CN110871137A - 一种小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种多向诱导Dean流的螺旋流道微流控器件及方法，适用于细微粒径粉煤灰精细分选使用。其包括微流控芯片，微流控芯片内设有顶部带突扩结构的螺旋流道，螺旋流道的首尾两端分别设有与微流控芯片外界连通的入口连接器和出口连接器；其中螺旋流道入口连接器处为圆柱空间的入口，出口连接器出为圆柱空间的出口。其结构简单，创新性地提出在螺旋流道中多向诱导并耦合Dean流的方法，克服现有螺旋结构仅能在截面横向方向上诱导生成Dean流的不足，可大幅提升螺旋流道对微纳米粒子的惯性操控效率，为极细小粉煤灰微粒的精细尺寸分选提供有力工具。

Description

一种小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件及方法

技术领域：

本发明专利涉及一种螺旋流道微流控器件及方法，尤其适用于一种小粒径粉煤灰颗粒尺寸细分领域中使用的小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件及方法。

背景技术：

粉煤灰是燃煤在锅炉内燃烧过程中产生的未燃尽的细小颗粒，随烟气的流动离开炉膛并由除尘系统捕捉收集到的一种无机残渣。粉煤灰可以和水泥一起(取代一部分水泥)作为混凝土的胶结料，从而大幅降低混凝土生产成本并提升其性能。混凝土的反应速率及强度等早期性能唯一取决于胶结料性能，而胶结料本身是胶凝性矿物颗粒和水的混合物，因此胶凝性矿物颗粒的物理、化学特征对混凝土早期性能起到直接决定作用。

粉煤灰作为胶结料的重要组分，在物理特征方面，主要表现为类球形的颗粒形态，尺寸分布在0.1-100μm范围内。一般来说，粉煤灰细度越细，比表面积越大，受激活反应能力越强，需水量越小，改善混凝土的和易性越明显，对混凝土的强度贡献越大，同时还能起到细化孔尺寸、改善孔结构、减少干缩变形、提高抗裂性和抗冻性的作用；但同时亦有研究指出，粉煤灰粒径和细度过小过细，需水量会重新增加，影响粉煤灰性能的发挥。在化学特征方面，煤粉燃烧生成粉煤灰的相组成与微粒尺寸关系密切，尽管两者间的确切关系仍有待研究且可能因材料而异。由此可见，粉煤灰颗粒自身的物理、化学特征均与尺寸密切相关，不同尺寸的粉煤灰微粒对混凝土早期性能影响重大。然而，目前关于粉煤灰尺寸对混凝土性能的研究仍较为粗糙，其关键技术瓶颈在于粉煤灰颗粒尺寸细小且呈多分散性，分离获得特定尺寸区间的粉煤灰颗粒存在较大挑战。

传统的微粒分离方法多采用筛分、密度分级、场流萃取、超声沉降等方法，然而这些方法存在耗时长、设备笨重、分离精度低、微粒回收率低等不足，难以满足高效、精确的粉煤灰分离需求。如现阶段粉煤灰细度分级即通过45μm方孔筛的筛分评定，GB/T 1596-2017中规定Ⅰ级粉煤灰45μm方孔筛筛余量不超过12％，Ⅱ级筛余量不超过30％，Ⅲ级筛余量不超过45％。但显而易见，该方法只能将粉煤灰微粒分离为大于45μm和小于45μm的两部分，对尺寸小于45μm极细颗粒的进一步细分难以实现，且分离需要烘干、负压等步骤，操作繁琐，设备笨重。相较而言，兴起于20世纪90年代的微流控(Microfluidic)技术，通过微米级流道精确操控微升、毫升级别样品，得益于其特征尺寸与粉煤灰颗粒尺寸刚好匹配，这些微流控器件具有操控精度高的先天优势，其中又尤以惯性微流控这一操纵手段，因流道结构简单、无需借助外场力及处理通量高等显著优势，在对粒径小于45μm极细粉煤灰颗粒进一步尺寸精分应用方面潜力巨大。

发明专利内容：

发明专利目的：针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用效果好，能够对45μm方孔筛筛分所得极细粉煤灰颗粒的进一步尺寸精分的小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件，其特征在于：它包括微流控芯片，微流控芯片内设有螺旋流道，螺旋流道有首端和尾端、位于螺旋内的一端为首端、位于螺旋流道外的一端为尾端，螺旋流道包括矩形截面螺旋通道结构的主流道，主流道的顶部间隔设有与主流道等宽的突扩阵列，突扩阵列包括多个间隔设置并与主流道等宽的凸块，螺旋流道的首端通过主流道设有位于螺旋中心的入口，入口上设有入口连接器，螺旋流道的尾端通过与螺旋流道相切的直线型出口通道，出口通道的末端分别设有内侧出口、中间出口和外侧出口，内侧出口上设有内侧出口连接器，中间出口上设有中间出口连接器，外侧出口上设有外侧出口连接器。

