微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)適用性及制造過程
微反應(yīng)器的材質(zhì)主要有硅、玻璃、陶瓷、聚合物和金屬等，其材料的選擇取決于許多因素，主要包括操作條件(壓力和溫度)，反應(yīng)物的物理性質(zhì)(pH、黏度等)，成本，大規(guī)模生產(chǎn)能力以及制造的難易性等。
硅材料最開始主要應(yīng)用于微電子芯片中，近幾年開始應(yīng)用在微反應(yīng)器的制造過程中。硅的價格相對低廉且化學(xué)惰性和傳熱能力優(yōu)異，是制造微反應(yīng)器常用的材料之一。工業(yè)中許多重要的氣/液相反應(yīng)都采用硅基微反應(yīng)器，但其加工工藝復(fù)雜、附加成本偏高。
聚合物基微反應(yīng)器具有性能可調(diào)、成本低、易于制造等優(yōu)點(diǎn)，目前常用于微反應(yīng)器制造的聚合物大致分為兩類—聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其改性形式的熱塑性聚合物，如聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)等。但聚合物基微反應(yīng)器存在導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性不佳的缺點(diǎn)，大多數(shù)情況下只適用于常溫常壓的反應(yīng)類型，此外聚合物基微反應(yīng)器與其他材料的兼容性還有待進(jìn)一步探索。
玻璃的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)功能穩(wěn)定，且便于觀察反應(yīng)器內(nèi)部真實(shí)情況。此外，在玻璃基微反應(yīng)器中可使多種極性溶劑產(chǎn)生電滲流過程(EOF)，從而促進(jìn)有機(jī)合成反應(yīng)，同時其在光催化反應(yīng)方面也具有獨(dú)特的優(yōu)勢。然而，玻璃容易發(fā)生應(yīng)力及張力斷裂，且不耐高溫、不適合采用原有的制造工藝。
相較于金屬等傳統(tǒng)材料，陶瓷材料具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在一些苛刻環(huán)境下仍能保持較好的性能，因此陶瓷基微反應(yīng)器除了具有適合于微化工反應(yīng)的優(yōu)勢，同時也可以實(shí)現(xiàn)催化劑負(fù)載的三相反應(yīng)。金屬基微反應(yīng)器主要采用機(jī)械加工的方式進(jìn)行制備，因此可滿足中試和企業(yè)的需求，但是耐酸堿和耐高溫性能仍有待提高。
不同材料微反應(yīng)器的制作技術(shù)也不盡相同，主流制備技術(shù)有LIGA(光刻、電鑄和塑模相結(jié)合的工藝)，3D打印技術(shù)，硅體微加工，超精密加工技術(shù)等。LIGA工藝適合大規(guī)模生產(chǎn)，且深寬比不受限制，可應(yīng)用于金屬、聚合物和塑料等各種材料，缺點(diǎn)是成本較高。圖1為LIGA過程中涉及的基本步驟。硅體微加工技術(shù)主要包括濕法刻蝕技術(shù)和干法刻蝕技術(shù)，其中干法刻蝕是利用具有無污染、自動化程度高、腐蝕速率易控等優(yōu)點(diǎn)的氣體腐蝕，同時還可以替代LIGA技術(shù)來完成一些高精度的微結(jié)構(gòu)加工，從而降低生產(chǎn)成本。3D打印制造技術(shù)相較于傳統(tǒng)的微反應(yīng)器加工技術(shù)，具有設(shè)計自由、加工迅速、設(shè)備成本低和材料適應(yīng)范圍廣等優(yōu)勢，吸引了越來越多研究人員的關(guān)注。
圖1 微反應(yīng)器用光刻、電鑄和塑膜(LIGA) 制造技術(shù)的基本步驟
技術(shù)放大便利性與本質(zhì)安全
由于傳統(tǒng)化工過程中存在放大效應(yīng)，為保證工業(yè)應(yīng)用的可靠性，一般要經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)室-小試-中試工業(yè)試驗(yàn)-工業(yè)生產(chǎn)的逐級放大過程。但微反應(yīng)器特有的尺寸特征使得其放大過程主要是微反應(yīng)器數(shù)量的疊加而非整體構(gòu)造尺寸的改變，可有效避免放大時在“三傳”方面產(chǎn)生的工程問題。
因此，模擬分析單一的微反應(yīng)器就可以使整個微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。這使得在整體工藝技術(shù)開發(fā)中，不再需要投入過多的中試設(shè)備制造費(fèi)用和實(shí)驗(yàn)成本，同時節(jié)省了中試試驗(yàn)所占用的時間，縮短了整個開發(fā)周期并減少了資源投入。隨著化工技術(shù)的高速發(fā)展，安全生產(chǎn)逐漸成為新興技術(shù)的重要考核指標(biāo)，因此，不同技術(shù)形式的本質(zhì)安全是未來發(fā)展的必然方向。
微反應(yīng)器具有獨(dú)特的尺寸特征，這使得它在傳熱和傳質(zhì)方面效率很高。當(dāng)發(fā)生強(qiáng)放熱反應(yīng)時，短時間內(nèi)產(chǎn)生的大量熱可以被及時移除，從而避免了傳統(tǒng)反應(yīng)器中發(fā)生的“飛溫”現(xiàn)象；此外，由于微反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的儲存量相對較小，可將發(fā)生爆炸風(fēng)險的危害性降到最低。甚至對于連續(xù)流過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)，微化工技術(shù)也可將其控制在可控風(fēng)險范圍之內(nèi)，使整體反應(yīng)過程平穩(wěn)地進(jìn)行。
綠色化工及可操作性
在傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)中，大型工業(yè)反應(yīng)器不僅需要消耗大量的原料和能源，同時產(chǎn)品收率也不理想。微反應(yīng)器作為連續(xù)流工藝，在實(shí)驗(yàn)室研究過程、中試過程或大規(guī)模生產(chǎn)過程中都大大減少了原料的用量和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，從而提高了其經(jīng)濟(jì)性。此外，微反應(yīng)器可減少生產(chǎn)過程中有害物質(zhì)的產(chǎn)生，有效提高原子利用率。
微反應(yīng)器所具備的特性使得其也適用于活性中間體不穩(wěn)定的反應(yīng)過程。在傳統(tǒng)反應(yīng)體系中，常采用間歇釜式反應(yīng)器以及特殊的進(jìn)料方式與控制進(jìn)料順序來避免出現(xiàn)反應(yīng)過程過于劇烈和反應(yīng)效果不佳等不利影響。然而反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的停留時間不一致，無法有效控制副產(chǎn)物的生成。微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)可以通過改變微通道的長短精確控制反應(yīng)物的停留時間，從而有效避免副產(chǎn)物的產(chǎn)生，使產(chǎn)物的純度最大限度得到提高，并且實(shí)現(xiàn)整體過程的連續(xù)操作。
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