Báo cáo tiểu luận Đề tài tổng quan về thiết bị micro reactors trong công nghiệp

Hình dạng lò phản ứng được thiết kế bằng cách sử dụng phân tích ứng suất kéo để đảm bảo độ ổn định dòng chảy thích hợp trong các phản ứng đã được báo cáo Koreniuk, A.. Như đã chỉ ra ở tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

- -

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

Đề tài : TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ MICRO

REACTORS TRONG CÔNG NGHIỆP

Tp.Hồ Chí Minh , Tháng 10/2023

GVHD : TS Nguyễn Cao Hiền SVTH : NHÓM 5

1 Thiều Quang Thanh-2004224673

2 Nguyễn Kim Ngân-2004210273

3 Phạm Nguyễn Phương Ngọc-2004223083

4 Lê Nguyễn Minh Tâm-2004223300

5 Nguyễn Thị Yến Nhi-2004223336

6 Lâm Nguyễn Nghỉ-2004223014

7 Hồ Quý-2004217737

8 Lê Thanh Phước Nghĩa-2004210421

i

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Trường Đại học Công Thương Tp.Hồ Chí Minh đã đưa bộ môn Hóa học xanh vào chương trình giảng dạy Đặc biệt, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giảng viên khoa Công nghệ Hóa học - bộ môn Công nghệ Hữu Cơ – thầy Nguyễn Cao Hiền Chính thầy là người đã tận tình dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt học kỳ vừa qua Trong thời gian tham dự lớp học của thầy, chúng em đã được tiếp cận với nhiều kiến thức bổ ích và rất cần thiết cho quá trình học tập, làm việc sau này của chúng em

Bộ môn Hóa học xanh là một môn học thú vị và vô cùng bổ ích Tuy nhiên, những kiến thức và kỹ năng về môn học này của chúng em vẫn còn nhiều hạn chế Do đó, bài tiểu luận của chúng em khó tránh khỏi những sai sót Kính mong thầy xem xét và góp ý giúp bài tiểu luận của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2023

Nhóm SVTH ( Ký và ghi rõ họ tên )

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Nhóm sinh viên gồm :

1 Thiều Quang Thanh-2004224673

2 Nguyễn Kim Ngân-2004210273

3 Phạm Nguyễn Phương Ngọc-2004223083

4 Lê Nguyễn Minh Tâm-2004223300

5 Nguyễn Thị Yến Nhi-2004223336

6 Lâm Nguyễn Nghỉ-2004223014

7 Hồ Quý-2004217737

8 Lê Thanh Phước Nghĩa-2004210421 Nhận xét :

………

………

………

………

………

Điểm đánh giá: ………

………

………

………

………

Ngày ……….tháng ………….năm 2023

( ký tên, ghi rõ họ và tên)

TS Nguyễn Cao Hiền iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU iv

TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ MICRO CREACTORS 1

1 Giới thiệu 1

2 Phân loại 1

2.1 Lò phản ứng vi mô đồng nhất 1

2.2 Lò phản ứng vi mô không đồng nhất 2

2.3 Lò phản ứng vi mô có mục đích đặc biệt 2

2.3.1 Vi phản ứng màng rơi 3

2.3.2 Vi phản ứng màng 3

2.3.3 Lò phản ứng vi mô dạng giường đóng gói siêu nhỏ 3

2.3.4 Lò phản ứng vi ống trong ống 4

3 Vận hành lò phản ứng vi mô sử dụng điều khiển điện động 4

3.1 Dòng điện thẩm thấu (EOF) và điện li 4

3.2 Kiểm soát tính di động của thuốc thử trong mạch kênh 6

3.3 Trộn thuốc thử và phản ứng hóa học trong lò phản ứng 10

4 Các phản ứng được thực hiện trong lò phản ứng 13

4.1 Phản ứng pha lỏng 13

4.2 Phản ứng xúc tác 19

4.3 Phản ứng pha khí (kiểm tra tên hóa chất và tên tiếng Anh) 21

5 Kết luận 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Hình 1.Chuyển động do điện áp của lớp cation khuếch tán được hấp phụ ở thành kênh tích điện âm (hình bên trái) tạo ra đường cong vận tốc EOF phẳng trên kênh ngoại trừ bên trong lớp phản khuếch tán dày nm (hình bên phải) 4 Hình 2 Mạng lưới kênh tiếp giáp chữ T kép và dòng chảy-bơm-dòng cần thiết để đạt được lượng 7 Hình 3 Mạch DC được sử dụng để điều khiển mạng kênh trong Hình 1 Điện áp hồ chứa (điện trở về đất ở D) là VA, VB và x và y biểu thị các điểm nối kênh Dòng điện trong tiết diện kênh Ax là IA, tiết diện Bx là IB tiết diện Cy là IC, tiết diện xy id (IA+IB) và tiết diện yD

là (IA+IB+IC) 8 Hình 4 Sơ đồ minh họa của dòng điện so với VA đối với VB và VC đều được đặt thành

200 V Dữ liệu đề cập đến mạng lưới kênh trong Hình 1 chứa đầy 50% thể tích ethanol/nước chứa dung dịch đệm photphat 35 mM ở độ pH 7,5 9 Hình 5 Biểu đồ 3D về nồng độ thuốc nhuộm so với vị trí trong điểm nối chữ T Dung dịch thuốc nhuộm đi vào từ bên trái và được kết hợp với dung môi đi vào từ bên phải Tốc

