一种开放式液液射流混合的装置及方法

技术领域

本发明涉及液液混合技术，特别是涉及一种开放式液液射流混合的装置及方法。

背景技术

液-液混合的机理主要有层流混合和湍流混合。对于高黏度液体(黏度在10Pa·s以上)之间的混合过程通常为层流混合。对于大多数的生化实验或化工生产过程，液体物料的黏度比较低，一般在10Pa·s以下，此时常通过流体之间的强烈湍流实现混合。射流喷射混合器是实现液-液快速混合常用的设备之一，其原理是将快速运动的液体流以较高的速度喷射到缓慢流动或者静止的另一液体中(骆培成等，液-液快速混合设备研究进展，《化工进展》.2005,(12))。在射流边界，由于射流流体和主流体之间的速度差，而形成了混合层，该混合层沿着射流流动方向扩展，通过夹带和混合，使射流流体不断进入主流体中。射流流体的方向可以与主流体方向一致(中心射流或同轴射流)，也可以与主流体成一定的角度(错流射流)(刘家栋，中心多孔射流的旋流式静态混合器混合性能研究，10.27905/d.cnki.gsghy.2022.000224)。对于低黏度小分子(或者中等分子)流体之间的混合过程，当射流流体进入主流体中，微观上形成管状漩涡结构的时间尺度要大于分子扩散的时间尺度，因此成为控制液-液微观混合的主要因素。对于微量液体，常规的射流混合器存在死体积大、样品损耗多、操作复杂的问题，因此很难直接适用。

对于微量液体混合，有一类芯片式微混合器，其通道结构通常在微米量级，入口雷诺数(Re)很小，流体的流动结构为层流。分层流动使得混合过程非常缓慢且混合效果差。在微流道中引入微尺度结构，可以对流体产生约束与诱导作用，能够有效改善局部流场状态，但是在应用方面还是存在压降过大、集成化低等问题。

因此，为了提高微量液体的射流混合效率和装置简便性，迫切需要开发一种简便的液-液混合装置。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种开放式液液射流混合的装置及方法。

一种开放式液液射流混合的装置，包括射流系统和具有微结构的开放式容器，所述开放式容器包括用于存放其中一种待混合液体的混合槽，所述混合槽顶面开口设置，所述微结构为设于所述混合槽槽底、用于辅助混合的凹凸不平结构，使用时，将另一种待混合液体由射流系统射入混合槽内，使两种待混合液体混匀。

优选的，所述混合槽的侧壁也设有所述微结构。具体使用时，主要是混合槽槽底的微结构起作用，而在混合槽的侧壁也设置有微结构可以进一步促进混合效果。

优选的，所述混合槽的槽底局部设有所述微结构，所述微结构所占面积不超过混合槽槽底面积的10％，所述混合槽的槽底未设置所述微结构的区域为平面。这样混合槽中局部是有微结构设计的，可以有助于混合，将射流系统射入混合槽中时对准有微结构的区域；混合槽中没有设计微结构的区域为平面，也可以被用来做由底面向上或向下的各类检测，也不会受微结构的干扰，实现多功能使用。

优选的，所述射流系统包括射流管、注射器、连接射流管和注射器的管路，以及用于驱动注射器活塞移动的驱动泵。驱动泵驱动注射器活塞移动，从而注射器通过管路将液体驱动到射流管并以一定流速射出，用于混合。

进一步优选的，所述开放式容器包括若干所述混合槽，所述开放式液液射流混合的装置还包括可以使射流管和开放式容器之间在三维方向上相对移动的三维操作平台。如果设置多个混合槽，这样可以在多个混合槽中先一起加好其中一种液体，射流系统工作时，按顺序进行，可以在不同混合槽中连续进行混合，提供工作通量。

进一步优选的，所述开放式液液射流混合的装置包括底座，所述底座上设有载物台，所述载物台上设有用于放置所述开放式容器的放置区，所述底座上设有第一水平导轨，以及驱动载物台沿第一水平导轨移动的第一水平驱动机构；

