引言

微通道可以极大的强化传质传热过程，广泛运用于构造各种类型的微化学反应器。除此之外，利用微通道优异的传质性能构建各种类型的微分离设备，具有结构简单、体积小、单级效率高、存留量少、停留时间短、安全可靠、灵活易控、几何放大效应小等优点[1]，已成为化工过程微型化研究的一个新热点。

毛细管气液相色谱是利用微通道技术进行分离的典型应用，具有试剂消耗量少、分析成本低、废弃物少、分离过程高效快速、检测灵敏度高、便于同其他分离检测技术联用等优点[2]。利近半个世纪以来，基于色谱分离的各种分析仪器及分析方法得到了长足发展，对食品、环境、医药、生物和化学各个领域产生了广泛的影响。在此基础上发展起来的毛细管电泳分离技术，结合了色谱和电泳技术的优点。它是一类以毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力的新型液相分离分析技术，使得分析科学从微升水平进入纳升水平，使单细胞乃至单分子的分析变为可能。

除此之外，设计特定的微通道结构用于分离过程鲜有报道。液-液两相分离通常是液——液两相混合的后处理过程[3]。为了实现充分的混合以促进传质，液——液两相混合过程通常会使用高效的混合手段(如高剪切速率[4]、超声[5]、微混合器[6]等)和高效乳化剂[7]，形成小液滴尺寸和低表面张力的较稳定液-液分散体系。在这种情况下，液-液两相的快速分离难度增大，所以对液-液两相分散体系进行快速高效地分离是面临的一个挑战。

Okubo[8]采用板式微通道结构，通道的上下板由聚四氟乙烯(PTFE) 和玻璃(Glass) 2 种材质构成，由中空的铝箔片提供微通道的高度，通过改变上下板的材质构建了PTFE-Glass和Glass-Glass 2 种类型的微通道。结果发现: 当采用的PTFE-Glass 型微通道长度为5 mm，高度为12 μm 时，板式微通道可以在0. 01s 的接触时间内将10% 的O/W 乳状液完全分离，破乳率接近100%。

Kolehmainen[9]仍然采用板式微通道结构，实验分离对象也为O/W 型乳状液，乳状液平均粒径在60——200μm范围内波动，O/W 相比固定为1:1。结果发现:当液-液分散体系的平均体积流率小于180 mL /h 时，聚四氟乙烯（PTFE）-不锈钢（SS）型板式微通道可以实现液-液两相的完全分离，分离效率也接近100%。

在前述研究基础上，本文介绍了在尺寸和结构上异于Okubo[8]和Kolehmainen[9]通道形式的微通道结构[10]，用以实现液液非均相体系的连续快速分离，并且结构更为简单，生产成本更低，便于大规模的集成，更适用于工业化的生产过程。

一、液-液相分离微通道结构介绍

图2 液液非均相分离微通道结构简图

所用微通道的结构简图如图2 所示。主要由2 块矩形平板和1 片中空垫板构成，上下平板提供微通道的上下表面，中空垫片提供微通道的长度、宽度以及高度。通过改变上下板的材料可以构建3种类型的板式微通道: GS-PTFE、SS-PTFE和PTFE-PTFE型。其中GS-PTFE 型微通道详细组装图和实物图如图3所示。

GS-PTFE型微通道所有不锈钢部件( 包括螺栓及螺栓垫片) 的材质均为316 L#不锈钢，具有足够的耐腐蚀性。其中上板主体为精磨加工的不锈钢板，厚度为15 mm，在不锈钢板中间镶嵌1 块玻璃(GS)，为微通道提供亲水表面；下板为精磨加工的不锈钢板，厚度也为15 mm，在其上加盖1片5 mm厚的PTFE板，为微通道提供疏水表面。在距不锈钢板四边10mm处有12个Φ5 mm 的孔，用于螺栓紧固。顶部玻璃板与底部PTFE板之间为钛质中空垫板，板上开有的矩形孔可以与玻璃和聚四氟乙烯板形成微通道，中空垫板厚度与微通道尺寸直接相关，矩形孔的长度和宽度则为微通道的长度和宽度。实验选用100 μm 和200μm 2 个厚度，宽度则恒定为15mm，长150mm。