độ dòng chảy xuống 'chân' của T là 0,48 mm s-1 Phân tích chi tiết về độ mở rộng khuếch tán của giao diện thuốc nhuộm-dung môi được xem khi các dòng tầng di chuyển xuống kênh (tương ứng với các khối khác nhau sau khi tiếp xúc) mang lại hệ số khuếch tán của thuốc nhuộm (trong ví dụ này là 1,0*10-10m2s-1) 10 Hình 6 Ảnh chụp nhanh thời gian ở 0, 10 và 20 giây của biểu đồ nồng độ của chất phản ứng X (đỏ) và Y (đen) và sản phẩm Z (xanh lam) Biểu đồ trên cùng hiển thị cấu hình ban đầu của một phần tử hình chữ nhật X trong luồng Y, có tâm ở vị trí kênh = 0 Các ô bên trái tương ứng với v 0, 05 mm s với vp của tất cả các loài-0 (chỉ trộn khuếch tán) Các đồ thị bên phải tương ứng với ver 0,05 mm s và Vph (X)=0, Vph (Y)=0,76 mm s và Vph (Z)=0,23 mm's Trong trường hợp này, sự trộn lẫn của X và Y xảy ra chủ yếu do vận tốc điện di khác nhau 13 Hình 7 So sánh cấu hình tập trung mô phỏng (đường liền nét) và đo được (điểm dữ liệu)

về phản ứng giữa Ni và một phần của phối tử PADA (màu đỏ) để tạo thành phức hợp ion NiPADA2+ (màu đen) (màu xanh) ở cạnh đuôi của sên PADA Cấu hình nồng độ của PADA màu và các loài phức tạp được xác định bằng cách phân tích hình ảnh video số hóa Cấu hình nồng độ tương ứng với 10 (ô trên) và 70 giây (ô dưới) sau khi tiêm sên PADA 13

TS Nguyễn Cao Hiền v

DANH SÁCH HÌNH VẼ, BẢNG

Sơ đồ 1 14

Sơ đồ 2 14

Sơ đồ 3 15

Sơ đồ 4 15

Sơ đồ 5 16

Sơ đồ 6 16

Sơ đồ 7 17

Sơ đồ 8 17

Sơ đồ 9 18

Sơ đồ 10 18

Sơ đồ 11 18

Sơ đồ 12 19

Sơ đồ 13 20

Sơ đồ 14 20

Sơ đồ 15 21

Sơ đồ 16 22

Sơ đồ 17 22

Sơ đồ 18 22

Sơ đồ 19 23

Sơ đồ 20 24

Sơ đồ 21 24

Sơ đồ 22 24

Bảng 1 Các phản ứng được tiến hành trong lò phản ứng vi mô 25

TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ MICRO CREACTORS

1 Giới thiệu

Lò phản ứng vi mô là một trong những thành phần chính của công nghệ tăng cường quy trình tập trung vào việc giảm khối lượng và thời gian thiết bị để thực hiện các phản ứng hóa học với cấu hình lò phản ứng và hiệu suất quy trình được cải thiện Thiết kế

lò phản ứng vi mô dựa trên các biến số của quy trình như áp suất, nhiệt độ, tốc độ truyền nhiệt và khối lượng cũng như các yếu tố cơ học như kích thước kênh vi mô, diện tích giao diện cụ thể có sẵn, phương pháp chế tạo và phụ trợ Các lò phản ứng vi mô có mục đích đặc biệt được phát triển cho các phản ứng xúc tác và đa pha sẽ được nghiên cứu sâu hơn trong bài tổng quan

Các lò phản ứng nhỏ có thể được phân loại thành những đồng nhất và đồng nhất dựa trên số giai đoạn liên quan đến phản ứng Các lò phản ứng vi mô đồng nhất chỉ liên quan đến một pha, trong khi các lò phản ứng vi mô không đồng nhất liên quan đến hai hoặc nhiều giai đoạn

Các lò phản ứng vi mô đồng nhất liên quan đến phản ứng trong một pha, thường là chất lỏng hoặc khí Ví dụ bao gồm lò phản ứng bể chứa và lò phản ứng plug Mặt nạ phản ứng không đồng nhất, liên quan đến phản ứng giữa hai hoặc nhiều giai đoạn, như các phản ứng lỏng lỏng, lỏng và chất lỏng

Ví dụ bao gồm lò phản ứng giường cố định và lò phản ứng giường lỏng Sự lựa chọn của lò phản ứng phụ thuộc vào phản ứng cụ thể và kết quả mong muốn

2 Phân loại

Các lò phản ứng vi mô thường có thể được phân loại thành loại đồng nhất và không đồng nhất dựa trên các giai đoạn khác nhau liên quan đến phản ứng Chúng có thể được hiểu là một giải pháp thay thế cho các lò phản ứng thông thường như lò phản ứng dòng hỗn hợp (bể khuấy) hoặc lò phản ứng dòng chảy dạng nút Hình 4 mô tả sự phân loại rộng rãi các lò phản ứng vi mô tùy thuộc vào hình dạng cơ học, đặc điểm dòng chảy

và loại phản ứng (Keybl, J., 2011; Jensen, Klavs F., 2005; Kumar, V et al, 2011; Pohar,A& Plazl, I, 2009; Wirth, T., 2013)

