О механизме формирования капель в Х-образном микрофлюидном устройстве
Автор: С. Д. Светлов, Р. Ш. Абиев, Ю. П. Прокофьева, А. В. Ануфриев
Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie
Рубрика: Физика приборостроения
Статья в выпуске: 1 т.30, 2020 года.
Бесплатный доступ
В работе описаны результаты экспериментального исследования генерирования микроэмульсий в микрофлюидном устройстве собственного производства, оснащенном X-образным смесителем. Представленные карты режимов показали значительное влияние концентрации поверхностно-активных веществ на режим течения в канале и на размер формируемых капель. Получено универсальное уравнение для расчета критических капиллярных чисел, определяющих переход между режимами течения. Проведен предварительный анализ силовых факторов, влияющих на процесс формирования капель дисперсной фазы. Выявлены преобладающие силы, в большей степени определяющие размер формируемых капель.
Микрофлюидика, эмульгирование микросферы, формирование капель, микрофлюидное устройство, microfluidics, microsphere emulsification, droplet formation, microfluidic device
Короткий адрес: https://sciup.org/142221530
IDR: 142221530 | DOI: 10.18358/np-30-1-i316
Фрагмент статьи О механизме формирования капель в Х-образном микрофлюидном устройстве
ВЫВОДЫ
В результате экспериментального исследования режимов течения, формируемых в микрофлюидных устройствах, можно сделать следующие выводы. 1. Концентрация ПАВ влияет на положение границ режимов течения. Добавление SLS снижает межфазное натяжение, тем самым способствует раннему отрыву капель и переходу от снарядного режима течения к капельному. 2. Получено уравнение для расчета границы снарядного и капельного режимов течения в капиллярных числах. 3. На основе силового анализа формирования капель, основанного на втором законе Ньютона, выявлены наиболее значимые силовые факторы, влияющие на формирование и отрыв капель. Среди исследованных воздействий на дисперсную
фазу наибольшую роль играют силы поверхностного натяжения (о чем свидетельствуют малые капиллярные числа Ca), касательные напряжения, возникающие в кольцевом зазоре между каплей и стенкой канала, а также градиент давления по длине капли. 4. Полученные в результате моделирования карты режимов качественно подтвердили данные, найденные экспериментально: увеличение концентрации ПАВ приводит к расширению области капельного режима течения в область низких расходов сплошной фазы. 5. Упрощенное математическое описание процесса формирования капель позволяет оценить влияние тех или иных факторов, установить их роль в этом процессе, а значит, поможет управлять процессом получения микроэмульсий.
Список литературы О механизме формирования капель в Х-образном микрофлюидном устройстве
- Bangs L.B. Uniform latex particles. Seragen Diagnostics Inc, 1984. 65 p.
- Dendukuri D., Doyle P.S. The synthesis and assembly of polymeric microparticles using microfluidics // Advanced Materials. 2009. Vol. 21, no. 41. P. 4071–4086. DOI: 10.1002/adma.200803386
- Langer R., Peppas N. Chemical and physical structure of polymers as carriers for controlled release of bioactive agents: a review // Journal of macromolecular science. Reviews in macromolecular chemistry and physics. 1983. Vol. 23, no. 1. P. 61–126. DOI: 10.1080/07366578308079439
- Cubaud T., Mason T.G. Capillary threads and viscous droplets in square microchannels // Physics of fluids. 2008. Vol. 20, no. 5. 053302. DOI: 10.1063/1.2911716
- Thorsen T., Roberts R.W., Arnold F.H., Quake S.R. Dynamic pattern formation in a vesicle-generating microfluidic device // Physical review letters. 2001. Vol. 86, no. 18. 4163. DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.4163
- Whitesides G.M. The origins and the future of microfluidics // Nature. 2006. Vol. 442, no. 7101. P. 368–373. DOI: 10.1038/nature05058
- Christopher G.F., Anna S.L. Microfluidic methods for generating continuous droplet streams // Journal of Physics D: Applied Physics. 2007. Vol. 40, no. 19. R319. DOI: 10.1088/0022-3727/40/19/R01
