CN107583576A - 一种液态金属微型反应器 - Google Patents

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陈森
盛磊
刘静
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Abstract

本发明涉及一种液态金属微型反应器，包括液态金属、导电溶液，所述液态金属以微球形式置于所述导电溶液中，所述导电溶液上施加有电场。本发明还提出所述液态金属微型反应器的应用。本发明提出一种简单、高效的液态金属微球型化学微反应器，并利用液态金属胞吞效应吸收反应物质。解决了微型反应器不够稳定，反应物进入较为困难的，化学反应不够充分的问题，并且可以通过调整周围环境电场的大小，实现对液态金属微型反应器运动、分散、聚集、内部混合等的控制。

Description

一种液态金属微型反应器
技术领域
本发明属于化工设备领域，具体涉及一种利用液态金属胞吞效应的反应设备及其应用。
背景技术
化学反应器是过程工业中物质和能量转化的核心单元。传统大化工致力于构建按比例放大的大型反应器装置，虽然可以实现大批量生产，但其放大规律复杂，尤其是不同空间、时间尺度的流体力学-传递-化学反应形成了多相反应过程的复杂性，对放大过程中产品质量和过程控制带来了巨大挑战。
伴随着20世纪90年代兴起的微流控技术的发展，微反应器的提出逐步改变了人们对反应器放大的认知。不同于传统的大型釜式反应器，微反应器将反应空间受限在尺寸范围为数十到数百微米的通道内部。该尺度下反应体系具有高的比表面积和高的传质性能，不仅可以通过精确的过程控制大幅度地缩短反应时间和降低样品消耗，更重要的是以微反应器为基本单元直接进行数量的增加便可实现模块的集成，进而实现高通量的产品可控制备，从而避免了传统反应器直接几何放大导致的难于预期的非理想行为。不同于传统反应器，液滴流微反应器不是固定的容器，而是一系列运动着的体积可调节的液滴，每个独立微液滴都可以看作是一个流动的微小间歇反应釜。
室温液态金属是指在室温下呈液体状态的金属(下文简称液态金属)。液态金属具有许多优良的物理性质，例如：热导率高、电导率高、表面张力大、沸点高、蒸发压力与可流动特性极低。液态金属兼具金属的导电能力和液体的流动能力，同时液态金属球在电场中内部和外部都会反生流动等丰富的变化。液态金属的这些特性可为微反应器所利用，是一种理想的用于化学微反应的微反应器。
发明内容
基于对上述综合因素的考虑，本发明提供一种液态金属微型反应器。
本发明的另一个目的是提供所述一种液态金属微型反应器的应用。
为实现本发明目的技术方案为：
一种液态金属微型反应器，包括液态金属、导电溶液，所述液态金属以微球形式置于所述导电溶液中，所述导电溶液上施加有电场。
其中，所述液态金属为镓、镓铟合金、铋铟锡合金中的一种或几种，优选为镓铟合金，所述液态金属的尺寸在50微米以下。
优选地，所述液态金属为Ga 60In 40、Ga 80In 20、Ga 70In30、Ga 65In35、Ga75.5In 24.5中的一种。
其中，所述导电溶液为NaCl、KCL、硫酸钠、硫酸钾、硫酸氢钠、碳酸钠、碳酸氢钠溶液中的一种或多种，溶液的浓度为0.1～5mol/L。
其中，所述导电溶液上施加0.5～3V均匀电场。
所述的电场对液态金属可以进行调控，提高改变电场的大小、方向。电场中液态金属微球可以发生移动、聚合、分散等效应。
其中，所述液态金属的微球的制备方法为电射流法或搅拌法。
具体地，所述搅拌法为：将液态金属置于浓度为05～5mol/L的高分子溶液中，以300～600rpm速度搅拌0.5～2h，所述高分子溶液为DMF(二甲基甲酰胺)溶液。
本发明所述液态金属微型反应器的应用，包括操作：
在容器内放置液态金属微球和导电溶液，容器内设置相对的平板电极，构建为液态金属微型反应器，向容器内加入的反应物颗粒，施加电场，使反应物颗粒被液态金属微球吞噬；其中，所述反应物颗粒的尺寸小于液态金属微球的尺寸。可选地，反应物颗粒和液态金属的质量比例控制为1/5-1/2。
进一步地，所述反应物颗粒的尺寸为液态金属微球的尺寸的0.1～50％。
根据反应条件确定后续的操作，对于后续高温的反应，可考虑移出液态金属微反应器。
所述液态金属微型反应器的应用，还包括将吞噬了反应物的液态金属微球取出，加热获得产物的步骤。
本发明的有益效果在于：
本发明提出一种简单、高效的液态金属微球型化学微反应器，并利用液态金属胞吞效应吸收反应物质。解决了微型反应器不够稳定，反应物进入较为困难的，化学反应不够充分的问题，并且可以通过调整周围环境电场的大小，实现对液态金属微型反应器运动、分散、聚集、内部混合等的控制。
本发明可以实现快速、大规模制造高效微型反应器，容易实现大规模生产，提高化学反应的安全性和高效性。
本发明提供的液态金属微型反应器，可使用各种方法快速制备；可用电场进行丰富的调控；可使用液态金属胞吞效应进行快速的反应物摄取；可提高化学反应的速度；液态金属微型反应器稳定，较难与各种物质反应。