2.1 Lò phản ứng vi mô đồng nhất

Thông thường, các kênh vi mô cong có bán kính bên trong là 200 µm, chiều dài kênh là 1600 mm và thể tích phản ứng là 260 µL hiện được coi là kích thước phù hợp cho các lò phản ứng đồng nhất Hình dạng lò phản ứng được thiết kế bằng cách sử dụng phân tích ứng suất kéo để đảm bảo độ ổn định dòng chảy thích hợp trong các phản ứng đã được báo cáo (Koreniuk, A et al., 2015) Nó liên quan đến quá trình este hóa axit axetic với n-butanol với sự có mặt của các nhóm axit arenesulphonic ở 60oC trong các lò phản ứng vi

mô dựa trên nguyên khối silicon Các kênh vi mô có chiều dài 1000 mm được chế tạo dưới dạng lỗ lớn và lỗ siêu nhỏ có đường kính từ 30 đến 50 µm, sử dụng kỹ thuật khắc hóa học Đã thu được thời gian lưu là 155 giây với hệ số tăng cường ~ 180 so với các lò phản ứng thông thường cho tốc độ dòng chảy cao lên tới 90ml/phút

TS Nguyễn Cao Hiền 2

2.2 Lò phản ứng vi mô không đồng nhất

Song song đó, các kênh vi mô ngắn có chiều dài 300 mm, độ sâu 400 µm và các đầu vào riêng biệt rộng 200 µm để nạp chất phản ứng và chất xúc tác (Marre, S et al., 2010) Các tấm wafer silicon-Pyrex dày được khắc ở độ sâu 400 µm Lò phản ứng bao gồm hai vùng, vùng phản ứng và vùng trộn được phân tách bằng vùng quầng có độ dày thành rất thấp để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa chúng khi thông lượng nhiệt tổng thể giảm Các chất phản ứng trải qua quá trình trộn ở vùng nhấp nhô (ống dẫn đầu vào có điểm nối chữ T) và được nung nóng đến nhiệt độ cao Kích thước bong bóng ngắn và sên lỏng cho phép tốc độ truyền khối lượng cao hơn bên trong các kênh vi mô Phản ứng xảy

ra ở điều kiện đẳng nhiệt trong vùng phản ứng và sau đó được làm lạnh trong vùng làm nguội

Gần đây, nỗ lực thực hiện phản ứng lỏng-lỏng được xúc tác bằng axit ở nhiệt độ cao hơn và đường kính kênh giảm thiểu đã được sử dụng cho các phản ứng hai pha (xúc tác không đồng nhất) Giới hạn trên của thể tích nạp chất xúc tác là 29 µL và các đập riêng biệt (40 x 20 µm) được sử dụng để giữ chất xúc tác trong dòng chảy của kênh Một đầu vào bổ sung cho pha khí được cung cấp để tách dòng hai pha Vùng được làm nóng

có thể kéo dài tới 47 mm tùy thuộc vào độ dài của vùng quầng được khắc giữa các kênh silicon Một số điểm nối nhất định được hình thành với phần đa dạng cho mỗi đầu vào để cho phép giảm áp suất thấp hơn trên các kênh và mang lại độ ổn định dòng chảy cao hơn Đối với xúc tác không đồng nhất, sự hiện diện của các chất xúc tác rắn dưới dạng lớp đóng gói bao phủ 60% chiều dài kênh tạo ra độ giảm áp suất bổ sung thấp hơn so với áp suất trên các kênh Sau khi phản ứng xảy ra, sản phẩm chảy nhỏ giọt qua một đầu ra duy nhất mà không cần tiến hành thêm nữa

Tốc độ dòng chảy thấp hơn và biên dạng cong cho màng chất lỏng được hình thành đảm bảo truyền khối lượng lớn bên trong các kênh Kiểu dòng chảy chiếm ưu thế là màng rơi hoàn toàn trên bề mặt phẳng và hệ số truyền khối phía chất lỏng (kL) phần lớn phụ thuộc vào khuếch tán phân tử Các mối liên kết dòng khí (Keybl, J., 2011)

Lò phản ứng không đồng nhất đã được thiết kế hiệu quả để cải tạo hydrocarbon bằng hơi nước (Cao, C và cộng sự, 2005) Lò phản ứng có lợi thế nhờ chất xúc tác có kích thước micron và kênh vi mô riêng lẻ về tốc độ phản ứng nhanh hơn Thiết kế của nó nhằm mục đích giảm số lượng kênh vi mô đầu vào và chiều dài của chúng chịu nhiệt độ cao Cụ thể đối với cải tạo khí mêtan ở áp suất 4 atm, 850℃ (sử dụng hệ thống kiểm soát

áp suất và nhiệt độ) với sự có mặt của chất xúc tác FeCrAlY và thời gian phản ứng gần 14

ms, hiệu suất chuyển hóa khí mêtan cao đạt 93% Hiệu suất của lò phản ứng là sự phân bố kích thước lỗ rỗng của màng và mô hình dòng chảy dọc trục; chúng được sử dụng để đánh giá số Bodenstein (Bo) nhằm xác định phân bố thời gian cư trú của mô-đun lò phản ứng (Kockmann, N., 2008; Westermann, T., 2009) Nhược điểm chính của lò phản ứng vi

mô màng là độ chọn lọc sản phẩm thấp hơn, độ giảm áp suất cao hơn trong điều kiện mở rộng