所述主流道截面的宽×高尺寸为300×150μm；凸块的宽×长×高尺寸为300×150×80μm，相邻凸块间隔约300μm。

所述内侧出口、中间出口和外侧出口与出口通道三相连接，其中内侧出口最靠近螺旋流道，外侧出口最远离螺旋流道，中间出口与出口通道直线连接并居中，出口通道与内侧出口和外侧出口连接的通道管路为弧形管路。

所述入口、内侧出口、中间出口和外侧出口均为圆柱型空间结构。

一种小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件的工作方法，其步骤为：

筛选出粒径范围小于45μm的粉煤灰颗粒制成初始悬液，初始悬液中各尺寸粉煤灰颗粒呈随机分散状态；

将初始悬液经入口连接器加压导入螺旋流道，螺旋流道中的主流道在流道截面横向方向上诱导生成上下对称的两个Dean涡流，突扩阵列在流道截面纵向方向上诱导生成左右对称的两个Dean涡流，横向方向生成的两个Dean涡流和纵向方向生成的两个Dean涡流互相耦合，形成新的复杂Dean流模式，从而将初始悬液中的粉煤灰颗粒逐渐分离出四个粒径级别的煤灰颗粒：粒径小于15μm，的小尺寸粉煤灰颗粒、粒径15-25μm的中小尺寸粉煤灰颗粒、粒径25-35μm的中大尺寸粉煤灰颗粒和粒径35-45μm的大尺寸粉煤灰颗粒，四种不同尺寸范围的粉煤灰颗粒依次惯性聚焦至主流道内壁面指向外壁面方向上的四个不同的平衡位置；

随后小尺寸粉煤灰颗粒和中小尺寸粉煤灰颗粒经由内侧出口、内侧出口连接器顺序导出，中大尺寸粉煤灰颗粒和大尺寸粉煤灰颗粒经由中间出口、中间出口连接器顺序导出，实现分离。

有益效果：本发明通过在螺旋流道顶部设置突扩阵列，可在主流道截面的横向及纵向方向上同时诱导生成Dean涡流，多向Dean涡流耦合后形成一种全新的复杂Dean涡流模式，从而高效操控粉煤灰颗粒，实现粉煤灰颗粒分选精度及效率的提升。相较传统的粉煤灰分离方法，本设计可实现粒径小于45μm的极细粉煤灰颗粒的进一步精分，大幅提升分选精度；同时还具有芯片结构轻巧、操作简单、成本低、易于阵列或堆叠集成以提高通量等优势。

附图说明：

图1是本发明多向诱导Dean流的螺旋流道微流控器件的结构示意图；

图2是本发明的螺旋流道结构示意图；

图3是本发明的螺旋流道截面多向Dean流生成及耦合示意图；

图4是本发明多向诱导Dean流的螺旋流道微流控器件的惯性分选效果示意图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1和图2所示，小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件，其特征在于：它包括微流控芯片2，微流控芯片2内设有螺旋流道3，螺旋流道3有首端和尾端、位于螺旋内的一端为首端、位于螺旋流道3外的一端为尾端，螺旋流道3包括矩形截面螺旋通道结构的主流道32，主流道32截面的宽×高尺寸为300×150μm；凸块的宽×长×高尺寸为300×150×80μm，相邻凸块间隔约300μm，主流道32的顶部间隔设有与主流道32等宽的突扩阵列33，突扩阵列33包括多个间隔设置并与主流道32等宽的凸块，螺旋流道3的首端通过主流道32设有位于螺旋中心的入口31，入口31上设有入口连接器4，螺旋流道3的尾端通过与螺旋流道3相切的直线型出口通道，出口通道的末端分别设有内侧出口34、中间出口35和外侧出口36，内侧出口34上设有内侧出口连接器5，中间出口35上设有中间出口连接器6，外侧出口36上设有外侧出口连接器7，内侧出口34、中间出口35和外侧出口36与出口通道三相连接，其中内侧出口34最靠近螺旋流道3，外侧出口36最远离螺旋流道3，中间出口35与出口通道直线连接并居中，出口通道与内侧出口34和外侧出口36连接的通道管路为弧形管路，入口31、内侧出口34、中间出口35和外侧出口36均为圆柱型空间结构。

