摘要：微反應(yīng)器和聲化學(xué)技術(shù)都是化工過程強(qiáng)化的重要手段，但都有優(yōu)缺點。闡釋了“聲化學(xué)微反應(yīng)器”的理念——微反應(yīng)器和聲化學(xué)技術(shù)相互集成，利用超聲強(qiáng)化微通道內(nèi)的混合、傳質(zhì)和預(yù)防堵塞等，同樣借助微反應(yīng)器實現(xiàn)聲場和氣泡場的有效調(diào)控并解決聲空化過程的放大難題，實現(xiàn)協(xié)調(diào)強(qiáng)化的目的。同時，深入剖析了聲化學(xué)微反應(yīng)器內(nèi)的聲空化行為、聲場和氣泡場調(diào)控規(guī)律，以及多相流動體系中的混合與傳質(zhì)強(qiáng)化機(jī)制。最后展望了該領(lǐng)域的發(fā)展方向，并指出超聲空化過程中表界面時空尺度現(xiàn)象和理論是實現(xiàn)并優(yōu)化超聲強(qiáng)化的基礎(chǔ)。

我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)對化學(xué)工業(yè)的能耗、環(huán)保、安全提出了新的要求?；み^程強(qiáng)化是實現(xiàn)化工過程高效、節(jié)能、環(huán)保、安全的重要手段[1]。作為兩種典型的過程強(qiáng)化技術(shù)，微反應(yīng)器和超聲雖然在減小反應(yīng)器體積、提高過程安全性和能量效率上有優(yōu)勢，但迄今仍鮮有大規(guī)模成功工業(yè)化的實例，主要是由于這兩種強(qiáng)化技術(shù)都有其劣勢。研究表明微反應(yīng)器和超聲強(qiáng)化技術(shù)存在互補(bǔ)性，即可用一技術(shù)的優(yōu)點解決另一技術(shù)的缺點，兩者結(jié)合具有協(xié)同強(qiáng)化效果。因此，本文提出將這兩種強(qiáng)化技術(shù)集成，形成一種更高效、更穩(wěn)定、更有工業(yè)化前景的過程強(qiáng)化技術(shù)——聲化學(xué)微反應(yīng)器。

微反應(yīng)器是指內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特征尺寸在亞毫米尺度的流體設(shè)備。與傳統(tǒng)大型化工設(shè)備相比，微化工設(shè)備具有體積小、比表面大、熱質(zhì)傳遞速率快、操作安全、易于放大等優(yōu)點，使微反應(yīng)（器）技術(shù)成為最具應(yīng)用前景的化工過程強(qiáng)化技術(shù)之一。但微反應(yīng)技術(shù)在工業(yè)化開發(fā)過程中也存在一些亟待解決的技術(shù)難題，微反應(yīng)器內(nèi)的流體通常處于層流狀態(tài)且受表面張力作用顯著，其混合傳質(zhì)速率相對較慢。常用的解決辦法是將微反應(yīng)器的內(nèi)部通道設(shè)計成彎折、分支交叉等特殊結(jié)構(gòu)，使流體在局部產(chǎn)生渦流以強(qiáng)化混合。但這種微反應(yīng)器加工成本高、壓降大、操作彈性差；同時，復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和小特征尺寸使微反應(yīng)器更易被固體顆粒或黏稠物堵塞，尤其在彎折、分支交叉等結(jié)構(gòu)處。解決這些問題最有效的辦法是引入外加的機(jī)械攪拌，在通道中產(chǎn)生局部對流以防止和疏浚堵塞、進(jìn)一步強(qiáng)化混合與傳質(zhì)。但傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌方法在微反應(yīng)器中難以實現(xiàn)，因此，最為理想的解決方案為引入諸如電場、電磁場、聲場、超重力等外場。分析認(rèn)為最適合引入微反應(yīng)器以實現(xiàn)機(jī)械攪拌作用的是超聲場。因超聲穿透性好、能量密度高、安全可靠，且其聲空化作用已被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)化工設(shè)備中混合、傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)化。若能將超聲引入微反應(yīng)器中，其聲空化效應(yīng)不僅可以解決微反應(yīng)器的堵塞問題，還可強(qiáng)化混合傳質(zhì)、增加操作彈性。同樣，聲化學(xué)技術(shù)（利用超聲促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)）也可借助微反應(yīng)器以更有效地解決其面臨的問題——實現(xiàn)聲場和氣泡場的有效調(diào)控，并解決聲空化過程的放大難題。

聲化學(xué)的作用機(jī)理主要是超聲空化，即液體中微氣泡核在超聲作用下振動、生長和崩潰的過程。超聲空化將分散的超聲波能量聚集到氣泡附近，產(chǎn)生劇烈聲流、沖擊波、微射流以及局部高溫高壓。聲流、沖擊波、微射流引起流體湍動，進(jìn)而強(qiáng)化混合與傳質(zhì)——超聲的機(jī)械效應(yīng)；局部高溫高壓導(dǎo)致自由基生成或促進(jìn)分子裂解，從而改變反應(yīng)機(jī)理、路徑、提高反應(yīng)收率——超聲的化學(xué)效應(yīng)。

大量研究證實聲化學(xué)技術(shù)在乳化、萃取、降解、催化等過程中具有強(qiáng)化作用，但迄今鮮有大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的實例。由于聲空化是一個復(fù)雜、隨機(jī)、非均布的動態(tài)過程，在大型反應(yīng)器中產(chǎn)生的機(jī)械和化學(xué)效應(yīng)難以調(diào)控，進(jìn)而導(dǎo)致整個聲化學(xué)過程效率低、重復(fù)性差、能耗高。因此，反應(yīng)器內(nèi)聲空化過程的有效調(diào)控是實現(xiàn)傳質(zhì)和反應(yīng)過程強(qiáng)化的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)將微反應(yīng)器與聲化學(xué)技術(shù)結(jié)合——集成為“聲化學(xué)微反應(yīng)器”（圖1），利用微反應(yīng)器體積微小、氣液流型規(guī)則、易于放大等優(yōu)點，可對聲空化過程進(jìn)行有效調(diào)控，實現(xiàn)傳質(zhì)和反應(yīng)過程的高效強(qiáng)化。