2.3 Lò phản ứng vi mô có mục đích đặc biệt

Lò phản ứng vi mô cũng đã được phát triển bằng cách tích hợp khía cạnh công nghệ bổ sung dành riêng cho một ứng dụng cụ thể như lò phản ứng vi mô màng rơi, lò

phản ứng vi màng, lò phản ứng vi mô tầng đóng gói và lò phản ứng vi ống trong ống Chúng được mô tả ngắn gọn trong các phần dưới đây

2.3.1 Vi phản ứng màng rơi

Lò phản ứng vi mô màng rơi (FFMR) là loại lò phản ứng vi mô phổ biến nhất cho các phản ứng khí-lỏng (Pohar & Plazl, 2009) Nguyên lý làm việc cơ bản là sự hình thành màng mỏng nhờ pha lỏng làm ướt được hỗ trợ bởi trọng lực trên bề mặt rắn Đối với các

vi kênh dài, có thể có một khe ở phía đầu vào để phân phối dòng chảy tốt hơn Các mô hình dòng chảy cụ thể là (i) Dòng chảy suối (ii) Màng rơi với các mảng khô (iii) Dòng màng rơi hoàn toàn đã được quan sát (Wirth, T., 2013; Zhang, H et al., 2009) Một FFMR điển hình sử dụng chất nền bằng thép không gỉ hoặc polymethylmethacrylate (PMMA) làm vật liệu tường cho các ứng dụng áp suất cao Để mở rộng quy mô FFMR,

kỹ thuật đánh số đơn giản hoặc biến thể trong hình dạng kênh là quá trình tiếp xúc chất lỏng dựa trên Lý thuyết thâm nhập màng về truyền khối dẫn đến thời gian lưu trú thấp Theo đó, hệ số truyền khối được tính như sau:

Đạt được hệ số truyền nhiệt cao hơn (>105 W/m2K) do chiều dài vi kênh ngắn Tại các lỗ màng, sự truyền nhiệt dẫn tỷ lệ thuận với sự tăng tốc độ dòng chảy dẫn đến điều kiện đẳng nhiệt Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quy mô (bằng cách xếp chồng nhiều mô-đun màng) và các vấn đề tắc nghẽn

2.3.3 Lò phản ứng vi mô dạng giường đóng gói siêu nhỏ

Đặc điểm quan trọng của loại lò phản ứng vi mô này là việc sử dụng các chất xúc tác vi xốp làm lớp đệm mang lại tốc độ phân tán lớn hơn Thiết kế lò phản ứng bao gồm các đầu vào riêng biệt với các ống góp cho pha khí và lỏng, buồng phản ứng bao gồm nhiều kênh vi thủy tinh silicon có kích thước 20 mm x 25 µm mỗi kênh, các bộ lọc vi mô đầu ra để giữ chất xúc tác và bộ gia nhiệt hộp mực làm thiết bị kiểm soát nhiệt độ (Losey,

M W và cộng sự, 2001) Việc nạp hàng loạt chất xúc tác ở dạng vi cầu, hạt hoặc dạng bột được thực hiện trong quá trình vận hành lò phản ứng vi mô liên tục Kích thước hạt

TS Nguyễn Cao Hiền 4

xúc tác được sử dụng trong các lò phản ứng vi mô này nằm trong khoảng từ 50 đến 75 µm

để đạt được tỷ lệ bề mặt trên thể tích tối đa là 16.000 m2/m3 (Wirth, T., 2013)

Loại lò phản ứng vi mô này phù hợp cho xúc tác không đồng nhất và phản ứng đa pha Điều này đã được triển khai thay cho các lò phản ứng nhỏ giọt thông thường để hydro hóa cyclohexene nhằm đạt được tốc độ truyền khối gần như gấp đôi (Losey, M W

và cộng sự, 2001) Đối với dòng chảy đồng thời có vận tốc cao hơn ở các pha khác nhau,

sự truyền khối chủ yếu xảy ra bằng cách khuếch tán qua bề mặt xúc tác vi mô Sự gia tăng

độ giảm áp suất do lớp đệm siêu nhỏ dẫn đến yêu cầu về mật độ công suất đầu vào cao hơn (tính bằng kW/m3 thể tích lò phản ứng) Những hạn chế khác của lò phản ứng vi mô tầng đóng gói bao gồm tính không ổn định của dòng chảy ở tốc độ dòng chảy thấp do hình thành bong bóng trên bề mặt chất xúc tác vi xốp, phân phối hạt xúc tác không đúng cách và các vấn đề về cặn

2.3.4 Lò phản ứng vi ống trong ống

Lò phản ứng vi mô dạng ống trong ống là một cải tiến thiết kế mới so với các lò phản ứng vi mô khác với sự ra đời của cấu trúc vi xốp bên trong đồng trục với kênh vi mô bên ngoài (Chen, J F và cộng sự, 2011) Cấu trúc vi mô được làm từ lưới thép không gỉ