- Teh S.Y., Lin R., Hung L.H., Lee A.P. Droplet microfluidics // Lab on a chip. 2008. Vol. 8, no. 2. P. 198–220. DOI: 10.1039/b715524g
- Anna S.L., Mayer H.C. Microscale tipstreaming in a microfluidic flow focusing device // Physics of fluids. 2006. Vol. 18, no. 12. 121512. DOI: 10.1063/1.2397023
- Utada A.S., Fernandez-Nieves A., Stone H.A., Weitz D.A. Dripping to jetting transitions in coflowing liquid streams // Physical review letters. 2007. Vol. 99, no. 9. 094502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.094502
- Guillot P., Colin A., Utada A.S., Ajdari A. Stability of a jet in confined pressure-driven biphasic flows at low Reynolds numbers // Physical review letters. 2007. Vol. 99, no. 10. 104502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.104502
- Svetlov S.D., Abiev R.S. Formation mechanisms and lengths of the bubbles and liquid slugs in a coaxialspherical micro mixer in Taylor flow regime // Chemical engineering journal. 2018. Vol. 354. P. 269–284. DOI: 10.1016/j.cej.2018.07.213
- Thulasidas T.C., Abraham M.A., Cerro R.L. Flow patterns in liquid slugs during bubble-train flow inside capillaries // Chemical engineering science. 1997. Vol. 52, no. 17. Р. 2947–2962. DOI: 10.1016/S00092509(97)00114-0
- Burns J.R., Ramshaw C. The intensification of rapid reactions in multiphase systems using slug flow in capillaries // Lab on a chip. 2001. Vol. 1, no. 1. P. 10–15. DOI: 10.1039/b102818a
- Dietrich N., Poncin S., Midoux N., Li H.Z. Bubble formation dynamics in various flow-focusing microdevices // Langmuir. 2008. Vol. 24, no. 24. P. 13904–13911. DOI: 10.1021/la802008k
- Xu J.H., Li S.W., Tan J., Wang Y.J., Luo G.S. Preparation of highly monodisperse droplet in a T-junction microfluidic device // AIChE journal. 2006. Vol. 52, no. 9. P. 3005–3010. DOI: 10.1002/aic.10924
- Шевченко Н.Н., Абиев Р.Ш., Светлов С.Д., Ануфриев А.В., Прокофьева Ю.П., Байгильдин В.А. Формирование стабильных сферических эмульсий методом капельной микрофлюидики // Научное приборостроение. 2019. Т. 29, № 3. C. 20–29. URL: http://iairas.ru/mag/2019/abst3.php#abst2
- Фролов Ю.Г., Гродский А.С., Назаров В.В., Моргунов А.Ф. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. М.: Химия, 1986. 216 с.
- Handbook of industrial mixing: Science and practice / Eds. Paul E.L., Atiemo-Obeng V.A., Kresta S.M. John Wiley & Sons, 2004. 1448 p.
- Zhao Y., Chen G., Yuan Q. Liquid-liquid two-phase flow patterns in a rectangular microchannel // AIChE. 2006. Vol. 52, no. 12. Р. 4052–4060. DOI: 10.1002/aic.11029
- Fu T., Wu Y., Ma Y., Li H.Z. Droplet formation and breakup dynamics in microfluidic flow-focusing devices: from dripping to jetting // Chemical engineering science. 2012. Vol. 84. P. 207–217. DOI: 10.1016/j.ces.2012.08.039
- Bhunia A., Pais S.C., Kamotani Y., Kim I.H. Bubble formation in a coflow configuration in normal and reduced gravity // AIChE. 1998. Vol. 44, no. 7. Р. 1499–1509. DOI: 10.1002/aic.690440704
- Светлов С.Д., Абиев Р.Ш. Моделирование микрофлюидного чипа для генерирования монодисперсных эмульсий // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2018. Т. 71. С. 87–93.
- Абиев Р.Ш. Моделирование гидродинамики снарядного режима течения газожидкостной системы в капиллярах // Теоретические основы химической технологии. 2008. Т. 42, № 2. С. 115–127.
- Aussillous P., Quéré D. Quick deposition of a fluid on the wall of a tube // Physics of fluids. 2000. Vol. 12, no. 10. P. 2367–2371. DOI: 10.1063/1.1289396
- Cubaud T., Tatineni M., Zhong X., Ho C.M. Bubble dispenser in microfluidic devices // Physical Review E. 2005. Vol. 72, № 3. 037302. DOI: 10.1103/PhysRevE.72.037302
- Fu T., Ma Y., Funfschilling D., Li H.Z. Bubble formation and breakup mechanism in a microfluidic flow-focusing device // Chemical Engineering Science. 2009. Vol. 64, no. 10. P. 2392–2400. DOI: 10.1016/j.ces.2009.02.022
