TWI516306B - 流體混合方法 - Google Patents

Description

流體混合方法

本發明係關於一種流體混合方法，尤指將磁性流體於旋轉磁場中形成一液態轉子，以混合待混合流體之方法。本發明尤其適用於微流體之混合。

一般混合微流體之混合器可分為被動式微型混合器與主動式微型混合器，被動式微型混合器主要是改變流道之幾何外型，藉由破壞流道的順暢性，以使流體流經該流道時因擾動而提升其混合效果。主動式微型混合器主要係提供流體外力干擾，例如超音波震盪、壓力變化、電磁力及電動力等，以擾動流體流動而達到混合目的。

關於主動式微型混合器，近年已有學術文獻發表利用磁場操控磁性粒子串接，再施以磁場轉動，以形成一種可產生漩渦的微型混合器，例如2004年Biswal S.L.等人、2007前Tae Gon Kang等人、2009年Roy T.等人發表透過化學鍵結串接磁性粒子，或者利用磁場串接磁性粒子，在旋轉磁場下，形成微型混合器，以混合流體，然由於該等微型混合器中的磁性粒子，其比重無法調配，受重力影響，在流體中易產生沉澱效應，影響混合效果，且當磁性粒子串隨磁場旋轉時，受流體阻力影響，易產生斷裂， 影響流體的混合效率，另磁粒子之尺度量級約1微米，若使用於較大尺度之流道內混合流體，所需數量較多，且混合效果有限。有鑑於此，在相關技術蓬勃發展的情況下，目前亟需研發一種提高流體混合效率的方法，以改善前述問題。

磁性流體為美國因應太空需求而於1965年發明問世，數十年來主要應用於機械、微機電以及生醫工程，然卻未發現將其應用形成液態轉子以混合流體。為解決先前技術的問題，本發明人發現磁性流體於特定的外加旋轉磁場下能產生形變，進而形成液態轉子而達到流體混合的目的，該液態轉子不與待混合之流體相溶，且具超順磁性，使用完畢，可回收分離，不致摻雜於混合流體中。

本發明之一目的係提供一種流體混合方法，藉由磁性流體形成磁滴列，於旋轉磁場下進行公旋及自旋，以於待混合流體中形成多重渦流而提升流體均勻混合的效果。

為達上述目的，本發明提供一種流體混合方法，包含以下步驟：提供一待混合流體以及一磁性流體，其中該待混合流體與該磁性流體不互溶，該待混合流體包含複數種流體，且該些流體彼此間具有一界面；以及於該待混合流體中滴入該磁性流體，以使其於該待混合流體中形成複數顆磁性液滴，並排列成一磁滴 列，藉由一旋轉磁場使該些磁性液滴依其磁滴列中心公旋，且使每一該些磁性液滴依該旋轉磁場之磁場方向自旋，其中，本實驗所使用的磁性液滴，因其表面張力小於待混合流體，在本發明特殊磁場條件下，該些磁性液滴均未因相互碰觸而發生溶合之情形，因此，可藉公旋及自旋運動形成多重渦流而混合該待混合流體。

較佳情況下，於該待混合流體中，該磁性流體可滴入至該些流體彼此間之界面上。

於該待混合流體中滴入該磁性流體，以使其於該待混合流體中形成複數顆磁性液滴，其中每一該些磁性液滴之直徑為0.1~5mm，其尺寸可依不同情況而調整，適用範圍可從微流道至較大尺度之通道，無特別限制。

於本發明中，該磁性流體可為一超順磁性流體，可選擇市售之超順磁流體，例如EMG900、EMG901、ENG905等等。本發明所使用之磁性流體組成分可包括奈米級鐵磁性膠粒子(氧化鐵粒子)、表面活性劑與載體，較佳之磁性流體為一超順磁性流體，該超順磁性流體較佳為一輕礦油基鐵磁性流體，但無特別限制。

於本發明中，將該磁性流體滴入該待混合溶液而形成複數顆磁性液滴時，該些磁性液滴可於穩定的狀態下形成至少一磁滴列，其中，每一該磁滴列可具有2~4顆磁性液滴，依不同情況而有所差異，不限於此。

上述每顆磁性液滴之直徑無特別限制，可依照需求而改變，舉例來說，該直徑可為0.1~5mm。

再者，本發明該些磁性液滴因其表面張力小於週遭之待混合流體，在本實驗之磁場條件下，相鄰之該些磁性液滴間具有一間距，故兩相鄰的磁性液滴不致因碰撞而溶合。所屬技術領域者可了解，該間距可藉由調整參數而改變，無特別限制，舉例來說該間距可為10~20μm間。