để tạo ra diện tích tiếp xúc cao Ví dụ, nếu khí đi qua các lỗ siêu nhỏ của ống bên trong thì

có thể đạt được sự tác động của khí lên dòng chất lỏng ở phần hình khuyên với vận tốc cao Đối với các phản ứng khí lỏng, cấu trúc bên trong xốp vi mô dựa trên màng cũng đã được sử dụng liên quan đến quá trình khuếch tán khí một chiều (Wirth, T., 2013)

Độ dày của màng chất lỏng, tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt có sẵn và dựa trên tốc

độ dòng pha lỏng, xác định đặc tính truyền khối khí-lỏng trong lò phản ứng vi ống trong ống Cấu trúc vi mô cho phép tạo ra bọt khí nhỏ hơn với số lượng lớn, dẫn đến hệ số truyền khối được nâng cao trên diện tích bề mặt rộng hơn Một ví dụ gần đây ước tính hệ

số tăng cường là 60 về thông lượng dòng chảy trong lò phản ứng vi mô dạng ống trong ống khi so sánh với các lò phản ứng vi mô khác về khả năng hấp thụ khí CO2 trong nước (Chen, J F và cộng sự, 2011)

3 Vận hành lò phản ứng vi mô sử dụng điều khiển điện động

3.1 Dòng điện thẩm thấu (EOF) và điện li

Việc bơm các dung dịch xung quanh mạng kênh bằng EOF sử dụng điện áp được cung cấp thông qua các điện cực đặt trong bể chứa có một số lợi thế đáng kể so với các phương pháp bơm thay thế Nó có thể

được thu nhỏ dễ dàng vì không có bộ

phận chuyển động cơ học nào tham

gia và các chuỗi điện áp cần thiết có

thể dễ dàng được áp dụng dưới sự

điều khiển tự động của máy tính Đối

với lò phản ứng vi mô thủy tinh, bề

mặt tiếp xúc giữa thành kênh và dung

dịch thường có điện tích âm, phát sinh

từ quá trình ion hóa các nhóm bề mặt

bất động Điện tích bề mặt cố định

này thu hút một lớp khuếch tán (có độ

Hình 1.Chuyển động do điện áp của lớp cation khuếch tán được hấp phụ ở thành kênh tích điện âm (hình bên trái) tạo ra đường cong vận tốc EOF phẳng trên kênh ngoại trừ bên trong lớp phản khuếch tán dày nm (hình bên phải)

dày cỡ nm) của các ion âm di động, mang điện tích trái dấu trong dung dịch gần thành kênh (cation cho thành kênh thủy tinh tích điện âm) Như được minh họa dưới dạng sơ đồ trong ( Hình 1 ), việc áp dụng một điện trường dọc theo chiều dài kênh làm cho 'lớp da' dày nm của các cation di động di chuyển về phía điện cực âm hơn và kéo theo tất cả dung dịch can thiệp trong phần lớn của kênh theo nó Một đặc điểm quan trọng của EOF là vận tốc EOF lỏng không đổi trên kênh ngoại trừ ở các vùng dày hàng nm của lớp phản âm khuếch tán rất gần thành Không giống như EOF, dòng điều khiển bằng áp suất tạo ra cấu hình vận tốc parabol với vận tốc cao ở trung tâm kênh và vận tốc chậm ở gần thành, làm tăng 'độ mờ' của vùng thuốc thử dọc theo chiều dài kênh Hình ảnh của các cấu hình vận tốc khác nhau do EOF và dòng chảy điều khiển bằng áp suất gây ra đã được mô tả bởi Paul và cộng sự

Vận tốc chất lỏng EOF Veof được tính bằng phương trình (1)

Trong đó E là điện trường (điện áp chia cho sự phân tách điện cực), ε là hằng số điện môi tương đối của chất lỏng, ε0 là độ thấm của không gian trống, ζ là thế zeta của giao diện dung dịch thành kênh và ηlà chất lỏng độ nhớt Đối với giao diện dung dịch thủy tinh-nước, giá trị thay đổi từ -50 đến -150 mV ở pH 7 (phụ thuộc vào cường độ ion) nhưng giảm xuống 0 ở pH khoảng 2,5 Độ lớn của điện trường áp dụng trong các lò phản ứng vi mô (thường là vài trăm V cm-1) cho vận tốc EOF trong khoảng 0,1-1 mm s-¹ đối với dung dịch nước ở pH 7 Từ phương trình (1), có thể thấy rằng Veof tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào và phụ thuộc vào tính chất của cả chất lỏng và vật liệu kênh EOF không thu được bằng các vật liệu bán dẫn như silicon và không xảy ra với các dung môi có độ phân cực thấp như ankan nơi không tồn tại lớp khuếch tán phản ion bề mặt Vận tốc EOF

