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

1.本发明属于流体混合与反应强化技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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，国内外已经发明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。
4.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。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明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。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.本发明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；
8.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
°
；
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.本发明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。
17.本发明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。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.本发明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。
20.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；
21.本发明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。
22.本发明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。由于该发明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
23.图1为本发明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；
24.图2为本发明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；
25.图3为本发明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；
26.图4为本发明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；
27.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；
28.图6为本发明案例中具有两瓣尖刺微结构、60
°
开合角、30
°
截面顶角的微反应器在混合反应时微反应通道结构内的流场数值模拟情形；
29.图7为本发明涉及的纳米材料合成系统所合成的氧化锌纳米棒的扫描电镜俯视图；
30.图8为本发明涉及的纳米材料合成系统所合成的氧化锌纳米棒的扫描电镜侧视图；
31.其中：1-基底；2-微反应器通道壁；3-尖刺微结构；4-入液口；5-出液口；α-尖刺开合角度；β-尖刺截面顶角；d-微通道宽度；d-尖刺微结构宽度；a液体、b液体、c液体和d液体可以是任意化学或者生物物质的极性溶液和非极性溶液。
具体实施方式
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
33.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
35.实施例1
36.如图1所示，一种微反应通道结构，包括玻璃片制成的基底1，聚二甲基硅氧烷(pdms)制成的特征尺寸为0.5mm直线形微通道2，微通道2内壁有突出的四个尖刺微结构3，尖刺微结构3由两根根部聚拢尖刺组成，尖部沿周向展开，尖刺开合角度α为60
°
，尖刺微结构3的纵截面形状为三角形，根部纵截面形状为多边形；尖刺截面顶角β为15
°
，尖刺微结构3的宽度d是微通道宽度d的1/2，交错排列在微通道2内壁的两侧。
37.由上述微反应通道结构组成的微反应器，其两个入液口4之间形成y形，设置有一
个压电陶瓷换能器作为混合强化模块，压电陶瓷换能器紧贴微通道2放置，其工作频率为100khz。
38.实施例2
39.实施例2的微反应通道结构与实施例1的器件系统基本相同，区别在于：如图2所示，尖刺微结构3由三根根部聚拢尖刺组成，尖部沿周向展开，尖刺开合角度α为90
°
；
40.由上述微反应通道结构组成的微反应器，设置有两个压电陶瓷换能器作为混合强化模块，两个压电陶瓷换能器紧贴微通道2放置，压电陶瓷换能器的工作频率为5khz。
41.实施例3
42.实施例3的微反应通道结构与实施例1的器件系统基本相同，区别在于：如图3所示，尖刺截面顶角β为30
°
；
43.由上述微反应通道结构组成的微反应器，设置有三个压电陶瓷换能器作为混合强化模块，三个压电陶瓷换能器紧贴微通道2放置，压电陶瓷换能器的工作频率为10khz。
44.实施例4