於上述方法中，本發明所使用之旋轉磁場較佳為一均勻之旋轉磁場。

此外，本發明旋轉磁場之強度可為40~100Oe，較佳為50~70Oe。該旋轉磁場之頻率可為0.5~5Hz，較佳為1~3Hz，可依情況而調整，無特別限制。

於旋轉磁場作用下，該待混合流體中的磁性液滴將受旋轉磁場作用而拉伸成橢圓棒狀，該磁性液滴的拉伸比除了受旋轉磁場的影響外，亦會受磁性流體本身的表面張力而影響，因此磁性液滴的拉伸可因參數條件不同而有所改變。舉例來說，該磁性液滴之拉伸比與磁場強度係成正比之線性關係，該磁性液滴的拉伸比可為1.45~3.3，更佳為1.6~2.4，可避免其於待混合流體中破裂，進而降低混合效果。本發明所指之拉伸比為平衡狀態下，長軸除以短軸之值。

較佳情況下，形成本發明磁性液滴之磁性流體的比重與待混合流體之比重相似，以避免本發明磁性液滴於待混合流體中沉澱，而降低混合效果。

本發明複數顆磁性液滴於旋轉磁場下係依磁滴列中心公旋，且每一磁性液滴又依旋轉磁場之磁場方向 自旋，因此，本發明之複數顆磁性液滴可於待混合流體中形成多重渦流，藉以達到高效率的流體混合效果。此外，該磁性流體與待混合流體不相溶，且使用完畢可回收分離，不致摻雜於混合流體中。

本發明主要利用磁性流體所形成之磁性液滴來進行流體混合的方法，所屬技術領域者在了解本發明之原理及發明精神下，可藉由調整不同參數而獲得所欲之磁性液滴，利用複數顆磁性液滴於旋轉磁場下同時進行公旋與自旋，以產生多重渦流，提高流體混合效率。

1‧‧‧光學顯微鏡平台

2‧‧‧電腦

3‧‧‧交流電源供應器

4‧‧‧線圈

5‧‧‧培養皿

圖1係本發明實施例1之不同磁場強度下觀察不同尺寸磁性液滴之拉伸狀態。

圖2係本發明實施例1之不同磁場強度下觀察不同尺寸磁性液滴之拉伸比。

圖3係本發明實施例1之不同磁場強度下觀察不同尺寸磁性液滴之表面張力。

圖4係本發明實施例2之實驗裝置。

圖5係本發明實施例2之不同磁場強度下，於不同時間點觀察磁性液滴拉伸形變過程。

圖6係本發明實施例2之不同磁場強度下，於不同時間點觀察磁性液滴拉伸形變過程。

圖7係本發明實施例2之不同磁場強度下磁性液滴之拉伸比。

圖8A至圖8G係本發明3之不同數量磁性液滴於固定旋 轉磁場強度下的轉動情形。

圖9係本發明實施例3之磁性液滴數與公轉頻率結果。

圖10係實施例4之不同數量之磁性液滴於不同磁場下之公轉頻率結果。

圖11係實施例5之不同磁性液滴尺寸於相同磁場強度下公轉頻率結果。

圖12係實施例6之待混合流體圖。

圖13係實施例6固定磁場下不同尺寸磁性液滴之流體混合面積變化。

圖14係實施例7不同磁場強度觀察固定尺寸磁性液滴之流體混合面積變化。

圖15A至圖15C係實施例8固定磁場下觀察不同尺寸之複數顆磁性液滴之流體混合變化。

圖16係實施例8固定磁場下觀察不同尺寸之複數顆磁性液滴之流體混合面積變化。

圖17係實施例8固定磁場下觀察不同數量之磁性液滴之流體混合面積變化。

以下係藉由具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。此外，本發明亦可藉由其他不同具體實施例加以施行或應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

<實施例1-單顆磁性液滴於單一磁場下的觀測 >

本實施例之磁性流體為型號ENG905之輕礦油基磁性流體，黏滯度μ為9cp、密度ρ_d為1.24g/ml、飽和磁化率Ms為400Oe、原始磁化率X為1.9。待混合磁性流體係由重量百分比10：1之甘油及蒸餾水等兩種流體組成，其中，該磁性流體與該待混合流體不互溶。

首先，將上述磁性流體藉由針頭滴入至待混合流體，形成磁性液滴，其中該磁性液滴的直徑為(a)2.157mm、(b)2.842mm、(c)3.315mm，於不同磁場強度之單一磁場下0Oe、47Oe、56.4Oe、64.8Oe、75.2Oe、84.6Oe、94Oe，觀察其拉伸形變，結果如圖1所示。由圖1結果可發現，當磁場強度大於50Oe，可明顯地觀察到磁性液滴的拉伸現象。另外，於固定磁場下，隨著磁性液滴直徑越大，拉伸現象越明顯，而當磁性液滴直徑固定，則磁場強度越大，拉伸現象亦隨明顯。

