mm
‑
2mm，极大的减少了装置生产原料的用量、缩小了单个设备的外形尺寸；微通道内部设有尖刺微结构，能加强反应器内混合液体的混合程度，加快混合效率。
[0020]进一步地，尖刺微结构设置成由两根以上根部聚拢的尖刺组成，且尖刺开合角度为30
°‑
180
°
，尖刺截面顶角为10
°‑
85
°
，特殊的尖刺结构能使得流经此处的混合液体发生反向旋涡，增加了旋涡的数量，使流场结构更为复杂多变，且根尖之间的旋涡产生的流动相互协同，加强了流动强度；
[0021]本专利技术还公开了由上述微反应通道结构组成的微反应器，该微反应器引入一个或多个声学压电陶瓷换能器作为主动式的混合强化模块，工作时，这些尖刺微结构在电陶瓷换能器不同频率下，产生剧烈振动，从而产生声流，且各个尖部产生的声流相互协同作用，打破液体与液体之间的界面，使液体之间发生剧烈的混合；混合强度得到增加，从而极大地增强了热质传递效率，并可以实现百毫秒级甚至毫秒级的混合反应时间，减少了混合反应的距离；另外，除了可以通过基本的调节流速控制反应过程外，而且可以通过对压电陶瓷换能器施加的工作电压、频率值和频率类型对反应过程进行调节，显著地提升了微反应器操控灵活性。
[0022]本专利技术还公开了由上述微反应器组成的纳米材料合成系统，其以上述微反应器为基础，将合成纳米材料所需的化学试剂分多次通入微结构通道进行完全混合，混合后的液体流入合成纳米材料的目标地，再经过加热烘干等后处理过程得到纳米材料。该纳米材料合成系统解决了现有系统的冗长的合成时间、较高的合成成本、复杂的合成工序等缺点，具有方便、快速、成本低廉等优点。由于该专利技术中的微反应器具有多样化灵活调控的优点，通过对微反应器的调控，可相应地对纳米材料的合成进行调控，如合成材料的长度、密度、高度等特点，极大地提升了纳米材料的性能。
附图说明
[0023]图1为本专利技术涉及的位于微通道内壁，具有两瓣尖刺微结构、60
°
开合角、15
°
截面顶角的微反应通道结构的俯视图；
[0024]图2为本专利技术涉及的位于微通道内壁，具有三瓣尖刺微结构、90
°
开合角，15
°
截面顶角的微反应通道结构的俯视图；
[0025]图3为本专利技术涉及的位于微通道内壁，具有两瓣尖刺微结构、60
°
开合角、30
°
截面顶角的微反应通道结构的俯视图；
[0026]图4为本专利技术涉及的位于微通道中间，具有四瓣尖刺微结构、120
°
开合角、30
°
截面顶角的微反应通道结构的俯视图；
[0027]图5为目前已有的普通尖刺结构的微反应器混合反应时微反应通道结构内的流场数值模拟情形；
[0028]图6为本专利技术案例中具有两瓣尖刺微结构、60
°
开合角、30...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微反应通道结构，其特征在于，所述微反应通道结构包括基底(1)，所述基底(1)上设置有特征尺寸为0.005mm
‑
2mm的微通道(2)；所述微通道(2)一端设有入液口(4)，另一端设有出液口(5)，所述微通道(2)内壁或微通道中间设有若干尖刺微结构(3)；所述尖刺微结构(3)由两根及两根以上根部聚拢的尖刺组成，尖刺开合角度为30
°‑
180
°
，尖刺截面顶角为10
°‑
85
°
；所述尖刺微结构(3)分布在微通道(2)内壁的一侧或排列在微通道(2)内壁的两侧，或分布在微通道的中间。2.根据权利要求1所述的一种微反应通道结构，其特征在于，所述尖刺微结构(3)的纵截面形状为三角形、平行四边形、椭圆形或半椭圆形；根部纵截面形状为多边形、圆形、椭圆形或波浪形。3.根据权利要求1所述的一种微反应通道结构，其特征在于，所述尖刺微结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵雄，郝南京，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：