45.实施例4的微反应通道结构与实施例1的器件系统基本相同，区别在于：由聚苯乙烯(ps)制成的特征尺寸为2mm弧形微通道2，微通道2内壁有突出的四个尖刺微结构3，尖刺微结构3由两根根部聚拢尖刺组成，尖部沿周向展开，尖刺开合角度α为150
°
，尖刺截面顶角β为15
°
，尖刺微结构3的宽度d是微通道宽度d的1/5，尖刺微结构3的截面形状为平行四边形，根部纵截面形状为椭圆形，不规则形式排列在微通道2内壁的两侧。
46.由上述微反应通道结构组成的微反应器，其两个入液口4之间形成t形，设置有两个压电陶瓷换能器作为混合强化模块，压电陶瓷换能器与微通道直线距离为1cm，其工作频率为1mhz。
47.实施例5
48.实施例5的微反应通道结构与实施例1的器件系统基本相同，区别在于：由聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)制成的特征尺寸为1mm螺旋线形微通道2，微通道2内壁有突出的四个尖刺微结构3，尖刺微结构3由两根根部聚拢尖刺组成，尖部沿周向展开，尖刺开合角度α为120
°
，尖刺截面顶角β为60
°
，尖刺微结构3的宽度d是微通道宽度d的2/5，尖刺微结构3的纵截面形状为半椭圆形，根部纵截面形状为圆形；相对排列在微通道2内壁的两侧。
49.由上述微反应通道结构组成的微反应器，其两个入液口4之间形成u形，设置有两个压电陶瓷换能器作为混合强化模块，压电陶瓷换能器与微通的直线距离为2cm，其工作频率为2mhz。
50.实施例6
51.实施例6的微反应通道结构与实施例1的器件系统基本相同，区别在于：由聚碳酸酯(pc)制成的特征尺寸为0.05mm的s形微通道2，微通道2内壁有突出的四个尖刺微结构3，尖刺微结构3由四根根部聚拢尖刺组成，尖部沿周向展开，尖刺开合角度α为30
°
，尖刺截面顶角β为10
°
，尖刺微结构3的纵截面形状为不规则圆弧状结构，根部纵截面形状为波浪形；相对排列在微通道2内壁的两侧。
52.由上述微反应通道结构组成的微反应器，其两个入液口4之间形成t形，设置有一个压电陶瓷换能器作为混合强化模块，压电陶瓷换能器与微通的直线距离为3cm，其工作频率为2mhz。
53.实施例7
54.实施例7的微反应通道结构与实施例1的器件系统基本相同，区别在于：由聚氯乙烯(pvc)制成的特征尺寸为0.005mm的环形微通道2，微通道2内壁有突出的四个尖刺微结构3，尖刺微结构3由六根根部聚拢尖刺组成，尖部沿周向展开，尖刺开合角度α为180
°
，尖刺截面顶角β为10
°
，尖刺微结构3的宽度d是微通道宽度d的4/5，尖刺微结构3的纵截面形状为不规则圆弧状结构，微通道2内壁的一侧。
55.由上述微反应通道结构组成的微反应器，其两个入液口4之间形成t形，设置有一个压电陶瓷换能器作为混合强化模块，压电陶瓷换能器与微通的直线距离为3cm，其工作频率为2khz。
56.实施例8
57.实施例8的微反应通道结构与实施例1的器件系统基本相同，区别在于：尖刺微结构3由五根根部聚拢尖刺组成，尖刺开合角度α为180
°
，尖刺截面顶角β为10
°
。
58.实施例9
59.实施例9的微反应通道结构与实施例1的器件系统基本相同，区别在于：尖刺微结构3由两根根部聚拢尖刺组成，尖刺开合角度α为180
°
，尖刺截面顶角β为85
°
。
60.实施例10
61.实施例10的微反应通道结构与实施例1的器件系统基本相同，区别在于：如图4所示，尖刺微结构3位于微通道中间，由四根根部聚拢的尖刺组成，尖刺开合角度α为120
°
，尖刺截面顶角β为30
°
，根部截面形状为圆形。
62.实施例11
63.实施例11的微反应通道结构与实施例6的器件系统基本相同，区别在于：尖刺微结构3位于微通道中间，由三根根部聚拢的尖刺组成，尖刺开合角度α为180
°
，尖刺截面顶角β为85
°
，根部截面形状为三角形。
64.实施例12
65.实施例12的微反应通道结构与实施例7的器件系统基本相同，区别在于：尖刺微结构3位于微通道中间，由两根根部聚拢的尖刺组成，尖刺开合角度α为30
°
，尖刺截面顶角β为10
°
，根部截面形状为波浪形。
66.将本发明设计的微反应器在工作时微反应通道结构内的模拟效果，并与目前主流的普通尖刺结构微反应器的数值模拟效果进行对比。普通的尖刺结构微反应器在混合反应学微反应通道结构内的模拟效果如图5所示，图中线条代表流线，箭头指示流动方向，背景云图显示速度大小。普通尖刺结构微反应器会在其根尖两侧形成两个反向旋涡，以达到混合目的。采用实施例3中的微反应通道结构形成的微反应器进行混合反应时，微反应通道结构内的模拟效果如图6所示，一个尖刺微结构3中包含两根尖刺，两根尖刺分别会在其根尖两侧形成两个反向旋涡，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，更加强了流动强度。从模拟结果来看，相比于普通的尖刺结构微反应器，本发明对微通道中的液体混合有极大的提升。
67.利用本发明中所述的以微反应器为基础的纳米材料合成系统可合成氧化锌纳米材料，该案例为在毛细玻璃管中分两步合成氧化锌纳米棒阵列，第一步将乙酸锌溶液和氢氧化钠溶液通过本发明所述的微反应器完全混合后通入毛细玻璃管，在毛细玻璃管内壁生
长氧化锌种子；第二步将硝酸锌溶液和hmta溶液通过微反应器完全混合后通入长有氧化锌种子的毛细玻璃管，经热烘板烘干处理得到长有氧化锌纳米棒阵列的毛细玻璃管。图7和图8为使用扫描电镜得到的氧化锌纳米棒阵列结构的俯视图和侧视图，合成得到的氧化锌纳米棒大小均匀、排列有序且密集，说明了该纳米材料合成系统的优秀性能。
68.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。