另外，分別於不同磁場強度下，以不同直徑的磁性液滴3.31mm、2.15mm、2.84mm、2.07mm觀察磁性液滴的拉伸比，其結果如圖2所示。由圖2結果可發現無論磁性液滴直徑大小，基本上，磁性液滴的拉伸比與磁場大小呈線性正比關係。

再者，圖3係於不同磁場強度下，觀察不同尺寸之磁性液滴之表面張力，由圖3結果可發現當磁場小於50Oe時，直徑為2.07mm、2.15mm的磁性液滴的表面張力為負值，然而當磁場強度大於50Oe，其表面張力趨於穩定。 綜合圖2及圖3結果，對直徑小於2mm之磁性液滴來說，當磁性液滴的拉伸比超過1.6，可具有穩定的表面張力。

<實施例2-觀測固定尺寸之單顆磁性液滴於不同磁場強度下之拉伸形變過程>

請參考圖4，本實施例之裝置具有一光學顯微鏡平台1，其包含有一電耦合元件CCD；一電腦2，與光學顯微鏡平台1連接；一交流電源供應器3，與電腦2連接；以及兩組亥姆霍茲(Helmholtz)線圈4，藉由電腦控制交流電源供應器，使該兩組線圈產生π/2相位差，而產生均勻旋轉磁場；一培養皿5，用於容納待混合流體，係置於均勻旋轉磁場中。

本實施例之待混合流體以及磁性流體的條件與實施例1相同。

於待混合流體中滴入一滴直徑為2.947mm之磁性液滴，在均勻旋轉磁場下，於0s、1/5s、2/5s、3/5s、4/5s、1s時間點觀察磁性液滴的拉伸形變過程，結果如圖5所示，在此，磁場強度為(a)47Oe、(b)56.4Oe、(c)65.8Oe、(d)75.2Oe、(e)84.6Oe、(f)94Oe，磁場頻率為1Hz。另外，同樣於不同磁場下，觀察直徑為3.105mm之磁性液滴拉伸形變過程，結果如圖6所示。

由圖5及圖6結果可發現，磁性液滴隨著磁力方向拉伸，當磁場強度小於50Oe時，磁性液滴的拉伸形變較小，而當磁場強度大於50Oe時，磁性液滴的拉伸形變隨著磁場強度增加而變大，且隨著磁性液滴直徑越大，變化 越顯著。

另外，將直徑為2.84mm、2.94mm及3.10mm之之磁性液滴在不同旋轉磁場強度下量測其拉伸比，結果如圖7所示，由圖7結果可發現，磁性液滴的拉伸比隨直徑越長及磁場強度增加而增加，在本實施例中，該些磁性液滴的拉伸比約為1.45~3.3。

<實施例3-觀測不同數量之磁性液滴於固定旋轉磁場強度下的轉動>

以實施例2之裝置，於磁場強度56Oe且磁場頻率1Hz下，將直徑為1.67mm之磁性液滴於待混合流體中，分別滴入1~7滴，並於不同時間點觀測其運動情形，結果如圖8A至圖8G所示。

由圖8A至圖8G結果可發現，2~3滴磁性液滴可於穩定狀態下形成一排磁滴列，而4~7滴磁性液滴則可於穩定狀態下形成兩排磁滴列，其中每排最多具有2~4顆磁性液滴。以圖8G為例，當將磁性液滴滴入至待混合流體時，該些磁性液滴將因磁場而聚集為一直線，隨著時間增加，該些磁性液滴將形成兩列磁滴列，每一磁滴列含有3~4顆兩兩不相接觸之磁性液滴，以達穩定平衡的轉動。

於均勻旋轉磁場下，每一磁性液滴皆隨旋轉磁場之磁力方向自旋，且每一顆磁性液滴又同時依其所屬之磁滴列中心公旋，故本實施例中的複數顆磁性液滴可於流體中產生多重渦流而提高流體混合效果。

圖9係圖8A至圖8G之磁滴列沿其質量中心公 轉之頻率變化情形，由圖9結果可發現，當磁性液滴數增加，該些磁性液滴整體的公轉頻率隨之下降。

<實施例4-觀測不同數量之磁性液滴於不同磁場下的轉動>

以實施例2之裝置，於47Oe、56Oe及70Oe磁場強度下，磁場頻率為1Hz，將直徑1.44mm的磁性液滴分別滴入2~7滴，並觀察其公轉頻率，結果如圖10所示。

於固定磁場下，當磁性液滴數越多，則公轉頻率越低，另外，以相同數量之磁性液滴數來看，當磁場強度越強，其公轉頻率越高，其係因為磁場作用在磁滴串上的力矩越大，才使得磁滴列的角速度增加，進而提高其公轉頻率。