Veof không phụ thuộc vào kích thước mặt cắt kênh trong khi tốc độ dòng thể tích EGF (được tính bằng tích của Veof nhân với diện tích mặt cắt kênh) không phụ thuộc vào kích thước kênh Ngoài ra, điều quan trọng cần lưu ý là kích thước kênh xác định liệu EOF 'tinh khiết' hay hỗn hợp EOF và dòng điều khiển áp suất có thực sự thu được trong thực tế hay không Như đã chỉ ra ở trên, dòng chảy trong lò phản ứng vi mô tạo ra sự chênh lệch chiều cao chất lỏng giữa các bình chứa thuốc thử, do đó, có thể tạo ra dòng chảy được điều khiển bằng áp suất đối nghịch với EOF và làm xáo trộn cấu hình vận tốc phẳng của EOF thuần túy., dòng chảy do áp suất phát sinh từ chênh lệch chiều cao hồ chứa nhỏ (mm) có thể đáng kể đối với các kênh tương đối lớn nhưng bị triệt tiêu đối với các kênh nhỏ có lực cản thủy động lớn Nhìn chung, kích thước kênh phải được thiết kế đủ nhỏ sao cho dòng chảy do áp suất nhỏ không đáng kể so với EOF và không có lỗi phát sinh từ dòng chảy do áp suất thay đổi (phụ thuộc vào độ cao chất lỏng của bể chứa)

Dưới sự điều khiển điện áp EOF, dung môi và mọi chất tan không tích điện đều chuyển động với vận tốc Veof Trong điện trường, các chất tan tích điện có thêm vận tốc điện di Vph được tính bằng biểu thức (2)

TS Nguyễn Cao Hiền 6

Trong đó z là số điện tích trên chất, e là điện tích, D là hệ số khuếch tán của chất, k

là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ tuyệt đối Độ lớn của Vph đối với điện áp vận hành

lò phản ứng vi mô điển hình thường có thể so sánh với Veof Tổng vận tốc của một loài tích điện được tính bằng tổng vectơ của Veof và Vph Như đã lưu ý ở trên, hướng của dòng EOF đối với dung dịch nước trong lò phản ứng vi thủy tinh thường hướng về điện cực âm hơn Đối với các loại chất tan cation, Vph do đó sẽ cùng hướng với EOF (tức là hướng về điện cực âm hơn) và sẽ di chuyển xuống kênh nhanh hơn các loại dung môi và trung tính Các chất hòa tan anion sẽ bị chậm lại và có thể, nếu cường độ Vph lớn hơn Veof, sẽ di chuyển theo hướng ngược lại Bằng cách này, quá trình phân tách điện di của các chất hòa tan xảy ra cùng với EOF trong các kênh phản ứng vi mô khi được vận hành bằng điều khiển điện động học Khả năng sử dụng khả năng di chuyển điện di để di chuyển thuốc thử hoặc các chất và sản phẩm tích điện trong lò phản ứng vi mô độc lập với dung môi đã được khai thác trong lò phản ứng vi mô và mang lại một khái niệm khá mới lạ cho phản ứng hóa học Ví dụ, trong hóa học Wittig được mô tả ở Phần 4, bazơ tích điện và muối photphonium được sử dụng để tạo thành ylide trung gian sẽ di chuyển và trộn nhanh bằng điện di, loại bỏ sự cần thiết phải di chuyển và trộn dung môi Ngoài ra, trong các phản ứng trong đó việc tách sản phẩm và chất phản ứng trong thời gian thực là thuận lợi thì khả năng di chuyển điện di là một lợi thế khác biệt Khả năng điện di vi phân đã được khai thác để kiểm soát có chọn lọc thời gian phát hiện sản phẩm trong kỹ thuật điện di mao quản của vi phân tích qua trung gian điện di (EMMA)

3.2 Kiểm soát tính di động của thuốc thử trong mạch kênh

Chiến lược sử dụng lò phản ứng vi mô để kiểm soát điện động học diễn biến theo không gian và thời gian của các phản ứng hóa học dựa vào khả năng sử dụng chuỗi điện áp để hướng thuốc thử đến các điểm đã chọn vào những thời điểm cụ thể trong mạng lưới kênh Đối với mạng kênh phức tạp có nhiều bể chứa và điện cực, mối quan hệ giữa điện áp đặt vào và tốc độ dòng chất lỏng cũng như độ linh động của chất tan trong các phần khác nhau của mạng có thể rất phức tạp Cách tiếp cận cơ bản là phân tích mạng kênh theo thuật ngữ mạch DC tương đương trong đó các phần kênh khác nhau tương ứng với các phần tử điện trở và như sẽ được trình bày, dòng điện tỷ lệ với tốc độ dòng thể tích chất lỏng trong phạm vi tương ứng Như một ví dụ minh họa, chúng tôi thảo luận về mạng kênh được hiển thị trong Hình 2

Hệ thống điều khiển được sử dụng tại Hull cũng cho phép máy tính ghi lại tất cả điện áp và dòng điện trong quá trình chạy Phân tích sau đây cho thấy điện áp có liên quan như thế nào với dòng điện IA, IB và IC lần lượt, có liên quan đến tốc độ dòng theo hệ mét thể tích chất lỏng trong các phần kênh tương ứng FA, FB và Fc

Chúng tôi xem xét tình huống đơn giản nhất có thể xảy ra trong đó mạng kênh trong Hình 1 chứa đầy chất lỏng có độ dẫn điện đều k và thế zeta củatường kênh bằng nhau ở tất cả các phần kênh Theo thử nghiệm, tình trạng này có thể đạt được ngay cả khi trộn các dung dịch chất phản ứng khác nhau bằng cách đảm bảo nồng độ nền ('ngập') cao của chất điện phân trơ trong các dung dịch thuốc thử khác nhau được trộn Vì sự đơn giảnchúng tôi bỏ qua sự đóng góp (thường nhỏ) vào độ dẫn tổng thể của phần kênh phát sinh từ sự dẫn truyền bề mặt Với các giá trị gần đúng này, điện trở của phần kênh thứ i

