一种用于卤代烃脱卤素的曲折式微反应器论文和设计-邓鲁豫

全文摘要

本实用新型涉及纳流体领域，具体公开了一种用于卤代烃脱卤素的曲折式微反应器，包括入料口、加热通道、第一弧形通道、第一反应直通道、第二弧形通道、第二反应直通道、第三弧形通道、第三反应直通道、第四弧形通道、第四反应直通道、第五弧形通道、第五反应直通道、第六弧形通道、冷却通道、出料口组成。本实用新型设计了一种曲折式微反应器，在反应直通道壁上镀铂表面的催化作用下，使得溶液中的卤代烃在通过反应直通道时发生脱卤反应，从而达到预期的效果。本实用新型的主要优势在于：利用金属铂作为催化剂，反应效率高；将铂镀在反应通道壁表面，利用表面化学反应的方法，使得溶液不会被铂元素污染；本设计可应用于海水淡化、溶液检测等领域。

主设计要求

1.一种用于卤代烃脱卤素的曲折式微反应器，包括入料口（1）、加热通道（2）、第一弧形通道（3）、第一反应直通道（4）、第二弧形通道（5）、第二反应直通道（6）、第三弧形通道（7）、第三反应直通道（8）、第四弧形通道（9）、第四反应直通道（10）、第五弧形通道（11）、第五反应直通道（12）、第六弧形通道（13）、冷却通道（14）、出料口（15）组成。

设计方案

2.根据权利要求1所述的曲折式微反应器，其特征在于入料口（1）为长30微米、宽30微米、高10微米的方形结构，中心位置有圆形接口用于连接外接管道，其上端与加热通道（2）相互连接，加热通道为长40微米、宽10微米、高10微米的矩形通道，加热通道壁上装有加热片可对流入液体进行加热，其上端与第一弧形通道（3）连接。

3.根据权利要求1所述的曲折式微反应器，其特征在于所述的第一反应直通道（4）、第二反应直通道（6）、第三反应直通道（8）、第四反应直通道（10）、第五反应直通道（12）均为长80微米、宽10微米、高10微米的矩形通道，其上端分别连接第一弧形通道（3）、第三弧形通道（7）、第五弧形通道（11），其通道壁表面的金属铂为脱卤反应提供催化作用，其下端与第二弧形通道（5）、第四弧形通道（9）、第六弧形通道（13）相互连接。

4.根据权利要求1所述的曲折式微反应器，其特征在于所述的第一弧形通道（3）、第二弧形通道（5）、第三弧形通道（7）、第四弧形通道（9）、第五弧形通道（11）、第六弧形通道（13）均为外圆半径20微米，内圆半径10微米、高10微米的弧形通道，其作用是连接加热通道（2）、各个反应直通道、冷却通道（14）形成曲折式结构，同时缓冲装置中的流体流速。

5.根据权利要求1所述的曲折式微反应器，其特征在于所述的出料口（15）与入料口（1）尺寸相同，中心位置有圆形接口用于连接外接管道，其下端与冷却通道（14）相互连接，冷却通道为长40微米、宽10微米、高10微米的矩形通道，通道壁上装有冷却装置，其下端与第六弧形通道（13）相互连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于微流控领域，涉及一种新型的用于卤代烃脱卤素的曲折式微反应器。

背景技术

微流控技术是一种以在微米尺度空间对流体进行操作为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个极小尺度芯片上的能力，因此又被称为芯片实验室，微流控芯片为人类提供了一种微小但又能操控全局的工具，随着社会的不断发展与进步，在电化学、海水淡化、DNA测序等诸多领域都会用到微流控芯片技术。

表面化学反应是一门关于固体和液体表面或相界面的物理和化学性质的学科，通过溶质在溶液表面上的吸附和分凝、液体在固体表面上的浸润、气体在固体表面上的吸附等反应来阐明表面化学键的性质及其与表面物理、化学性质间的联系。随着与固体表面有关的一些重要的技术领域，如固体材料、器件，多相催化等进一步发展的需要，在固体理论的发展，超高真空和电子检测技术的进步，以及在原子尺度上进行固体表面分析的技术和设备的开发，表面化学成为了现阶段越来越热门的研究方向。

从碳氢化合物中去除卤素基团是海水淡化、有机合成、重金属检测等化学反应过程中的一个重要反应步骤，我们通常使用铂或钯等金属元素作为催化剂，来促使碳原子和卤素原子之间的化学键断裂，从而达到卤代烃脱除卤素生成烃化物的效果。

