微通道混合器是一种在微尺度下实现流体混合的设备，具有高效率、高精度、高反应速度等优点，因此在生物医学、环境科学、化工等领域得到了广泛应用。本文将从微通道混合器的原理、结构、应用等方面进行介绍。

一、微通道混合器的原理

微通道混合器的基本原理是利用微通道中的流体动力学效应，使两种或多种流体在微尺度下快速、高效地混合。在微通道中，流体的流动行为与宏观尺度下的流动行为有很大的不同。由于微通道的尺寸非常小，流体的流动速度非常快，因此流体的剪切力非常大。这种大剪切力可以使不同种类的流体在微通道中快速分散和混合。

在微通道混合器中，通常有两种或多种流体进入微通道，通过控制流体的流量和流动方向，可以产生各种复杂的流体动力学效应，从而实现不同流体之间的快速混合。例如，当两种流体从不同的入口进入微通道时，它们会在微通道中相遇并相互碰撞，从而产生强烈的混合效果。此外，还可以通过改变微通道的形状和尺寸，以及控制流体的流动速度和方向，来优化混合效果。

下图为多微射流喷射，其流量约0.01 - 0.1 gL/s，其流体的Re < 1，属于高粘性流动，广泛应用于工业化学传感器。整个系统由硅/玻璃夹层组成，通过阳极键合连接。流道一结构蚀刻在玻璃上，流道二蚀刻在硅板上。二者流道重叠的区域，通过蚀刻止点界定的构造板块隔开。其流道最大宽度300μm，最大深度30μm。用于分隔玻璃和硅片通道的结构板厚度为5 μm，狭缝宽度为15 μm。多狭缝微流道喷射口的微型静态混合器对喷流的微观观察表明，在几秒钟内就形成了均匀的混合物。在大约1s的混合时间内，以大约1gL/s的流速完全混合。

下图为复合型薄流层混合器的扫描电子显微图。该装置由2 × 15个交错微通道和波纹壁组成。待混流体逆流进入混合器，流入波纹壁面的交错通道。流道宽度一般为25至40微米。通道的结构导致了两种流体呈周期性流动。流体沿进料的垂直方向流出混合器，由于每层板的厚度足够薄，所以流体之间通过扩散达到快速混合的效果（如图2所示）。波纹槽壁增加了流体的接触面，提高了分离壁的机械稳定性。

 下图为堆叠板错流换热器（错流微换热器的核心部件，由多层横向定向的金属板片组成）。为了有效地将热量从一种流体传递到另一种流体，除了需要足够大的接触面积和温度梯度外，还有另一个重要的准则是传热与压力损失的比率。流体被分成许多微小流（如板式热交换器）。这些局部流体通常呈现低雷诺数特点，往往是层流状态而不是湍流状态。减小流道的尺寸增大了温度梯度和交换面体积比，即小型化的换热器会有更好的换热效果。流动尺寸的减小不可避免地与粘性损失的增加有关，但总体传热压力损失比得到了改善。

下图为堆叠板错流换热器（错流微换热器的核心部件，由多层横向定向的金属板片组成）。为了有效地将热量从一种流体传递到另一种流体，除了需要足够大的接触面积和温度梯度外，还有另一个重要的准则是传热与压力损失的比率。流体被分成许多微小流（如板式热交换器）。这些局部流体通常呈现低雷诺数特点，往往是层流状态而不是湍流状态。减小流道的尺寸增大了温度梯度和交换面体积比，即小型化的换热器会有更好的换热效果。流动尺寸的减小不可避免地与粘性损失的增加有关，但总体传热压力损失比得到了改善。

二、微通道混合器的结构

微通道混合器的结构通常包括微通道、流体入口和出口、以及用于控制流体的控制系统。微通道是混合器的核心部分，其形状和尺寸可以根据具体应用进行调整。例如，常见的微通道形状有矩形、三角形、圆形等。流体入口和出口用于将流体引入和导出微通道，控制系统则用于控制流体的流量和流动方向。

在制造微通道混合器时，通常采用微加工技术来制造微通道。微加工技术是一种在微米级别上制造结构的技术，可以制造出非常精细的微通道。此外，还可以采用其他技术来制造微通道混合器，如扩散焊、光刻技术、电子束蒸发技术等。

三、微通道混合器的应用

生物医学领域

在生物医学领域，微通道混合器可用于细胞培养、药物筛选和生物分子相互作用研究等方面。例如，可以将细胞培养液和细胞一起引入微通道中，通过控制流体的流量和流动方向，可以模拟细胞在体内的行为。此外，还可以将药物溶液和细胞一起引入微通道中，以研究药物对细胞的作用。

环境科学领域

在环境科学领域，微通道混合器可用于水处理、气体处理和环境监测等方面。例如，可以将污水引入微通道中，通过控制流体的流量和流动方向，可以去除污水中的有害物质。此外，还可以将气体引入微通道中，以去除气体中的有害物质。

化工领域

在化工领域，微通道混合器可用于化学反应、材料合成和分离等方面。例如，可以将两种或多种化学试剂引入微通道中，通过控制流体的流量和流动方向，可以快速、高效地进行化学反应。此外，还可以将材料引入微通道中，以合成新的材料。

以下是一些微通道混合器的实际应用例子：

1. 生物医学应用：

• 药物筛选：在微通道混合器中，研究人员可以将药物溶液与细胞培养液混合，以研究药物对细胞的作用。这种设备可以快速、高通量地筛选出对特定细胞有疗效的药物，大大缩短了药物研发周期。

• 蛋白质相互作用研究：通过微通道混合器，可以将两种蛋白质溶液快速混合，研究它们之间的相互作用。这种设备可以提供高精度的蛋白质相互作用研究平台，有助于深入理解生物分子间的相互作用机制。

2. 环境科学应用：

• 水处理：微通道混合器可用于污水处理。例如，将污水引入微通道中，通过控制流体的流量和流动方向，可以去除污水中的有害物质，如重金属离子、有机物等。这种设备具有高效、快速的特点，有助于提高水处理效率。

• 气体处理：在气体处理领域，微通道混合器可用于去除气体中的有害物质。例如，将含有污染物的气体引入微通道中，通过控制流体的流量和流动方向，可以去除气体中的有害物质，如硫化物、氮氧化物等。这种设备有助于改善空气质量，保护环境。

3. 化工应用：

• 化学反应：在化工领域，微通道混合器可用于高效地进行化学反应。例如，将两种或多种化学试剂引入微通道中，通过控制流体的流量和流动方向，可以快速、高效地进行化学反应。这种设备有助于提高化学反应的效率和选择性。

• 材料合成：微通道混合器可用于合成新材料。例如，将两种或多种材料溶液引入微通道中，通过控制流体的流量和流动方向，可以合成新的材料。这种设备具有高通量、高效率的特点，有助于加速材料研发进程。

四、结论

本文介绍了微通道混合器的原理、结构和应用等方面。微通道混合器是一种在微尺度下实现流体混合的设备，具有高效率、高精度、高反应速度等优点。航烨能源致力为科研用户提供定制化、自动化、高端化的微通道混合器，将全流程跟踪为用户提供“交钥匙”一体式服务。