一种小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件的工作方法，其步骤为：

筛选出粒径范围小于45μm的粉煤灰颗粒制成初始悬液，初始悬液中各尺寸粉煤灰颗粒呈随机分散状态；

将初始悬液经入口连接器4加压导入螺旋流道3，螺旋流道3中的主流道32在流道截面横向方向上诱导生成上下对称的两个Dean涡流，突扩阵列33在流道截面纵向方向上诱导生成左右对称的两个Dean涡流，横向方向生成的两个Dean涡流和纵向方向生成的两个Dean涡流互相耦合，形成新的复杂Dean流模式，从而将初始悬液中的粉煤灰颗粒逐渐分离出四个粒径级别的煤灰颗粒：粒径小于15μm的小尺寸粉煤灰颗粒81、粒径15-25μm的中小尺寸粉煤灰颗粒82、粒径25-35μm的中大尺寸粉煤灰颗粒83和粒径35-45μm的大尺寸粉煤灰颗粒84，四种不同尺寸范围的粉煤灰颗粒依次惯性聚焦至主流道32内壁面指向外壁面方向上的四个不同的平衡位置；

随后小尺寸粉煤灰颗粒81和中小尺寸粉煤灰颗粒82经由内侧出口34、内侧出口连接器5顺序导出，中大尺寸粉煤灰颗粒83和大尺寸粉煤灰颗粒84经由中间出口35、中间出口连接器6顺序导出，实现分离。

实施例1：

本实施例中多向诱导Dean流的螺旋流道微流控器件1采用聚二甲基硅氧烷PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC等材质通过软光刻加工工艺制备，该工艺具体包括光刻SU-8阳模、PDMS浇注以及PDMS-玻璃键合等步骤，具有加工精度高等优点；亦可采用硅胶薄膜、聚対苯二甲酸类塑料PET薄膜、聚氯乙烯PVC薄膜等材质通过激光微加工工艺制备，该工艺具体包括激光切割撕除成型、等离子体表面处理、键合以及夹具封装等步骤，具有制作成本低、加工周期短等优点。此外，本实施例中的流道结构还可采用玻璃、硅、金属等其他材质，通过湿法/深反应离子刻蚀、超精密机加工、感光电路板刻蚀等微加工技术实现。

本实施例所述器件主要用于不同尺寸粉煤灰颗粒的精确分选，也可拓展应用于其它具有相当尺寸的微纳米颗粒的惯性操控。

如图3所示为螺旋流道多向诱导Dean流的原理示意图。在螺旋流道3中，位于入口31与内侧出口34/中间出口35/外侧出口36之间的主流道32及突扩阵列33共同构成螺旋流道的主体部分，其中主流道32呈螺旋线形，突扩阵列33设置于主流道32顶部，且每一突扩宽度与主流道32的宽度相等。在该结构下，流体流经主流道32时，因主流道32为弯流道，致使流道中线处的流体具有比靠近流道壁面处流体更高的流动速度，在离心力作用下向外侧壁面方向流动；同时由于流道封闭，外壁面处流体受挤压沿上下壁面回流，从而在流道横截面的横向方向上形成上下对称的两个Dean涡流①。同时，位于流道顶部的突扩阵列33可在主流道32横截面的纵向方向上生成一组左右对称的Dean涡流②。通过调控主流道32的截面尺寸、曲率半径，突扩阵列33的尺寸、间距，以及样品流速等参数，可调整两组Dean涡流的形貌及强度。两组Dean涡流相互叠加耦合，生成一种复杂的Dean涡流新模式，从而可实现较传统螺旋流道(无顶部突扩结构)更加精细、高效的粉煤灰颗粒尺寸分选。

如图4所示为不同尺寸粉煤灰颗粒在螺旋流道3中的分选效果示意。结合图2所示，粒径5-15μm的小尺寸粉煤灰颗粒81、粒径15-25μm的中小尺寸粉煤灰颗粒82、粒径25-35μm的中大尺寸粉煤灰颗粒83及粒径35-45μm的大尺寸粉煤灰颗粒84经入口连接器4注入螺旋流道3，并在靠近入口31的主流道32首端附近的A-A截面处呈随机分散状态。随后在螺旋流道3内，小尺寸粉煤灰颗粒81、中小尺寸粉煤灰颗粒82、中大尺寸粉煤灰颗粒83及大尺寸粉煤灰颗粒84均在主流动方向上受到流体的拖拽力，随流体前行；同时在流道横截面上，受到惯性升力F_L及由耦合Dean涡流产生的Dean拽力F_D的共同作用，颗粒发生横向迁移，并在惯性升力F_L与Dean拽力F_D平衡时达到平衡位置。惯性升力F_L与Dean拽力F_D的大小均与颗粒尺寸密切相关，故而迁移至不同的平衡位置，经由不同的出口导出，由此实现分离。

在本实施例中，如图4所示，在主流道32尾端的B-B截面处，小尺寸粉煤灰颗粒81聚焦至贴近主流道32内壁面的平衡位置，大尺寸粉煤灰颗粒84聚焦至靠近主流道32中心位置的平衡位置，中小尺寸粉煤灰颗粒82及中大尺寸粉煤灰颗粒83的平衡位置介于两者之间，并按尺寸由小至大的顺序依次分布。在该种聚焦效果下，小尺寸粉煤灰颗粒81和中小尺寸粉煤灰颗粒82将经由内侧出口34、内侧出口连接器5顺序导出；中大尺寸粉煤灰颗粒83和大尺寸粉煤灰颗粒84将经由中间出口35、中间出口连接器6顺序导出，由此实现分离。