1聲空化行為及其調(diào)控

研究聲空化行為是實現(xiàn)聲空化過程調(diào)控的關(guān)鍵。如圖2所示，對于單個空化氣泡，超聲強(qiáng)度很低時，氣泡發(fā)生徑向線性振動（體積振動模式），并發(fā)射二次聲波引起聲場的重新分布；隨聲強(qiáng)增大，氣泡產(chǎn)生劇烈非線性振動（形狀振動模式），一部分超聲能量轉(zhuǎn)化成空化聲流、熱損失以及少量光發(fā)射；聲強(qiáng)大于空化閾值（水中約3W·cm?2）時，氣泡振動加劇，并崩潰瓦解，產(chǎn)生局部的高溫高壓（高達(dá)5000K和100MPa），同時釋放劇烈的沖擊波、微射流、光發(fā)射。聲強(qiáng)低于空化閾值時氣泡長時間振動稱為穩(wěn)態(tài)空化，高于空化閾值時氣泡快速崩潰稱為瞬態(tài)空化。研究表明，氣泡空化行為與其直徑及超聲頻率有關(guān)。對于常見的超聲頻率，直徑在1～1000μm區(qū)間（也稱響應(yīng)區(qū)間）的氣泡有明顯的振動行為，其中以共振尺寸附近的氣泡振動最為強(qiáng)烈。雖然一個工作頻率可對應(yīng)多個共振尺寸（對應(yīng)不同的振動模式），但其中Minnaert共振尺寸（Rt）響應(yīng)最為顯著，其與頻率f存在如下關(guān)系

對于常壓下的水-空氣體系，當(dāng)氣泡半徑大于10μm時，式（1）簡化為fRr≈3.3kHz·mm。對于20kHz和100kHz的常用超聲頻率，對應(yīng)的氣泡共振尺寸（直徑）分別在330μm和66μm左右?？梢妼τ诖蠖鄶?shù)聲化學(xué)反應(yīng)器，只有直徑在50～500μm附近的氣泡的聲空化行為最為強(qiáng)烈，聲空化效果最好。

圖2單個氣泡的聲空化行為

聲化學(xué)反應(yīng)器中的聲空化是非均布的聲場和氣泡場相互作用的復(fù)雜過程（圖3）。首先，反應(yīng)器內(nèi)空化氣泡形態(tài)和位置呈時空動態(tài)變化。液體中的小氣泡核在超聲作用下或經(jīng)定向擴(kuò)散和聚并慢慢長大，或被液體溶解而消失。在聲場輻射力和流體流動的作用下，氣泡無規(guī)則移動，一部分氣泡合并成大氣泡，另一部形成氣泡團(tuán)簇；聲強(qiáng)很大時，部分氣泡將發(fā)生瞬態(tài)空化而瓦解成小氣泡，這些小氣泡或?qū)⒊蔀樾職馀莺死^續(xù)參與空化過程。可見，實際反應(yīng)器中的氣泡場呈現(xiàn)多尺度現(xiàn)象，不僅有微米級小氣泡和毫米級大氣泡，還有不規(guī)則的氣泡團(tuán)簇，只有近共振尺寸（50～500μm）的氣泡才有較好的聲空化效果。同時，聲化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)聲場分布也不均勻。換能器輻射面附近聲場強(qiáng)度高，空化氣泡多、聲空化作用強(qiáng)，甚至?xí)斐煽栈帘魏头磻?yīng)器壁面腐蝕；遠(yuǎn)離換能器區(qū)域聲強(qiáng)低，空化氣泡少、聲空化作用弱。反應(yīng)器中聲場不均勻分布會直接影響氣泡場的分布，而氣泡或氣泡群的空化行為也會散射或屏蔽聲波，加劇聲場的不均勻性。不均勻的聲場和氣泡場動態(tài)耦合疊加，使聲空化效應(yīng)分布不均且不可控，導(dǎo)致整個聲化學(xué)過程效率低、重復(fù)性差、能耗高。

圖3反應(yīng)器中聲空化行為——復(fù)雜聲場和氣泡場的動態(tài)耦合

聲化學(xué)研究者們已意識到了這一問題，提出了各種新型聲化學(xué)反應(yīng)器以調(diào)控聲空化過程。在聲場調(diào)控方面，常用方法是于釜式反應(yīng)器不同位置粘接多個超聲換能器，通過聲輻射的疊加使聲場更為均勻；也可利用管式、塔板式反應(yīng)器等將聲化學(xué)過程變成連續(xù)操作，以減小反應(yīng)器體積，提高聲場的均勻性。對于氣泡場調(diào)控，通過調(diào)節(jié)操作參數(shù)以抑制大氣泡生成、減少小氣泡數(shù)量。另外，通過噴嘴或多孔板在反應(yīng)器中人為導(dǎo)入氣泡以增加氣泡數(shù)量、強(qiáng)化聲空化效果。這些方法在一定程度上能增加聲場和氣泡場的均勻性，但有效性和均勻程度仍有待提高。如通過噴嘴或多孔板在反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)入氣泡的方法，由于噴孔直徑通常比較大，產(chǎn)生的氣泡大多在毫米至厘米尺度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離共振尺寸，因此其聲空化效果的調(diào)控有限。