附图说明
图1为液态金属微型反应器结构示意图。
其中：1是盐溶液，2是电场，3是液态金属微球。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
附图1是本发明结构的整体示意图，示出了液态金属微型反应器的全貌。结合该图，整个液态金属微型反应器系统主要包括：液态金属微球3和2V的电场以及盐溶液1环境。容器内设置相对的平板电极，可在导电溶液上施加电场2。
其工作原理为当反应物颗粒置于含有液态金属微型反应器的NaCl溶液中后，通电场，液态金属微球可以吞噬反应物颗粒，在稳定的液态金属内部发生反应。同时，改变的电场也可以促进液态金属内部的流动，促进反应进行的速率。本实施例所用液态金属为Ga75.5In 24.5，熔点为289.15K,沸点高于2000K。所以，常温下可以保持液体，高温时不易沸腾，蒸汽压很低。
液态金属微球的制备方法：将Ga 75.5In 24.5置于DMF(二甲基甲酰胺)的1mol/L的溶液中，500rpm转速搅拌0.5h，得到粒径为10微米的液态金属微球。
以下为本实施例液态金属微型反应器的操作方法，具体包括如下步骤：
(1)取200ml NaCl(0.2mol/L)溶液放置在250ml的烧杯中，同时向烧杯内加入铜和氧化铜(市购，粒径为0.3微米)其中铜纳米颗粒和氧化铜纳米颗粒比例1:1。反应物颗粒和液态金属的质量比例控制为1/2；
(2)将搅拌法获得的液态金属微球置于盐溶液烧杯中；
(3)利用电极构造烧杯内的电场环境，一般可取为2V；
(4)对电极加电，反应物颗粒被液态金属吞噬；
(5)取出液态金属微型反应器，加热至1100K，发生反应，生成氧化亚铜。使用本微反应器的优点在于隔绝了氧气和杂质，提高了氧化亚铜的纯度。
在步骤(1)和步骤(2)中液态金属微球应低于50微米，本实施例液态金属液滴尺寸为10微米，氧化铜和铜颗粒应显著小于液态金属液滴，本实施例铜和氧化铜颗粒取为0.3微米，以尽可能增加反应物的浓度。
实施例2
本实施例所用液态金属为Ga60In40，制备方法为：将Ga60In 40置于DMF(二甲基甲酰胺)的1mol/L的溶液中，400rpm转速搅拌40min，得到粒径为10微米的液态金属微球。
以下为本实施例液态金属微型反应器的操作方法，具体包括如下步骤：
(1)取200ml NaCl(0.1mol/L)溶液放置在250ml的烧杯中，同时向烧杯内加入银纳米颗粒(市购，平均粒径为300纳米)。反应物颗粒和液态金属的质量比例控制为1/5；
(2)将搅拌法获得的液态金属微球置于盐溶液烧杯中；
(3)利用平板电极构造烧杯内的均匀电场环境为2V；
(4)对电极加电，反应物颗粒被液态金属吞噬，获得具有催化活性的银负载催化剂。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种液态金属微型反应器，其特征在于，包括液态金属、导电溶液，所述液态金属以微球形式置于所述导电溶液中，所述导电溶液上施加有电场。
2.根据权利要求1所述的液态金属微型反应器，其特征在于，所述液态金属为镓、镓铟合金、铋铟锡合金中的一种或几种，优选为镓铟合金，所述液态金属的尺寸在50微米以下。
3.根据权利要求2所述的液态金属微型反应器，其特征在于，所述液态金属为Ga60In40、Ga80In20、Ga70In30、Ga65In35、Ga75.5In24.5中的一种。
4.根据权利要求1所述的液态金属微型反应器，其特征在于，所述导电溶液为NaCl、KCL、硫酸钠、硫酸钾、硫酸氢钠、碳酸钠、碳酸氢钠溶液中的一种或多种，溶液的浓度为0.1～5mol/L。
5.根据权利要求1所述的液态金属微型反应器，其特征在于，所述导电溶液上施加0.5～3V均匀电场。
6.根据权利要求1所述的液态金属微型反应器，其特征在于，所述液态金属的微球的制备方法为电射流法或搅拌法。
7.根据权利要求6所述的液态金属微型反应器，其特征在于，所述搅拌法为：将液态金属置于浓度为0.5～5mol/L的高分子溶液中，以300～600rpm速度搅拌0.5～2h，所述高分子溶液为二甲基甲酰胺溶液。
8.权利要求1～7任一项所述液态金属微型反应器的应用，其特征在于，包括操作：
在容器内放置液态金属微球和导电溶液，容器内设置相对的平板电极，构建为液态金属微型反应器，向容器内加入的反应物颗粒，施加电场，使反应物颗粒被液态金属微球吞噬；所述反应物颗粒尺寸小于液态金属微球的尺寸。
9.根据权利要求8所述液态金属微型反应器的应用，其特征在于，所述反应物颗粒的尺寸为液态金属微球的尺寸的0.1～50％。
10.根据权利要求8所述液态金属微型反应器的应用，其特征在于，还包括将吞噬了反应物的液态金属微球取出，加热获得产物的步骤。
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