本实施例中提出的可多向诱导Dean流螺旋流道微流控器件可突破传统惯性微流控器件仅能在截面横向方向上诱导生成Dean流的局限，通过多向诱导、耦合Dean流，为粉煤灰颗粒惯性操控提供一种全新、高效的手段。同时，本实施例提出的螺旋流道微流控器件还具有分选精度高、结构简单、加工成本低、操作方便等优势，尤其适用于不同尺寸粉煤灰颗粒的精确分选，为研究粉煤灰颗粒尺寸对混凝土早期性能提供重要工具；亦可广泛拓展应用于其它具有相当尺寸的微纳米颗粒的分选。

主流道32尾端可按需分裂成更多分支，并引出更多出口(如5等分、9等分等)，以期分离获得具有更小尺寸区间的粉煤灰颗粒。

主流道32可通过堆叠或平面阵列集成的方式，实现处理通量的提升。

主流道32内流速可调，引发不同尺寸粉煤灰颗粒聚焦平衡位置的变化，从而实现使用同一芯片结构分离获得不同尺寸区间的粉煤灰颗粒。

Claims (5)

1.一种小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件，其特征在于：它包括微流控芯片(2)，微流控芯片(2)内设有螺旋流道(3)，螺旋流道(3)有首端和尾端、位于螺旋内的一端为首端、位于螺旋流道(3)外的一端为尾端，螺旋流道(3)包括矩形截面螺旋通道结构的主流道(32)，主流道(32)的顶部间隔设有与主流道(32)等宽的突扩阵列(33)，突扩阵列(33)包括多个间隔设置并与主流道(32)等宽的凸块，螺旋流道(3)的首端通过主流道(32)设有位于螺旋中心的入口(31)，入口(31)上设有入口连接器(4)，螺旋流道(3)的尾端通过与螺旋流道(3)相切的直线型出口通道，出口通道的末端分别设有内侧出口(34)、中间出口(35)和外侧出口(36)，内侧出口(34)上设有内侧出口连接器(5)，中间出口(35)上设有中间出口连接器(6)，外侧出口(36)上设有外侧出口连接器(7)。

2.根据权利要求1所述的小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件，其特征在于：所述主流道(32)截面的宽×高尺寸为300×150μm；凸块的宽×长×高尺寸为300×150×80μm，相邻凸块间隔约300μm。

3.根据权利要求1所述的小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件，其特征在于：所述内侧出口(34)、中间出口(35)和外侧出口(36)与出口通道三相连接，其中内侧出口(34)最靠近螺旋流道(3)，外侧出口(36)最远离螺旋流道(3)，中间出口(35)与出口通道直线连接并居中，出口通道与内侧出口(34)和外侧出口(36)连接的通道管路为弧形管路。

4.根据权利要求1或3所述的小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件，其特征在于：所述入口(31)、内侧出口(34)、中间出口(35)和外侧出口(36)均为圆柱型空间结构。

5.一种使用权利要求1所述小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件的工作方法，其特征在于步骤为：

筛选出粒径范围小于45μm的粉煤灰颗粒制成初始悬液，初始悬液中各尺寸粉煤灰颗粒呈随机分散状态；

将初始悬液经入口连接器(4)加压导入螺旋流道(3)，螺旋流道(3)中的主流道(32)在流道截面横向方向上诱导生成上下对称的两个Dean涡流，突扩阵列(33)在流道截面纵向方向上诱导生成左右对称的两个Dean涡流，横向方向生成的两个Dean涡流和纵向方向生成的两个Dean涡流互相耦合，形成新的复杂Dean流模式，从而将初始悬液中的粉煤灰颗粒逐渐分离出四个粒径级别的煤灰颗粒：粒径小于15μm的小尺寸粉煤灰颗粒(81)、粒径15-25μm的中小尺寸粉煤灰颗粒(82)、粒径25-35μm的中大尺寸粉煤灰颗粒(83)和粒径35-45μm的大尺寸粉煤灰颗粒(84)，四种不同尺寸范围的粉煤灰颗粒依次惯性聚焦至主流道(32)内壁面指向外壁面方向上的四个不同的平衡位置；

随后小尺寸粉煤灰颗粒(81)和中小尺寸粉煤灰颗粒(82)经由内侧出口(34)、内侧出口连接器(5)顺序导出，中大尺寸粉煤灰颗粒(83)和大尺寸粉煤灰颗粒(84)经由中间出口(35)、中间出口连接器(6)顺序导出，实现分离。

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