除了上述介紹的各種新型聲化學(xué)反應(yīng)器外，超聲微反應(yīng)器也可有效調(diào)控聲場和氣泡場。從導(dǎo)入氣泡的角度，微反應(yīng)器內(nèi)部微通道結(jié)構(gòu)的特征尺寸在微米至毫米量級，恰與空化氣泡的共振尺寸區(qū)間（50～500μm）重合；微反應(yīng)器內(nèi)的氣-液流型均勻穩(wěn)定，易產(chǎn)生尺寸均一的氣泡，因此可有效調(diào)控氣泡場的均勻性。利用連續(xù)流操作和減少反應(yīng)器體積以調(diào)控聲場的思路，微反應(yīng)器是典型的連續(xù)流反應(yīng)器，同時體積小，厚度通常只有幾厘米[小于常用的20kHz功率超聲的波長（水中波長7.5cm）]，因此超聲微反應(yīng)器是一種聲場十分均勻的理想的近場反應(yīng)器?？梢妼⒙暬瘜W(xué)與微反應(yīng)器結(jié)合，可有效調(diào)控聲場和氣泡場，以實現(xiàn)均勻高效的聲空化過程。此外，利用微反應(yīng)器易于并行放大的特點，還可以將這些過程快速推廣到工業(yè)應(yīng)用。

2聲化學(xué)微反應(yīng)器中聲空化過程的調(diào)控

基于聲化學(xué)微反應(yīng)器的理念，從聲空化過程調(diào)控（聲場和氣泡場調(diào)控）的角度，對目前文獻(xiàn)中報道的超聲微反應(yīng)器進(jìn)行總結(jié)和歸納。

聲場調(diào)控——超聲微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

超聲微反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是微反應(yīng)器與聲化學(xué)結(jié)合的硬件基礎(chǔ)，也是微反應(yīng)器中聲場調(diào)控的關(guān)鍵。目前大多數(shù)超聲微反應(yīng)器通常將超聲壓電片直接粘貼在微反應(yīng)器外表面，將超聲能量傳導(dǎo)進(jìn)入反應(yīng)器。Kuhn等提出了一種新型的壓電片式超聲微反應(yīng)器，用兩塊不銹鋼板將壓電片夾到聚四氟微反應(yīng)器板中。這些超聲微反應(yīng)器由于壓電陶瓷片抗張強(qiáng)度差，在大功率工作狀態(tài)下易發(fā)生破裂，且輸入的超聲功率比較低，只能用于生物分析和微流控芯片領(lǐng)域。在化工領(lǐng)域，微反應(yīng)器體積相對較大、流體處理量大，單獨壓電片輸出的超聲強(qiáng)度往往無法在所有的通道中取得較好的強(qiáng)化效果。

在功率超聲領(lǐng)域，夾心式超聲換能器由于具有功率大、能量效率高、散熱好、壓電片不易破裂等優(yōu)點，在超聲清洗、超聲加工、聲化學(xué)處理等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。一些研究者也將大功率夾心式換能器引入到超聲微反應(yīng)器的設(shè)計中。將夾心式超聲換能器與微反應(yīng)器耦合的最簡單方法是將微反應(yīng)器直接浸入超聲清洗槽中，因為清洗槽的超聲波正是由位于其底部的夾心式換能器產(chǎn)生。許多研究者用該方法來防止微反應(yīng)器中的顆粒堵塞。Aljbour等利用該方法強(qiáng)化水解反應(yīng)過程中有機(jī)相與水相之間的傳質(zhì)。這種直接把微反應(yīng)器浸泡在清洗槽中的方法不僅簡單方便，而且由于微反應(yīng)器的尺寸比清洗槽小很多，微反應(yīng)器內(nèi)的聲場往往比較均勻。但該方法的超聲能量傳遞效率不高，大量能量消耗在清洗槽的液體中，進(jìn)入微反應(yīng)器的能量只是超聲清洗槽輸入總功率的一小部分。

為了提高超聲能量從夾心式換能器傳輸?shù)轿⒎磻?yīng)器中的效率，研究者提出了一些解決辦法。Hubner等將微反應(yīng)器和夾心式換能器變幅桿的前端放入一個裝滿水的高壓釜中（0.45MPa），利用高壓水將超聲能量從換能器傳導(dǎo)進(jìn)入微反應(yīng)器。由于水在高壓時不易被空化，該反應(yīng)器的能量傳遞效率比超聲清洗槽高。但該裝置龐大、操作復(fù)雜；由于超聲在傳播進(jìn)入微反應(yīng)器時經(jīng)過了兩個液-固界面的反射，傳遞效率仍然比較低。龍沙公司發(fā)明了一種將超聲波導(dǎo)入微反應(yīng)器的方法，并將其成功用于工業(yè)化過程的堵塞預(yù)防中。該方法通過一個耦合裝置將超聲從換能器直接傳輸?shù)脚c其接觸的工藝流體中，并通過流體將超聲能量導(dǎo)入微反應(yīng)器。由于超聲在工藝流體中衰減比較快，該方法只能在微反應(yīng)器的局部（如入口或出口）引入超聲。另外，換能器產(chǎn)生的一部分超聲波也會傳播到與其連接的耦合裝置以及管線中，造成能量損失和設(shè)備磨損。

上述基于夾心式換能器的超聲微反應(yīng)器雖然輸出功率大，但都是通過液體介質(zhì)將超聲波從換能器表面?zhèn)鬏數(shù)轿⒎磻?yīng)器，能量效率低，且微反應(yīng)器中的聲場分布往往不均勻?；谝陨戏治?，Dong等[3]研究發(fā)現(xiàn)如果將夾心式換能器與微反應(yīng)器直接耦合，即換能器表面與微反應(yīng)器外表面直接粘接在一起，則能避免超聲在液體媒介和固-液界面處的能量損耗，大幅提高能量效率。基于夾心式超聲換能器工作原理和設(shè)計理論，Dong等設(shè)計了一種全新的、高效的大功率超聲微反應(yīng)器（圖4），即將夾心式換能器和微反應(yīng)器直接耦合在一起，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計使其在縱向形成一個半波振子（1/2波長的駐波），微反應(yīng)器正好處于該駐波波腹附近，超聲強(qiáng)度最大且分布均勻[圖4(a)]。ANSYS數(shù)值模擬的聲場分布圖[圖4(b)]證實整個超聲微反應(yīng)器的振動在縱向形成了一個半波駐波，且微反應(yīng)器處于振動幅度最大的波腹處，整個微反應(yīng)器平面振動分布均勻。利用阻抗分析儀測量該超聲微反應(yīng)器的阻抗曲線，發(fā)現(xiàn)其諧振頻率都在理論設(shè)計的20kHz附近；且功率因素比較高，在500～1000之間。利用標(biāo)準(zhǔn)量熱法測量了超聲微反應(yīng)器內(nèi)的功率密度，輸入總功率為5～50W時，反應(yīng)器聲功率密度為0.03～0.3W·ml?1，與傳統(tǒng)聲化學(xué)反應(yīng)器功率密度相近。