<實施例5-觀測不同磁性液滴尺寸於相同磁場強度下的轉動>

以同於實施例2之裝置，在磁場強度56Oe且磁場頻率為1Hz下，將直徑1.44mm、1.67mm及1.89mm之磁性液滴分別滴入2~7顆，隨後觀察其運動情形，結果如圖11所示。

該些磁性液滴整體的公轉頻率隨磁性液滴數增加而降低，且當磁性液滴數量相同，其公轉頻率隨磁性液滴之直徑增加而降低，故當磁性液滴直徑越大，越降低該些磁性液滴之公轉頻率。

<實施例6-觀察單顆不同尺寸之磁性液滴的混合效率>

使用實施例2之裝置，其中待混合流體呈現一半染色一半無色之未混合狀態，以形成一明顯之界面，便於後續觀察混合效果，如圖12所示。

分別於上述之界面上滴入一滴直徑為1.83mm、2.28mm、2.39mm及2.56mm之磁性液滴，於56Oe均勻旋轉磁場下，觀察流體混合之情形，結果如圖13所示。

圖13係使用影像處理分析，設定灰階0~255，將起始尚未開啟磁場時的有顏色區域設為初始面積Ao，開啟磁場後，有顏色區域會和無顏色區域混合，此時再將混合後的有顏色區域再次計算有顏色區域面積An，以計算混合面積變化△A=An-Ao，其中n為磁場開啟後的時間。

由圖13結果可發現，混合面積變化隨磁性液滴的直徑增加而增加，其係因為磁性液滴的直徑越大，拉伸長度越長，因而增加了混合的面積。

<實施例7-觀察單顆相同尺寸之磁性液滴於不同均勻旋轉磁場強度下的混合效果>

以實施例2之裝置，採用實施例6之具有明顯界面之待混合流體，將相同直徑尺寸3.0mm之磁性液滴滴入至待混合流體之染色界面上，以磁場強度為47Oe及56Oe且磁場頻率為1Hz之均勻旋轉磁場，觀察待混合流體之混合面積，結果如圖14所示。

由圖14結果可發現，當磁場強度越大，由於磁性液滴的拉伸比較大的關係，其長軸與流體接觸越大，因而提高待混合流體之混合面積。

<實施例8-觀察具不同尺寸之磁性液滴之磁滴列混合效率>

以同於實施例2之裝置，採用實施例6之具有明顯界面之待混合流體，於固定磁場強度56Oe下，磁場頻率為1Hz，將直徑為1.72mm、1.83mm及2.17mm之磁性液滴滴入兩滴至上述界面，觀察不同時間點的流體混合情形，結果如圖15A至圖15C以及圖16所示，當磁性液滴的直徑越大，待混合流體之混合面積也越大，且拉伸比約為1.87。

另外，以相同直徑1.83mm的磁性液滴，比較單顆磁性液滴與雙顆磁性液滴的混合面積變化，結果如圖17所示。圖17為單顆磁性液滴與雙顆磁性液滴的三重複實驗結果，結果可發現，雙顆磁性液滴具有較好的混合效率，推測原因係由於雙顆磁性液滴係形成磁滴列，當受均勻旋轉磁場作用時，不但能拉伸成旋轉半徑大於單獨磁性液滴之磁滴列，亦能因同時自旋與公旋的作用而提高待混合流體的混合效率，故本發明由複數顆磁性液滴所形成之複數顆液態轉子能夠大幅提高流體的混合效率。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

Claims (10)

1. 一種流體混合方法，包含以下步驟：提供一待混合流體以及一磁性流體，其中該待混合流體與該磁性流體不互溶，該待混合流體包含複數種流體，且該些流體彼此間具有一界面；以及於該待混合流體中滴入該磁性流體，以使其於該待混合流體中形成複數顆磁性液滴，並排列成一磁滴列；藉由一旋轉磁場使該些磁性液滴依該磁滴列中心公旋，且使每一該些磁性液滴依該旋轉磁場之磁場方向自旋，其中，該些磁性液滴不因相互接觸而溶合，藉此形成多重渦流而混合該待混合流體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該磁性流體係滴入至該些流體彼此間之該界面上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該磁性流體係一超順磁性流體。
4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該超順磁性流體為一輕礦油基鐵磁性流體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該磁滴列具有2~4顆該磁性液滴。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中每一該些磁性液滴之直徑為0.1~5mm。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，該旋轉磁場為一均勻旋轉磁場。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該旋轉磁場之磁場強度為40~100Oe。
9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該旋轉磁場之磁場頻率為0.5~5Hz。
10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中每一該些磁性液滴之拉伸比係介於1.45~3.3。