发明内容

本实用新型的目的在于设计一种新型微尺度下的曲折式微反应器，通过表面化学反应来提高卤代烃脱除卤素的效率，并降低该反应过程的工艺成本。

本实用新型采用的技术方案是：一种用于卤代烃脱卤素的曲折式微反应器，包括入料口、加热通道、第一弧形通道、第一反应直通道、第二弧形通道、第二反应直通道、第三弧形通道、第三反应直通道、第四弧形通道、第四反应直通道、第五弧形通道、第五反应直通道、第六弧形通道、冷却通道、出料口组成。入料口上端连接加热通道，加热通道另一端连接第一弧形通道；五个反应直通道阵列排布，相互之间间隔10微米，并与六个弧形通道相互连接组成曲折式结构；第六弧形通道连接冷却通道，冷却通道另一端连接出料口。

所述的曲折式微反应器的特征在于：当卤代烃溶液通过入料口进入反应器时，先经过加热通道对溶液进行加热，以提高溶液内部卤代烃分子的活化能使其更容易发生脱卤反应。加热后的溶液通过第一弧形通道进入第一反应直通道，在反应直通道中卤代烃分子在通道壁表面金属铂的催化作用下发生脱卤反应生成烃化物，经过五个反应直通道脱卤后的溶液通过第六弧形通道进入冷却通道进行冷却，最终脱卤后的溶液从出料口送出。

本实用新型的收益在于：结构简单，利用表面催化反应效果更好，生产成本低且易于实现。本设计利用的是一种表面化学反应的方法来实现，通过将作为反应催化剂的铂镀在反应直通道壁上，增大了卤代烃分子与催化剂铂的接触面积，提高了脱卤反应的反应效率，同时也防止了催化剂对溶液的污染；通过加热通道对溶液加热的方法来提高溶液中各个分子的活化能，使得脱卤反应速率加快，同时也保证了脱卤反应更加彻底。由于本设计利用的是催化剂催化卤代烃发生脱卤反应，受环境影响小，适合于更广泛的应用空间。

附图说明

图1为用于卤代烃脱卤素的曲折式微反应器结构示意图。

图2为用于卤代烃脱卤素的曲折式微反应器各结构尺寸图。

图中：a为入料口与出料口的长度，其数值为30微米；b为加热通道与冷却通道的长度，其数值为40微米；R1为弧形通道内径，其数值为10微米；R2为弧形通道的外径，其数值为20微米；c为反应直通道的长度，其数值为80微米。

图3为该反应器中卤代烃以及各生成物浓度随时间变化的曲线图。

具体实施方式

本实用新型采用了一种曲折式结构来实现高效快速的脱卤反应如图1所示，这种用于卤代烃脱卤素的曲折式微反应器的结构由入料口、加热通道、第一弧形通道、第一反应直通道、第二弧形通道、第二反应直通道、第三弧形通道、第三反应直通道、第四弧形通道、第四反应直通道、第五弧形通道、第五反应直通道、第六弧形通道、冷却通道、出料口组成。入料口上端连接加热通道，加热通道另一端连接第一弧形通道；五个反应直通道阵列排布，相互之间间隔10微米，并与六个弧形通道相互连接组成曲折式结构；第六弧形通道连接冷却通道，冷却通道另一端连接出料口。

在该微反应器的入料口处通入卤代烃溶液到反应器中，先经过加热通道对溶液进行加热，以提高溶液内部卤代烃分子的活化能使其更容易发生脱卤反应。加热后的溶液通过弧形通道进入反应直通道，在反应直通道中卤代烃分子在通道壁表面金属铂的催化作用下发生脱卤反应生成烃化物，经过五个反应直通道脱卤后的溶液通过第六弧形通道进入冷却通道进行冷却，最终脱卤后的溶液从出料口送出。

如图2所示,所述的五个反应直通道阵列排布，每个纳米通道间隔10微米，由六个弧形通道连接成曲折式结构；这种曲折式结构的优势在于，弧形通道可以缓冲流体的流速使其在反应直通道中的反应更充分，反应直通道部分长80微米，每个反应通道壁上都有镀铂涂层，大大提高了脱卤反应的效率，并且可以防止溶液被产物外的元素污染。

如图3所示，初始时溶液中只含有卤代烃，随着时间增大溶液中的卤代烃含量快速下降，通过脱卤反应生成的两种烃化物浓度不断上升，这体现出了本设计脱卤效果十分显著；当时间达到0.6s左右时，溶液中的卤代烃基本已经完全反应，同时两种生成物的浓度也趋于稳定，这说明了利用该微反应器进行卤代烃脱卤反应具有极高的效率。如上述所言，本设计在海水淡化、溶液检测、电化学等领域将会有更广泛的应用。

设计图

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