圖4超聲微反應(yīng)器、振動位移分布及實物圖（標(biāo)尺為10mm）

氣泡場調(diào)控——聲空化效果優(yōu)化

超聲空化的氣泡核一般來自于液體中溶解的氣體，或反應(yīng)器壁面吸附的小氣泡。由于微反應(yīng)器內(nèi)的液體持有量和通道表面積較小，所含的空化氣泡數(shù)量少。為了保證超聲強(qiáng)化的效果，需要人為地增加微通道中空化氣泡的數(shù)量，以調(diào)節(jié)氣泡場、增強(qiáng)超聲空化活度。

調(diào)節(jié)氣泡場的最常用方法是通過在微通道中加工微孔或凹槽，束縛或產(chǎn)生特定尺寸的氣泡、增加空化氣泡的數(shù)量。Tovar等提出了“側(cè)腔聲驅(qū)動器”的概念，即在微通道側(cè)壁加工腔室或凹槽，當(dāng)液體進(jìn)入微通道后，部分空氣被束縛在腔室或凹槽內(nèi)形成氣泡；施加一定頻率的超聲時，氣泡在超聲作用下產(chǎn)生劇烈振動和聲流，可實現(xiàn)混合流體或驅(qū)動流體運動。Ahmed等也借助“側(cè)腔聲驅(qū)動器”方法在微通道內(nèi)壁加工一些長90～240μm、寬60～90μm、深155μm的凹槽；施加70～82kHz超聲時，凹槽中氣泡在超聲作用下產(chǎn)生劇烈振動，并在其附近形成劇烈聲流旋渦以促進(jìn)混合。Rivas等將加工有多個直徑30μm、深10μm微孔的硅片放入反應(yīng)器中，發(fā)現(xiàn)這些微孔束縛的氣泡在200kHz超聲作用下撕裂成大量的微氣泡束，使聲空化的自由基生成速率顯著提高?；谠摲椒?，Rivas等發(fā)明了一種利用微孔袋增強(qiáng)超聲清洗機(jī)清洗效果的技術(shù)。

通過微孔槽束縛或產(chǎn)生氣泡的方法在一定條件下能達(dá)到較好的效果。但要在整個微反應(yīng)器空間內(nèi)都引入氣泡，需要加工大量的微孔或凹槽結(jié)構(gòu)，加工成本高。另外，流量較高時，氣泡很容易被流體沖走；超聲作用一段時間后，氣泡也容易被振碎或溶解，從而影響氣泡場的穩(wěn)定性?？梢娦枰獦?gòu)建一種簡單易行且能連續(xù)產(chǎn)生大量氣泡的方法。最近，Ozcelik等采用增加微通道壁面的粗糙度以增加空化氣泡的數(shù)量，達(dá)到超聲強(qiáng)化的效果。Tandiono等通過在微通道中引入氣-液彈狀流，空化氣泡顯著增加。在微通道（寬100μm、深20μm）中通入空氣和水形成氣-液彈狀流，施加100kHz的超聲后，發(fā)現(xiàn)彈狀氣泡兩端的氣-液界面在超聲作用下發(fā)生劇烈振動，撕裂出大量空化氣泡，隨后發(fā)生瞬態(tài)空化，產(chǎn)生大量自由基并釋放強(qiáng)烈的光發(fā)射。由此可見，通過增加通道壁面的粗糙度和引入氣-液彈狀流或泡狀流，都能顯著增加通道內(nèi)空化氣泡的數(shù)量，以調(diào)控氣泡場、增強(qiáng)超聲強(qiáng)化效果。Dong等基于該方法，將超聲微反應(yīng)器用于氣-液兩相傳質(zhì)過程的強(qiáng)化，微通道中排列規(guī)則、尺寸均一的彈狀氣泡不僅可以是參與該氣液過程的原料，還是理想的聲空化氣泡，產(chǎn)生劇烈的表面波振蕩和聲流現(xiàn)象，大幅提高氣-液傳質(zhì)速率。

3聲化學(xué)微反應(yīng)器的應(yīng)用

液-液均相混合過程強(qiáng)化

根據(jù)強(qiáng)化混合的聲流機(jī)理，超聲微混合器可分為Eckart聲流、Rayleigh聲流、聲表面波引起的聲流、空化聲流4種。其中聲空化引起的聲流速度快、范圍廣，且激發(fā)頻率低、熱效應(yīng)小，最適合在微反應(yīng)器中應(yīng)用。Ahmed等將壓電片換能器粘貼在微反應(yīng)器芯片的旁邊，并在微通道內(nèi)壁加工凹槽以束縛氣泡；當(dāng)施加頻率70～82kHz的超聲時，氣泡在超聲作用下產(chǎn)生劇烈振動，并在其附近形成劇烈聲流旋渦以促進(jìn)混合，在流量3～16μl·min?1內(nèi)可將混合時間降低至7～120ms。Wang等[54]利用類似方法，發(fā)現(xiàn)超聲頻率在27.1～91.3kHz之間頻繁切換，能進(jìn)一步增強(qiáng)空化氣泡聲流的擾動效果，增強(qiáng)超聲微混合器的混合性能。Ozcelik等構(gòu)建了類似的超聲微反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)增加通道壁面粗糙度有利于增強(qiáng)混合效果。超聲作用下，粗糙的通道壁面產(chǎn)生大量空化氣泡，在超聲作用下劇烈振動和運動，產(chǎn)生各種聲流和渦流。研究表明，對于高黏度PEG溶液（34.2～55.8mPa·s），該超聲微混合器也能實現(xiàn)快速混合，流量1～30μl·min?1范圍內(nèi)，混合時間小于100ms。

