摘要
微混合系统的核心部分是微混合器，是在微尺寸条件下实现多相混合的一种设备。这种混合主要通过微通道来实现：多股流体首先分别在多个通道内流动，然后汇合进入微通道并在其中进行混合。按照混合机理，微反应器分为被动式微混合器、主动式微混合器。
本文介绍了各种微反应器的适用场合，为微反应器的选择提供了选型设计依据。
关键词：微混合器；被动；主动；设计
GSK连续化多功能实验工厂
引言
微反应器因其尺寸效应，具有过程强化、反应安全、易控制、数增放大等特点，也因此得到研究人员的极大关注。微通道是微反应器的核心组成部分，微反应器中流体的流动、传质以及传热过程主要在微通道内进行。本文对目前存在的微反应器混合机理及适用类型进行了总结研究，为微通道反应器的设计选型提供了依据。
1微化工系统
1.1微化工系统的定义
微化工系统是利用微加工和精密加工技术制造的小型化化工系统，其特点是“三传一反”过程发生在特征尺度处于纳米级到微米级的微小空间内。微通道是微化工系统的基本组成单位和关键组成部分。微化工系统的特征尺度从化学工程学的角度来定义，即微化工体系的传递和化学反应过程与宏观化工体系具有明显差异的临界尺度，也是“三传一反”过程出现明显差异的临界尺度。根据习惯上划分尺度的方法可将微化工系统定义为：利用微加工技术制造，特征尺度范围为 1μm~1mm，用于分离、换热、混合、分析和化学反应等过程的结构元件和高度集成的化工系统。微化工系统包括微混合系统、微换热系统、微反应系统、微分离系统、微控制系统、微执行系统等，其中微混合、微换热、微反应、微分离系统是核心部分。
1.2微混合器
微混合系统的核心部分是微混合器，是在微尺寸条件下实现多相混合的一种设备。这种混合主要通过微通道来实现：多股流体首先分别在多个通道内流动，然后汇合进入微通道并在其中进行混合。微混合器根据输入能量的不同，可以分为两类：
（1）被动式微混合器，单纯利用几何形状活流体特性产生混合效果，除驱动流体流动的力（如压力）外，混合不借助于其他外力，混合器中也不含任何移动部件。
（2）主动式微混合器，借助磁力、电场力、声场等外力来实现混合，混合过程往往是多种混合机制协同作用的结果。
2被动式微混合器
2.1并行叠片微混合器
并行碟片微混合器通过微混合器的物理构造将待混合的两种流体各自细分成N个叠片，使其交互接触，最后汇聚成一个叠片，基本设计如图1所示。
图1 并行叠片微混合器的基本设计图
最简单的并行叠片微混合器是T型或者Y型微混合器，这类简单的微混合器需要较长的混合通道，单纯用于混合效果较差，一般用于研究微尺度下传递现象，如放大准则、蝴蝶效应以及其他非线性现象。为了进一步增强混合效果，可以采用流动聚焦或3D交互式设计的方法缩短混合距离，其基本设计如图2所示。
（a）流动聚焦式 （b）3D交互式
图2复杂并行叠片微混合器
如图2（a）所示的流动聚焦式混合器主要采用有三个金洋口的长微通道，中间的入口加样品，两侧入口加溶剂，三股液流在主通道交汇，两侧的溶剂起到鞘流的左右将中间的样品聚焦成一窄带，降低了样品流的宽度，缩短了混合距离，利用这种设计，混合时间可以缩短至几个毫秒。
图3 并行叠片微混合结构
图3是3D交互式并行叠片微混合结构，中间位硅片通道，上下层为玻璃盖片。其混合过程如下，液流A在第一层的输入管道被重复对称切分为16个支流，液流的各部分从头到尾流经这些支管道及整体系统时通过的距离相等。在微混合器的另一层上，液流B也同时按照上述方式被切分，然后通过一系列夹层孔与第一层相同，最终以完全垂直方式与液流A混合，即相同数目的支流重新合并为一体。