Ri, được tính bằng biểu thức Eq.(3)

Li

kAi

Trong đó: Li là chiều dài của phần kênh thứ i

Ai là diện tích mặt cắt ngang của phần kênh thứ i

Trong đó chúng ta muốn đạt được trình

tự dòng chảy-tiêm-dòng để thu được “sên” của

một thuốc thử trong dòng chảy của thuốc thử

thứ hai Ở chế độ “dòng chảy”, chúng tôi yêu

cầu lưu lượng từ hồ chứa A đến D với lưu

lượng bằng 0 từ cả B và C đến D Ở chế độ

“bơm”, chúng tôi yêu cầu lưu lượng từ B đến

C với lưu lượng bằng 0 từ A đến D Để có

được cả hai chế độ, nguồn điện áp đa kênh

họat động dưới sự điều khiển của máy tính sử

dụng phần mềm LabVIEW được sử dụng để

cung cấp chuỗi điện áp chính xác đến các điện

cực trong các hồ chứa A,B và C (điện áp

VA,VB và VC) so với hồ chứa D, đặt thành điện

chữ T kép và dòng chảy-bơm-dòng cần thiết để đạt được lượng

TS Nguyễn Cao Hiền 8

Mạch DC được sử dụng để

điều khiển luồng trong mạng kênh của

Hình 2 được hiển thị trong Hình 3 và

dùng để xác định các giá trị hiện tại

trong các phần kênh khác nhau.Trong

mỗi nhánh của mạch ghép nối, điện

áp đặt vào bằng tổng tích của điện trở

và dòng điện và kết thúc bằng một

chuỗi (n-1) phương trình đồng thời

trong đó n là số lượng hồ chứa chứa

các điện cực (nó là n-1 vì một điện

cực được nối đất) Đối với mạng

kênh được xem xét ở đây, chúng tôi

hồ chứa (điện trở về đất ở D) là VA, VB

và x và y biểu thị các điểm nối kênh

Dòng điện trong tiết diện kênh Ax là IA, tiết diện Bx là IB tiết diện Cy là IC, tiết diện xy id (IA+IB) và tiết diện yD là (IA+IB+IC)

Trong đó Ri là điện trở của phần kênh thứ i Việc giải các phương trình đồng thời này (dễ dàng đạt được nhất bằng cách sử dụng gói phần mềm như MathCAD) sẽ mang lại các biểu thức tương ứng cho dòng điện được hiển thị trong biểu thức (5)

Tốc độ dòng chất lỏng thể tích trong phần kênh thứ i là Fi tỷ lệ thuận với dòng điện Ii tương ứng theo Eq (6)

Để xác định điện áp cần thiết để đạt được một kiểu tốc độ dòng chảy cụ thể (ví dụ: chế độ dòng chảy hoặc chế độ phun được mô tả ở trên), phải biết tất cả các giá trị điện trở của các phần kênh khác nhau, chứa đầy chất lỏng quan tâm Điều này có thể được thực hiện bằng cách đo dòng điện theo các điện áp khác nhau trong lò phản ứng vi mô và máy tính điều chỉnh các giá trị điện trở phù hợp Ngoài ra, người ta có thể đo độ dẫn điện của chất lỏng (sử dụng máy đo độ dẫn thông thường) và tất cả các kích thước kênh và tính

toán điện trở cần thiết theo phương trình(3) Các phép đo hiệu chuẩn tốc độ dòng chất lỏng trong lò phản ứng vi mô là hàm của các dòng điện đặt khác nhau mang lại giá trị Z

và sau đó cho phép chuyển đổi dòng điện đo được (được ghi lại trong quá trình chạy) thành tốc độ dòng chất lỏng từ biểu thức (5)

Đồ thị đại diện của dòng điện so với

một trong các điện áp (với các điện áp còn

lại được cố định) được hiển thị trong (Hình

4) Các giá trị hiện tại thường nằm trong

phạm vi µA và, như mong đợi từ “định luật

Ohm”, chúng tỷ lệ thuận với điện áp Tuy

nhiên, do sự liên kết với nhau của các

nhánh khác nhau của mạch tổng thể, nên

điện áp cần thiết để tạo ra dòng điện bằng 0

trong một phần kênh cụ thể được xác định

bởi một hàm phức tạp của tất cả các giá trị

điện trở và điện áp

Hình 4 Sơ đồ minh họa của dòng điện so với VA đối với VB và VC đều được đặt thành 200 V Dữ liệu đề cập đến mạng lưới kênh trong Hình 1 chứa đầy 50% thể tích ethanol/nước chứa dung dịch đệm photphat 35 mM