圖5微通道中不同半徑氣泡的微觀空化行為（每列的9張連續(xù)圖片選自于拍攝幀速80000幀/秒、曝光12μs的視頻。圖片的時間間隔為12.5μs。圖片底部標(biāo)出了不同半徑氣泡的振蕩模式）

Dong等利用其開發(fā)的高效大功率超聲微反應(yīng)器，研究了混合強(qiáng)化的機(jī)理和效果。采用高速攝像機(jī)和顯微鏡拍攝液體中空化氣泡的生成、振動、生長等行為。結(jié)果表明，施加超聲后，微通道中瞬間出現(xiàn)大量空化氣泡，并緩慢長大；同時，氣泡在通道壁面劇烈跳動，氣泡表面產(chǎn)生嚴(yán)重變形，甚至撕裂出小氣泡。為了表征氣泡的微觀空化行為，Dong等拍攝了不同尺寸氣泡的超高幀速（80000幀/秒）振動視頻。如圖5所示，對于半徑5～20μm的小氣泡，主要發(fā)生體積振蕩模式，隨激發(fā)超聲呈周期性膨脹收縮。對于稍大的氣泡（半徑40～50μm），形狀振蕩模式被激發(fā)，伴隨明顯表面形變。隨著氣泡半徑的增大，形狀振蕩模式變得更劇烈，甚至破碎成小氣泡（圖5的第4列所示）。當(dāng)氣泡半徑接近共振尺寸（半徑150μm）時，氣泡振蕩的不穩(wěn)定性增加，從穩(wěn)態(tài)空化變成瞬態(tài)空化。氣泡在激發(fā)超聲的壓縮相劇烈坍塌，并在隨后的膨脹相中噴射出小氣泡或直接撕裂成眾多小碎片。實驗中，一些大于共振尺寸的氣泡也偶爾出現(xiàn)。大氣泡在超聲作用下很難塌陷，主要發(fā)生形狀振蕩模式，其表面有明顯的表面波振蕩。采用粒子示蹤實驗，研究超聲作用下微通道內(nèi)流場演變規(guī)律。未加超聲時，通道內(nèi)流體運動軌跡為直線，呈明顯的層流特征。當(dāng)超聲功率增加到20～30W時，通道中出現(xiàn)了大量空化氣泡。這些氣泡劇烈的振動、跳動，同時在其附近產(chǎn)生聲流旋渦；這些機(jī)械作用擾亂了原有的層流流動，形成了復(fù)雜的動態(tài)變化的流場，進(jìn)而顯著增強(qiáng)了流體混合。將熒光素鈉溶液和去離子水分別泵入微通道中，拍攝兩者混合時熒光強(qiáng)度的分布變化。通過計算熒光灰度值的方差隨通道長度的變化，可獲得混合時間，如圖6所示。未加超聲時，流體達(dá)到完全混合需24～32s；施加超聲后，混合時間僅為0.2～1.0s。超聲功率越大，混合時間越短。在較寬的流量范圍（0.2～5.0ml·min?1），超聲對混合過程的強(qiáng)化效果都保持穩(wěn)定。將超聲微反應(yīng)器的混合時間和能量消耗與常規(guī)的微反應(yīng)器進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)超聲微反應(yīng)器的能量效率與常用的T型微反應(yīng)器相當(dāng)，比一些復(fù)雜構(gòu)型的微反應(yīng)器高，如圖6（b）所示。

圖6不同超聲功率和流量下微通道內(nèi)的混合時間及不同微反應(yīng)器的混合性能比較

液-液傳質(zhì)過程強(qiáng)化

化工過程中常涉及液-液互不相溶兩相體系，如液-液萃取、相轉(zhuǎn)移催化、乳液制備等。與常規(guī)尺度液-液兩相流動系統(tǒng)相比，微尺度下可以實現(xiàn)兩相的快速傳質(zhì)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。Zhao等以水-琥珀酸-丁醇為模型反應(yīng)，系統(tǒng)研究了微通道內(nèi)不相溶液-液兩相的傳質(zhì)特性，發(fā)現(xiàn)微反應(yīng)器內(nèi)的總體積傳質(zhì)系數(shù)比傳統(tǒng)反應(yīng)器高1～2個數(shù)量級。微反應(yīng)器的強(qiáng)化傳質(zhì)性能源于其亞毫米級的通道結(jié)構(gòu)（數(shù)十到數(shù)百微米量級），相同的能量輸入條件下，微反應(yīng)器能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)設(shè)備高數(shù)倍至數(shù)百倍以上的相界面積。由于微通道內(nèi)兩相流體界面張力成為控制因素，且難以引入有效的機(jī)械攪拌；液-液兩相之間的混合速度并不快，單位接觸面積的傳質(zhì)系數(shù)并不高。因此，如何實現(xiàn)液-液兩相流體在微通道內(nèi)的快速混合是一個重要課題。

將超聲引入微反應(yīng)器中，是一種有效強(qiáng)化液-液兩相的混合與傳質(zhì)的方法。聲場在液體介質(zhì)中引起聲空化效應(yīng)，空化氣泡在溶液中劇烈振動（圖5），并伴隨著空化聲流；振動的空化氣泡扮演著遍布于微通道各處的攪拌子角色，極大地促進(jìn)液-液兩相的混合。Freitas等通過換能器與管式微反應(yīng)器耦合，將聲能引入微通道內(nèi)以制備水包油乳液。如圖7所示，入口的預(yù)乳液中油滴尺寸為50～200μm，經(jīng)過超聲微反應(yīng)器后，平均液滴尺寸下降了兩個數(shù)量級，尺寸減小到0.5μm。John等將這種超聲致乳的作用歸結(jié)為超聲的空化效應(yīng)。由于空化氣泡的攪拌作用，不相溶兩相在超聲微反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生了乳化，兩相接觸面積增加且傳質(zhì)速率增大。John等以乙酸對硝基苯酯的水解反應(yīng)為模型反應(yīng)，對比了微反應(yīng)器內(nèi)引入超聲與否對收率以及傳質(zhì)系數(shù)的影響。結(jié)果表明，施加超聲后（20.3kHz），反應(yīng)收率顯著提升，且停留時間越長，超聲的強(qiáng)化效果越顯著。在液相流量0.1ml·min?1條件下，收率最大強(qiáng)化倍數(shù)達(dá)到2.5倍，總體積傳質(zhì)系數(shù)增強(qiáng)5.3倍。