所述底座上还设有用于安装所述射流系统的支架，所述支架上设有用于安装所述射流系统的安装座、第二水平导轨及竖向导轨，以及用于驱动安装座沿竖向导轨移动的竖向驱动机构、用于一体驱动安装座和竖向导轨沿第二水平导轨移动的第二水平驱动机构，

所述第一水平导轨与第二水平导轨垂直。

进一步优选的，所述射流系统包括至少两套射流管、注射器、管路和驱动泵，各射流管的间距可调。通过设置至少两套射流管，可以同步进行射流混合，提供工作通量。而各射流管之间间距可调，从而可以根据混合槽的情况来调整射流管之间的间距。

本发明还提供了一种开放式液液射流混合的方法，使用所述开放式液液射流混合的装置，在所述开放式容器的混合槽中存放其中一种待混合液体，将另一种待混合液体由射流系统射入混合槽内，使两种待混合液体混匀。

优选的，所述射流管与混合槽的微结构之间的距离为射流管出口内径的0.1～10倍。

优选的，射流系统的射流口与所述混合槽槽底的微结构之间的夹角为0～90°。

优选的，射流系统的射流口喷射出液体的流速为0.1～5.0mL/min。

本发明有益效果：

本发明开放式液液射流混合的装置通过射流系统和具有微结构的开放式容器的设置，兼具了射流混合与微结构混合的优势，凹凸不平结构组成的微结构使混合效率更高，可实现小体积液体在大量液体中瞬时混合。

本发明可混合高粘度差和高表面张力差的液体，可混合的液体种类多。微结构被动混合器相比其他主动混合器制作简单，成本较低，节省材料。

本发明的开放式容器可直接放于反应仪器中反应或放于检测器中检测，有利于实验流程的简化，有利于操作的自动化改进。

附图说明

图1为本发明装置的立体结构示意图。

图2为本发明装置另一视角的立体结构示意图。

图3为射流系统的结构示意图。

图4为第二水平驱动机构的结构示意图。

图5为竖向驱动机构的结构示意图。

图6为本申请第一种微结构单元——四方尖的立体结构示意图。

图7为本申请第一种微结构单元——四方尖的俯视结构示意图。

图8为四方尖延伸组成的立体结构示意图。

图9为本申请第三种微结构单元——四方凹陷圆锥的俯视结构示意图。

图10为图9中沿A-A方向的剖视图。

图11为本申请第四种微结构单元——凸半球的侧视结构示意图。

图12为图11中沿B-B方向的剖视图。

图13为本申请第五种微结构单元——椭圆凹槽的侧视结构示意图。

图14为本申请第五种微结构单元——椭圆凹槽的立体结构示意图。

图15为本申请第二种微结构单元——小圆凸的侧视结构示意图。

图16为图15中沿C-C方向的剖视图。

图17为小圆凸延伸组成的立体结构示意图。

附图标注：

射流系统1，射流管11，注射器12，管路13，驱动泵14，

开放式容器2，混合槽21，

底座3，载物台31，第一水平导轨32，第一水平驱动机构33，

支架4，安装座41，第二水平导轨42，竖向导轨43，竖向驱动机构44，第二水平驱动机构45。

具体实施方式

如图1～5所示，一种开放式液液射流混合的装置，包括射流系统1和具有微结构的开放式容器2，开放式容器2包括用于存放其中一种待混合液体的混合槽21，混合槽21顶面开口设置，微结构为设于混合槽21槽底、用于辅助混合的凹凸不平结构，使用时，将另一种待混合液体由射流系统1射入混合槽21内，使两种待混合液体混匀。开放式容器2包括若干混合槽21，设置多个混合槽21，这样可以在多个混合槽21中先一起加好其中一种液体，射流系统工作时，按顺序进行，可以在不同混合槽21中连续进行混合，提供工作通量。

