超声微反应器内的空化致乳效应

摘要

微通道内液液互不相溶两相体系在液液萃取,相转移催化,乳液制备等领域具有广泛的潜在应用前景.相较于常规尺度的液液两相流体流动过程,微通道内两相流体界面张力成为控制因素,对两相流体的充分混合提出了挑战.为了高效的强化两相流体的混合、传质过程,将微反应器与夹心式换能器直接耦合、形成一个纵向半波振子的超声微反应器结构.微反应器板位于波腹,振动位移最大.压电片位于波节,振动位移最小.通过ANSYS软件模拟分析,声场分布与设计的半波振子相符.为了验证超声微反应器的混合强化效果与机制,使用水-辛烷体系进行表征.空化气泡在水-辛烷两相界面振动时，将会导致严重的空化致乳效应，促进不相溶两相间的混合。辛烷相中的空化气泡在超声场的作用下受到声压辐射力的作用，并不会立即随辛烷向通道的下游流动，而会接触并穿过水-辛烷相界面。穿过液液界面后，由于水-气界面张力大于水-油界面张力与油-气界面张力之和，辛烷会在空化气泡表面形成一层油膜，产生水包油包气的双层乳液结构。当超声强度较低时，空化气泡的振动强度不足以将油膜震碎，油膜将会包覆气泡，直到再次接触水-油界面。随着超声强度的增高，空化气泡的振动愈发强烈，油膜在空化气泡的振动下分散成小的油滴并逐步分布在水相中，形成水包油的乳液。由于空化致乳效应的存在，不互溶水油两相混合被强化。