圖7Freitas等制備的水包油乳液光學(xué)圖像

Zhao等系統(tǒng)地研究了超聲微反應(yīng)器內(nèi)的空化致乳過程和機(jī)理，測量了其液-液傳質(zhì)性能。施加超聲后，在溶液中引起了劇烈的空化效應(yīng)，促進(jìn)了不相溶液-液兩相的乳化。如圖8所示，以水-油兩相流為例，油相中的空化氣泡在聲壓輻射力作用下，并非立即隨油相向下游流動，而將接觸并穿越水-油相界面。越過液-液界面后，由于水-氣界面張力大于水-油界面張力與油-氣界面張力之和，空化氣泡表面會包覆一層油膜，產(chǎn)生水包油包氣的雙層乳液結(jié)構(gòu)。當(dāng)超聲強(qiáng)度較低時，空化氣泡的振動強(qiáng)度不足以將油膜振碎，油膜將會包覆氣泡，直到再次接觸水-油界面[圖8（a）]。隨著超聲強(qiáng)度的增大，空化氣泡的振動愈發(fā)強(qiáng)烈，油膜在空化氣泡的振動下分散成小的油滴并逐漸分散于水相中，形成水包油的乳液[圖8（b）]。聲空化產(chǎn)生的乳液增大了兩相間的相界面積并減小了傳質(zhì)路徑，同時空化氣泡的振蕩和運動強(qiáng)化了流體的混合，使得兩相傳質(zhì)速率得以顯著增強(qiáng)。為了定量表征傳質(zhì)強(qiáng)化的效果，Zhao等進(jìn)一步利用辛醇萃取水相中羅丹明B的實驗，測量并計算得到了超聲微反應(yīng)器的總體積傳質(zhì)系數(shù)。未施加超聲時，隨著液相流速增加，體系的總體積傳質(zhì)系數(shù)由6.8×10?3s?1增加至15.3×10?3s?1。施加超聲后，隨著聲能的增加，空化氣泡的振蕩強(qiáng)度增大，兩相乳化愈發(fā)劇烈。相界面積增大，流體中的混合效果增強(qiáng)，反應(yīng)器的總體積傳質(zhì)系數(shù)隨之增加。總流量0.6ml·min?1，超聲功率20、30W條件下，傳質(zhì)甚至達(dá)到平衡。與未施加超聲狀況相比，傳質(zhì)系數(shù)提高了1.3～2.2倍。

圖8超聲微反應(yīng)器內(nèi)的空化致乳效應(yīng)

氣-液傳質(zhì)過程強(qiáng)化

氣-液傳質(zhì)過程是一個重要的化工操作單元?；瘜W(xué)工業(yè)中廣泛存在的氧化、加氫、氯化、氟化、吸收等過程多為氣-液兩相體系。在傳統(tǒng)反應(yīng)器中，超聲已被廣泛用于多相傳質(zhì)和反應(yīng)過程的強(qiáng)化。Kumar等測量了一個超聲探頭式反應(yīng)器、超聲槽式反應(yīng)器和機(jī)械攪拌接觸器的氣-液傳質(zhì)性能，發(fā)現(xiàn)相同功率密度條件下，探頭式反應(yīng)器中超聲對傳質(zhì)系數(shù)提高（50%～110%）比槽式反應(yīng)器（20%～50%）中明顯；但兩者的傳質(zhì)性能都遠(yuǎn)低于機(jī)械攪拌接觸器。他們將傳質(zhì)強(qiáng)化的原因歸結(jié)為超聲作用下產(chǎn)生的流體湍動減小了氣泡的尺寸；而由于機(jī)械攪拌產(chǎn)生的對流對氣泡的分散作用可能更明顯，機(jī)械攪拌接觸器的傳質(zhì)性能更高。Laugier等研究了一個裝配有超聲換能器和機(jī)械攪拌槳的高壓反應(yīng)釜中氣-液傳質(zhì)動力學(xué)，認(rèn)為超聲對傳質(zhì)過程的促進(jìn)主要是因為超聲作用時氣泡破碎，從而提高了氣-液接觸面積。Herran等將超聲探頭插入到鼓泡塔反應(yīng)器中，考察了反應(yīng)器直徑和液位高度對超聲鼓泡塔中氧氣吸收過程的影響，發(fā)現(xiàn)超聲對傳質(zhì)過程的促進(jìn)只有在小反應(yīng)器體積時才明顯，此時的功率密度較高（大于0.4W·ml?1），總體積傳質(zhì)系數(shù)提高了10%～30%。由此可知，超聲有助于促進(jìn)氣-液傳質(zhì)，超聲導(dǎo)致的湍動和氣泡尺寸減小等宏觀機(jī)理已有初步認(rèn)識。但不同文獻(xiàn)中超聲強(qiáng)化氣-液傳質(zhì)的幅度差別較大，且其強(qiáng)化的微觀機(jī)理——超聲與氣相的具體作用過程尚未澄清。這主要是因為在這些傳統(tǒng)大型反應(yīng)器中聲場和兩相流場復(fù)雜且分布不均勻，因此很難觀察單個氣泡在超聲作用下的運動行為[25-26]。由于缺乏對該強(qiáng)化機(jī)理的了解，使超聲強(qiáng)化的效果不可控、重復(fù)性差、能量效率低，特別是與機(jī)械攪拌式反應(yīng)器相比。超聲氣-液微反應(yīng)器正好能解決這些問題。相比傳統(tǒng)大型反應(yīng)器，微反應(yīng)器中的氣-液流型更穩(wěn)定、均勻、可控，且可在線觀察。此外，微反應(yīng)器體積小，其內(nèi)部的聲場分布較均勻?；谶@些優(yōu)勢，超聲微反應(yīng)器提供了一個研究超聲-氣泡相互作用行為、調(diào)控超聲強(qiáng)化效果的理想平臺。