二、实验流程

以二壬基萘磺酸(DNNSA，质量分数为50%)萃取湿法磷酸(质量分数为40%，以P2O5计) 中金属离子实验后处理为例：由于二壬基萘磺酸与湿法磷酸在微混合器中充分混合，产生高度分散的液-液分散体系，其在重力沉降下需要40 min 以上才能实现完全分离。为节约时间，需要寻找一种快速的分离手段来加快二壬基萘磺酸与湿法磷酸的分离。以此为背景，水相为40% 磷酸（以P2O5计），油相为0. 9 mol /L DNNSA，油相和水相的体积比恒定为1∶1。将经过微混合器萃取后产生的液-液分散体系通过蠕动泵注入微通道中实现分离后，DNNSA从油相出口流出， 40%磷酸从水相出口流出，如图4所示。

三、分离效果

实验结果显示: 当板式微通道类型为GS-PTFE，高度为100μm，体积流率低于4.8 mL /min，即流速低于5.33cm /s，停留时间大于2.82s时，可以取得100% 的分离效率；当板式微通道类型为GS-PTFE，高度为200μm，体积流率低于3.6 mL /min，即流速低于2.01cm /s，停留时间大于7.46s时，也可以取得100% 的分离效率，具体结果如图5所示。

图5 不同通道高度下体积流率对分离效果的影响

（1-通道高度100μm，2-通道高度200μm）

微通道高度越小，在体积流率增大即流速增大，停留时间减小的条件下，其分离效率越高。这是由于微通道高度越小，比表面积越大，大的比表面积会增大液滴与壁面相互作用的几率，所以在体积流率增大即流速增大，停留时间减小的条件下，分离效率随着微通道高度的减小而增大。这与Okubo[8]和Kolehmainen[9]等的结论是一致的。

四、结语

微通道技术的发展为反应及分离在微尺度内的过程强化提供了新的思路和解决手段，对于实现反应和后续分离的连续化和高效化具有重要意义，相较于传统的釜式反应、重力沉降分离具有明显优势，可以极大的提高生产效率。

参考文献

[1]韩非, 余武斌, 李郁锦等. 微通道反应器中催化裂解合成N,N-二甲基丙烯酰胺新工艺研究[J]. 高校化学工程学报, 2009, 23(1):166-170.

[2]杨秀晗. 微分离分析新方法研究[D]. 复旦大学, 2006.

[3]Eow J S，Ghadiri M，Sharif A O. Electro-hydrodynamic separation of aqueous drops from flowing viscous oil[J]．Journal of Petroleum Science and Engineering，2007，55( 1) : 146-155．

[4]Romero A, Cordobés F, Puppo M C, et al. Rheology and droplet size distribution of emulsions stabilized by crayfish flour[J]. Food Hydrocolloids, 2008, 22(6):1033-1043.

[5]Wu P, Yang Y, Colucci J A, et al. Effect of ultrasonication on droplet size in biodiesel mixtures[J]. Journal of the American Oil Chemists Society, 2007, 84(9):877-884.

[6]Benz K, P. J K, J. R K, et al. Utilization of Micromixers for Extraction Processes[J]. Chemical Engineering & Technology, 2001, 24(1):11-17.

[7]Skelland A H P，Slaymaker E A． Effects of surface-active agents on dro size in liquid-liquid systems[J]． Industrial ＆ Engineering Chemistry Research，1990，29( 3) : 494-499．

[8]Okubo Y，Toma M，Ueda H， et al． Microchannel devices for the coalescence of dispersed droplets produced for use in rapid extraction processes[J]．Chemical EngineeringJournal，2004，101(1) : 39-48．

[9]Kolehmainen E, Turunen I.Micro-scale liquid-liquid separation in a plate-type coalesce [J]．Chemical Engineering and Processing: Process Intensification，2007，46(9) : 834-839．

[10]郜帮佶, 刘代俊, 陈建钧.板式微通道的液-液两相分离作用研究[J].现代化工, 2015(11):90-94.