在一种优选的实施方式中，混合槽21的侧壁也设有微结构。具体使用时，主要是混合槽21槽底的微结构起作用，而在混合槽21的侧壁也设置有微结构可以进一步促进混合效果。

在一种优选的实施方式中，混合槽21的槽底局部设有微结构，微结构所占面积不超过混合槽21槽底面积的10％，混合槽21的槽底未设置微结构的区域为平面。这样混合槽21中局部是有微结构设计的，可以有助于混合，将射流系统1射入混合槽21中时对准有微结构的区域；混合槽21中没有设计微结构的区域为平面，也可以被用来做由底面向上或向下的各类检测，也不会受微结构的干扰，实现多功能使用。

射流系统1包括射流管11、注射器12、连接射流管11和注射器12的管路13，以及用于驱动注射器12的活塞移动的驱动泵14。驱动泵14驱动注射器12的活塞移动，从而注射器12通过管路13将液体驱动到射流管11并以一定流速射出，用于混合。

本发明开放式液液射流混合的装置包括底座3，底座3上设有载物台31，载物台31上设有用于放置开放式容器2的放置区，底座3上设有第一水平导轨32，以及驱动载物台31沿第一水平导轨32移动的第一水平驱动机构33。

底座3上还设有用于安装射流系统1的支架4，支架4上设有用于安装射流系统1的安装座41、第二水平导轨42及竖向导轨43，以及用于驱动安装座41沿竖向导轨43移动的竖向驱动机构44、用于一体驱动安装座41和竖向导轨43沿第二水平导轨42移动的第二水平驱动机构45。第一水平导轨32与第二水平导轨42垂直。这样开放式容器2在一个维度上移动，射流系统1在另外两个维度上移动，三个维度叠加可以实现射流系统1与开放式容器2在三维方向上相对移动。

在一种优选的实施方式中，射流系统1包括至少两套射流管11、注射器12、管路13和驱动泵14，各射流管11的间距可调。通过设置至少两套射流管11，可以同步进行射流混合，提供工作通量。而各射流管11之间间距可调，从而可以根据混合槽21的情况来调整射流管11之间的间距。比如，图3中所示共有两套射流管11，分别安装在一个射流管安装座上，两个射流管安装座的间距可调。

本申请中微结构的作用在于促进液体混合，所以，任意能够有助于液体混合的形状都可以使用。微结构可以有一个个的微结构单元重复排列形成一块微结构区域，图6和图7所示为本申请第一种微结构单元，命名为“四方尖”，是一种凸机构，是四棱锥形结构。图8为10×10排列的四方尖的结构示意图。

图9和图10为本申请第二种微结构单元，命名为“四方凹陷圆锥”，是一种凹结构，每个凹陷是一个圆锥形。

图11和图12为本申请第三种微结构单元，命名为“凸半球”，是一种凸结构，顶部是半球形，底部是圆柱形。

图13和图14为本申请第四种微结构单元，命名为“椭圆凹槽”，是一种凹结构，每个凹陷的形状截面是部分椭圆形。

图15和图16所示为本申请第五种微结构单元，命名为“小圆凸”，是一种凸结构，图17为10×10排列的小圆凸的结构示意图。

本发明还提供了一种开放式液液射流混合的方法，使用所述开放式液液射流混合的装置，在所述开放式容器的混合槽中存放其中一种待混合液体，将另一种待混合液体由射流系统射入混合槽内，使两种待混合液体混匀。射流管与混合槽的微结构之间的距离为射流管出口内径的0.1～10倍。射流系统的射流口与所述混合槽槽底的微结构之间的夹角为0～90°。射流系统的射流口喷射出液体的流速为0.1～5.0mL/min。

表1

实验数据：用0.1、1、3、5mL/min流速，将10微升乳油，垂直注射入预装有990微升硬水的具有不同内壁微结构的容器单元中，乳油将在其中自动乳化形成白色乳浊液，对光产生吸收。射流管尖端内径1毫米，管口距离容器底部微结构2.5毫米。注射后5秒钟，利用侧向光路检测光程为5毫米的液体在600nm下的吸光度。5种内壁结构(对应图9～图17中的五种)不同的容器分别标号1、2、3、4、5，编号6为内壁光滑无特殊结构的容器，各组吸光度OD值结果如表1所示，可以看出，具有微结构的容器在射流注入后的短时间内能明显改善混合效果。