Dong等利用其開發(fā)的高效大功率超聲微反應(yīng)器強(qiáng)化氣-液傳質(zhì)過程，并研究其強(qiáng)化機(jī)理。首先利用高速攝像機(jī)和顯微鏡，直接拍攝微反應(yīng)器內(nèi)空化氣泡的振蕩、運動行為。由圖9可見，在超聲功率最低時，氣泡徑向膨脹收縮，處于體積振動模式。隨功率增加，出現(xiàn)表面波振動，初始的表面波呈嚴(yán)格周期性，周期100μs，為激發(fā)超聲周期（50μs）的兩倍。換言之，表面波振蕩的頻率為激發(fā)頻率的1/2，與法拉第波特征頻率相符。隨后多個模式表面波被激發(fā)并相互耦合，氣泡表面呈不規(guī)則態(tài)。功率進(jìn)一步增加，表面波振動幅度增大、模式間耦合增強(qiáng)，氣泡表面呈劇烈無序振動——混沌波模式。實驗測量表面波的波長為（163±10）μm，與毛細(xì)波的理論波長相符。研究了微通道特征尺寸（寬×深：1.0mm×1.0mm、0.5mm×0.5mm、0.5mm×0.25mm）的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)通道尺寸越小，表面波激發(fā)所需功率越大，相同功率下氣泡表面振動越弱，即存在限域效應(yīng)。采用粒子示蹤法，發(fā)現(xiàn)氣泡附近出現(xiàn)兩個空化聲流旋渦。超聲功率越大，聲流旋渦速度越快、范圍越大，最大聲流速度可達(dá)0.03～0.04m·s?1，范圍擴(kuò)展到離氣泡表面0.4mm處。氣泡附近劇烈聲流與通道中原有流場相互強(qiáng)烈耦合作用，可顯著強(qiáng)化兩相流體間混合與傳質(zhì)。

圖9超聲作用下微通道內(nèi)彈狀氣泡運動行為（標(biāo)尺250μm）

ong等進(jìn)一步采用在線測量法研究了超聲微反應(yīng)器的傳質(zhì)特性。以CO2在水中的物理吸收過程為模型體系，通過在線測量氣泡長度隨通道位置的變化，可由單元傳質(zhì)模型擬合得到總體積傳質(zhì)系數(shù)，結(jié)果如圖10所示。由圖可知，施加超聲后，反應(yīng)器的傳質(zhì)性能大幅提高，功率越大傳質(zhì)系數(shù)越大。MR1（1.0mm×1.0mm）中，功率50W時，傳質(zhì)系數(shù)提高了20倍，MR0.5（0.5mm×0.5mm）和MR0.25（0.5mm×0.25mm）中也提高了3～5倍。對超聲強(qiáng)化傳質(zhì)過程進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)超聲在氣泡上激發(fā)的表面波振動可增大氣液接觸面積，而氣泡附近聲流增大了兩相滑移速度、促進(jìn)了表面更新，從而增大了傳質(zhì)系數(shù)（圖11）。結(jié)果表明，超聲作用下，氣-液相接觸面積增大了30%～160%；傳質(zhì)系數(shù)k最高可增加90%～650%。這兩方面的共同作用，可顯著強(qiáng)化超聲微反應(yīng)器中氣-液傳質(zhì)過程。表1分析了超聲微反應(yīng)器與其他反應(yīng)器的氣-液傳質(zhì)性能，超聲微反應(yīng)器的總體積傳質(zhì)系數(shù)比常規(guī)超聲反應(yīng)器高1～2個數(shù)量級。這主要因為超聲微反應(yīng)器中聲場和氣泡場的分布更均勻，聲空化過程更可控、更高效。對比超聲微反應(yīng)器和常規(guī)微反應(yīng)器的傳質(zhì)性能，發(fā)現(xiàn)超聲微反應(yīng)器的總體積傳質(zhì)系數(shù)與Yue等的直通道微反應(yīng)器相當(dāng)，高于康寧心形結(jié)構(gòu)微反應(yīng)器。具體分析，對于傳質(zhì)系數(shù)，超聲微反應(yīng)器的比直通道微反應(yīng)器高，與心形結(jié)構(gòu)微反應(yīng)器相當(dāng)；對于比表面，超聲微反應(yīng)器與直通道微反應(yīng)器相當(dāng)，比心形結(jié)構(gòu)微反應(yīng)器大。通道越小，比表面越大。Yue等報道的微反應(yīng)器的通道尺寸與本文所用的超聲微反應(yīng)器接近，而兩者都比心形結(jié)構(gòu)微反應(yīng)器的通道小。對于傳質(zhì)系數(shù)，其與通道結(jié)構(gòu)、流動狀況以及氣速、液速等因素相關(guān)。心形結(jié)構(gòu)微反應(yīng)器通過心形障礙結(jié)構(gòu)在通道中引入二次流，而超聲微反應(yīng)器中有聲流的存在，兩者都能促進(jìn)氣-液界面附近的流體更新，從而提高傳質(zhì)系數(shù)。