ở độ pH 7,5

Cần nhấn mạnh một số lưu ý thận trọng về phân tích này Đầu tiên, nghiên cứu được chỉ ra rằng đôi khi cần phải hiệu chỉnh dòng điện tổng thể để dẫn truyền bề mặt dọc theo thành kênh Độ dẫn bề mặt có thể trở nên không đáng kể khi độ dẫn khối của chất lỏng tương đối thấp Thứ hai, phân tích được đưa ra ở đây áp dụng cho trường hợp độ dẫn của chất lỏng và thế zeta là đồng nhất trên toàn mạng lưới kênh Trộn các dung dịch thuốc thử có độ dẫn khác nhau và/hoặc có thế zeta khác nhau với thành kênh sẽ tạo ra các vùng kênh chuyển động có đặc tính không đồng nhất và khả năng di chuyển EOF Rõ ràng, tình huống này đòi hỏi một phân tích phức tạp hơn nhiều Cuối cùng, phân tích đơn giản được trình bày ở đây, mặc dù đủ để minh họa các tính năng chính của điều khiển dòng chảy, nhưng không tính đến hiệu ứng quán tính dòng chảy và tính không đồng nhất của điện trường xung quanh các điểm nối kênh Ở cấp độ vi mô, các hiệu ứng gây ra các mô hình dòng chảy cục bộ phức tạp ở những vùng này, có thể được mô hình hóa bằng phần mềm động lực học chất lỏng phức tạp

Ngoài việc sử dụng nó trong việc xác định các tham số điều khiển dòng điện động học cần thiết, việc giám sát thường xuyên tại chỗ dòng điện trong mạng kênh còn cung cấp thông tin chẩn đoán hữu ích về vận hành lò phản ứng vi mô Thứ nhất, việc quan sát dòng điện giảm xuống 0 trong một nhánh của mạng kênh có thể chỉ ra vị trí tắc nghẽn kênh Đặc biệt, việc đặt một điện áp quá mức vào hệ thống truyền dẫn có thể gây ra các phản ứng điện hóa dẫn đến giải phóng bọt khí Quá trình điện phân xảy ra trong các lò phản ứng vi mô khi có sự chênh lệch điện áp tổng thể giữa một cặp điện cực (thường là vài trăm V) đủ cao hoặc điện trở của phần kênh liên quan thấp đến mức sự thay đổi điện

áp trên bề mặt điện cực/dung dịch (thường là một phần của V) vượt quá thế oxy hóa khử cần thiết cho phản ứng điện hóa Cuối cùng, khi các phản ứng hóa học xảy ra trong lò

TS Nguyễn Cao Hiền 10

phản ứng vi mô và dẫn đến sự thay đổi độ dẫn của dung dịch, về nguyên tắc, việc giám sát dòng điện tại chỗ có thể được khai thác để theo dõi mức độ phản ứng trong mạng lưới kênh

3.3 Trộn thuốc thử và phản ứng hóa học trong lò phản ứng

Ngoại trừ các phản ứng không phân tử, hai hoặc nhiều dung dịch chất phản ứng phải được trộn lẫn là bước cần thiết đầu tiên để đạt được phản ứng Có thể có hai chế

độ trộn chính có những đặc điểm rất khác nhau Chế độ đầu tiên, được ký hiệu là “pha trộn khuếch tán”, được minh họa trong Hình 5, hiển thị biểu đồ nồng độ 3D thu được khi dung dịch thuốc nhuộm (đi vào từ kênh bên trái) được kết hợp với dung môi đi vào

từ kênh bên phải của điểm nối chữ T Hai dung dịch cùng chảy xuống chân của T Đối với các điều kiện EOF điển hình, vận tốc tuyến tính của chất lỏng có thứ tự 0,1-1 mm s-

1 Số Reynolds Re (bằng Devp/n trong đó D: là đường kính kênh hiệu dụng, v là vận tốc, p là mật độ chất lỏng và n là độ nhớt của chất lỏng) đối với dòng chảy như vậy là

<10, thấp hơn nhiều so với quá trình chuyển từ dòng chảy tầng sang dòng chảy rối xảy

ra ở các giá trị R khoảng 2500 Do đó, các dòng thuốc thử cùng chảy giữ lại mô hình dòng chảy tầng của chúng và sự pha trộn chỉ xảy ra bằng cách khuếch tán xen kẽ Từ biểu đồ nồng độ 3D của thuốc nhuộm, có thể thấy rằng chỉ có một lượng nhỏ sự pha trộn khuếch tán xảy ra trong khoảng thời gian giữa lần tiếp xúc đầu tiên của dòng dung dịch' (ở cạnh trên của hình ảnh) đến vị trí tương ứng với cạnh dưới của hình ảnh Đối với tốc độ dòng chảy được sử dụng (0,48 mm s-¹), thời gian này tương ứng với khoảng

2 giây Trong chế độ trộn này, trong thời gian rất dài, nồng độ thuốc thử được pha loãng theo tỷ lệ bằng tỷ lệ tốc độ dòng chảy vào Ước tính sơ bộ về thời gian cần thiết

để trộn trên toàn bộ chiều rộng của kênh (w) được tính bằng t≈5w2/D, trong đó D là hệ

số khuếch tán của các loại chất tan

Hình 5 Biểu đồ 3D về nồng độ thuốc nhuộm so với vị trí trong điểm nối chữ T Dung dịch thuốc nhuộm đi vào từ bên trái và được kết hợp với dung môi đi vào từ bên phải Tốc

độ dòng chảy xuống 'chân' của T là 0,48 mm s-1 Phân tích chi tiết về độ mở rộng khuếch