2.2混沌对流微混合器
层流状态下各个流层之间相互平行，因此对于展向的混合十分不利。混沌混合是解决这一问题的主要方法，该方法的原则就是将原本平行的流线，利用特殊的通道几何形式反复的分割、拉伸、扭曲或者折叠，以此增加原本平行流层之间的接触概率。在改变流线形式的方法中，在流道中加入障碍物是比较有效的方法。数值计算表面，非对称排列的障碍物可以有效的改变流动方向，增进流体之间的融合，使得展向的混合增强。另外周期性的弯曲流道也可以实现类似的功能。对于不同的Pe，设计混合混合器所使用的策略会有所不同、Pe值越低，为了得到同样的混合效果，对流层之间的扰动需要越大，以此为依据设计出了众多不同的混合器类型。如图4所示。
图4 混沌混合器
图4（a）所示为2D平面修改的Tesla结构。这种结构依靠附壁效应来产生混沌对流，显著改善混合效果。这种混合器在雷诺数大于5时效果较好。图4（b）中3D蛇形的混合通道是由一系列相互垂直的C形片段组成，使用的雷诺数范围为25-70。
3主动式微混合器
主动式微混合器借助外力如磁场、电场、声场和热等促进流体间的混合。混合效率提高，也可以灵活的调控流体在通道内发生混合的部位和时间。
3.1磁力搅拌型微混合器
磁力搅拌型微混合器以外部磁场作为驱动力加速混合。如图5所示，将含有微磁力搅拌棒的混合器集成在聚对二甲苯芯片通道中，以外部旋转磁场驱动微磁力搅拌棒进行液体混合。将搅拌棒上沿至管壁的距离在原设计基础上较小到大约10微米，并增加搅拌棒的厚度，使此厚度和通道深度的比例由5.7%提高到60%，可促使更多的液流围绕搅拌棒运动，有利于提高混合效率，除了设计上的改进，采用聚对二甲苯的材质，有助于解决PDMS多孔材质带来的蒸发、吸附以及交叉污染问题。
图5 磁力搅拌型微混合器
3.2声场促进型微混合器
气泡引发的声场微混合器如图6所示，在这种混合器中，压电盘被置于反应池背面，一系列符合大小要求的气泡被引入待混合溶液。流体试验表明，由声场引发的稳定循环流使停留在固体表面的气泡产生振动，从而形成球形对流，加速混合过程。采用这种方法完全混合22微升溶液的时间可由几个小时（完全基于扩散的混合）减小到几十秒。
图6 气泡引发的声场微混合器
另一种以声场为外力的主动混合方法是超声振动。由于PZT具有较高的机电耦合系数，因此往往被选作超声振动的激发源。如图7所示，混合器芯片上有两个单独的混合器，每个混合器有两个入口和一个出口。集成在微混合器背面的PZT超声波辐射装置在48KHZ的方波激发下产生超声波，一起振动膜振动，使原本分层流动的乙醇层流和水层流变得不稳定，在7s后发生高效混合。超声振动混合具有较高的混合效率，但产生会引起局部温度升高，因此不适合于生物样品。
图7超声振动模型
3.3电场促进型微混合器
电场促进型微混合器的驱动力可以是电动力、电渗或介电力等。图8所示的可变电渗驱动的T形混合器利用可变直流电场产生电渗流，同时驱动并混合样品液体。
图8 电场促进型微混合器
3结论
微混合技术已经显示出以下几个特点：
（1）混合效率高，混合时间短，能耗少。
（2）易于控制，传质及传热性能好。
（3）设备结构简单，容易与其他功能单元集成。
由于具有以上特点，微混合技术在化学合成、乳状液制备、高通量筛选以及其他生化领域都将有广阔的应用前景。今后还需要对微混合器内的混合机制、微混合器及其他功能单元的集成以及微混合技术放大等关键问题进行更深入的探讨与研究。
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