圖10超聲微反應(yīng)器中氣液傳質(zhì)系數(shù)隨功率的變化

圖11超聲微反應(yīng)器中氣液傳質(zhì)強(qiáng)化的機(jī)理

超聲疏浚

將超聲引入微反應(yīng)器中，不僅是有效強(qiáng)化流體混合與傳質(zhì)的手段，也是一種通用性強(qiáng)、有效性高、能防止和疏浚堵塞的方法。事實上，在傳統(tǒng)設(shè)備中，超聲已被廣泛應(yīng)用于清洗各種零件和管道表面的污垢、顆粒、堵塞物等；實驗室常用的超聲清洗機(jī)就是一個很好的例子?；诖?，一些學(xué)者和工程師開始把超聲引入到微反應(yīng)器中，以預(yù)防和疏浚微通道的堵塞。Hartman等將PFA毛細(xì)管（內(nèi)徑500～1000μm）微反應(yīng)器浸沒于超聲清洗槽中，考察超聲輻射對芳基氯的氨基化反應(yīng)（伴有氯化鈉晶體的析出）堵塞情況的影響。研究表明，未加超聲時，反應(yīng)器的壓降數(shù)分鐘內(nèi)開始急劇上升，10min左右完全堵塞；施加超聲時，微反應(yīng)器的壓降一直維持穩(wěn)定，可平穩(wěn)運行數(shù)小時。若關(guān)閉超聲清洗機(jī)，發(fā)現(xiàn)壓降不久后急劇上升，直到反應(yīng)器堵塞。Noёl等將該方法用于多種不同底物的氨基化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)超聲清洗槽均能有效防止副產(chǎn)物晶體的堵塞。

Horie等將超聲和分段流兩種方法結(jié)合，以防止光二聚反應(yīng)過程的堵塞。該反應(yīng)過程中順丁烯二酸酐（MA）在光催化下二聚成為CBTA；CBTA與常用的有機(jī)溶劑均不相溶，反應(yīng)過程中以沉淀形式析出。為了防止CBTA沉淀物堵塞毛細(xì)管微反應(yīng)器，在入口處通入一股氮氣，使反應(yīng)器中形成氣-液兩相流，以減弱沉淀物對管壁的黏附。同時，將光化學(xué)毛細(xì)管反應(yīng)器置于超聲清洗槽中，利用超聲空化作用進(jìn)一步防止堵塞。研究表明，該系統(tǒng)能連續(xù)穩(wěn)定運行16h以上。Castro等將該方法成功用于羥基磷灰石納米顆粒的合成過程，發(fā)現(xiàn)超聲還能防止顆粒的團(tuán)聚，使納米顆粒的粒徑分布更均勻。

Dong等利用其開發(fā)的高效大功率超聲微反應(yīng)器，以兩個固體顆粒形態(tài)和粒徑不同的易堵塞過程——碳酸鋅沉淀反應(yīng)和硫酸鋇合成過程為例，來研究超聲疏浚堵塞的效果。硝酸鋅和碳酸鈉反應(yīng)生成碳酸鋅的沉淀反應(yīng)過程中，如圖12所示，未加超聲時反應(yīng)器的壓降波動很大，頻繁出現(xiàn)陡峰，直至完全堵塞；碳酸鋅沉淀物為無定形的絮狀團(tuán)塊，推斷該堵塞過程以橋連主導(dǎo)。通道堵塞時施加超聲，發(fā)現(xiàn)壓力立即恢復(fù)穩(wěn)定、反應(yīng)器疏浚?？梢姵暷苡行杩：皖A(yù)防碳酸鋅沉淀過程的堵塞。高速攝像實驗表明，超聲疏浚堵塞的機(jī)理為空化氣泡的劇烈運動和攪拌作用。氯化鋇與硫酸鈉反應(yīng)合成硫酸鋇過程中，反應(yīng)器的壓降持續(xù)平滑上升，直至完全堵塞；硫酸鋇沉淀物主要為多晶顆粒，粒徑小且相互黏附性較弱，推斷該堵塞過程以縮窄機(jī)理主導(dǎo)：小顆粒緩慢沉積于通道壁面，使通道的有效流通尺寸逐漸縮窄。超聲施加后，壁面沉積的顆粒被空化作用逐漸剝離，堵塞被疏浚。根據(jù)TEM表征結(jié)果，超聲作用后硫酸鋇顆粒變得更小、更均勻，形貌也從樹枝狀團(tuán)塊變?yōu)轭惽蛐晤w粒。這主要歸結(jié)于超聲空化作用對微觀混合、停留時間分布的強(qiáng)化，以及對粒子團(tuán)聚的抑制。

圖12碳酸鋅沉淀反應(yīng)過程中壓降隨時間的變化曲線

4總結(jié)與展望

微反應(yīng)器和聲化學(xué)技術(shù)都是化工過程強(qiáng)化的重要手段。研究表明超聲可以有效強(qiáng)化微反應(yīng)器中的混合、多相傳質(zhì)以及防止堵塞等，微反應(yīng)器也具有增加聲場均勻性、調(diào)控聲空化過程的優(yōu)勢。聲化學(xué)微反應(yīng)器——將微反應(yīng)器和聲化學(xué)這兩個過程強(qiáng)化技術(shù)的協(xié)同結(jié)合，利用彼此之優(yōu)勢以解決彼此之劣勢，是過程強(qiáng)化方法和設(shè)備的發(fā)展方向。

雖然已有研究驗證了“聲化學(xué)微反應(yīng)器”理念的有效性和優(yōu)越性，但在機(jī)理分析和應(yīng)用方面仍有待深入。超聲空化過程中表界面時空尺度現(xiàn)象和理論是實現(xiàn)并優(yōu)化超聲強(qiáng)化的基礎(chǔ)，需要進(jìn)行深入研究和探索。超聲空化過程存在顯著的介尺度行為，深入開展聲空化過程氣泡界面介尺度結(jié)構(gòu)形成、演變與調(diào)控機(jī)理，探明超聲微反應(yīng)器中介尺度結(jié)構(gòu)對傳遞-反應(yīng)耦合的作用機(jī)制，研究開發(fā)超聲微反應(yīng)系統(tǒng)中化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)化及新工藝過程，提出相關(guān)反應(yīng)過程調(diào)控的新方法和新途徑，為實現(xiàn)反應(yīng)過程強(qiáng)化和發(fā)展新型高效的反應(yīng)工藝提供理論基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)鏈接：DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20171366

（文章來源:董正亞 陳光文 趙帥南 袁權(quán)《聲化學(xué)微反應(yīng)器——超聲和微反應(yīng)器協(xié)同強(qiáng)化》科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）

關(guān)鍵詞：微反應(yīng)器；超聲；微流體；混合；傳質(zhì)；介尺度