專利名稱：用于在不混溶流體之間進行擴散傳遞的方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用于在第一與第二不混溶流體之間進行如從一種流體到另一種流體的物質(zhì)傳遞之類處理的方法與設(shè)備。
周知在液體/液體的物質(zhì)傳遞中使用了薄膜。EP-A-0246965和載于Journal of Memhrane Science(膜滲學雜志)第20期(1984)125至145頁的Kiani等人的文章“Solvent Extraction with Immobilised Interfacesin a Microporous Hydrophobic Membrane”(用微孔性疏水薄膜在固定界面情況下進行溶劑萃取)均公開了在兩種不混溶液體之間傳遞溶質(zhì)，其中，液體間的分界面由一薄膜所限定。所說的物質(zhì)傳遞實際是在薄膜的孔隙內(nèi)進行的，這一處理中所使用的典型薄膜是Calgard牌(注冊商標)2400型微孔性聚丙烯膜。這種薄膜一般約25微米厚并具有直徑為0.02微米的有效孔隙。因此，在其中進行物質(zhì)傳遞的孔隙基本上是非常長且薄的。Kiani公開了一種疏水薄膜。薄膜一側(cè)的液相的壓力高于薄膜另一側(cè)的有機相，因此，在薄膜的液體一側(cè)會使液體界面穩(wěn)定住。
這種結(jié)構(gòu)的問題是界面處孔隙內(nèi)的液體基本上是靜止的。就薄膜兩側(cè)的流體流而言，薄膜起一固體壁面的作用，因此，流體的速度在薄膜流體交界處基本為零。這就會在薄膜孔隙內(nèi)的靜止流體延伸用于使傳遞著的物質(zhì)擴散的距離時為相間遷移提供不利的條件。此外，這種滯流區(qū)會聚積碎屑和不需要的反應(yīng)物，它們可能會影響擴散著的溶質(zhì)的相間遷移。
本發(fā)明概要本發(fā)明基于為擴散傳遞過程提供一種有孔或帶孔薄板這樣的原理，其中，有孔薄板的開孔內(nèi)會形成位于該有孔板兩側(cè)的兩種難混溶流體之間的界面，所說的開孔能使得一種或兩種流體中的基本上平行于所述界面的流體流在每個開孔內(nèi)的界面范圍內(nèi)和界面處是連續(xù)的，從而在界面兩端能進行快速擴散。
在第一個方面中，本發(fā)明提供了用于進行第一與第二不混溶流體之間擴散傳遞處理的設(shè)備，該設(shè)備包括第一和第二流體流路，它們用于相應(yīng)的第一和第二流體并設(shè)置在有孔薄板裝置的相反側(cè)，其中，所述有孔薄板裝置能在使用中使流體間的界面形成在每個開孔處或每個開孔內(nèi)，并且，所述各開孔在界面處按同時垂直于流體流動方向和有孔薄板裝置厚度所測得的至少為較大部分的高度不大于200微米，以便使每種流體的流體流的有效成分能緊挨著前述界面。
在另一個方面中，本發(fā)明提供了進行從第一流體將物質(zhì)擴散傳遞至與第一種流體不相混溶的第二流體中這樣一種處理的方法，該方法包括(1)提供彼此相通連的第一和第二流路，它們貫穿一有孔薄板裝置，其中，所述有孔薄板上的開孔的至少較大部分的高度在界面位置處沿同時垂直于流體流動方向和有孔薄板寬度的方向測量時均不大于200微米；(2)使第一和第二流體流過相應(yīng)的第一和第二流路，因此，至少在有孔薄板裝置的附近處，流體流是基本上分層的，并且，會在所說的界面位處于有孔薄板裝置的開孔處或該開孔內(nèi)形成穩(wěn)定的界面，每種流體的流體流的有效成分會緊挨著前述界面；以及(3)擴散傳遞可加以傳遞的物質(zhì)總量的有效數(shù)量(至少1％)；以及(4)在不使流體混合的情況下使流體在相應(yīng)的流路內(nèi)流離有孔板裝置。
因此，依照本發(fā)明，提供了這樣的方法和裝置，它們可在不構(gòu)成使流體混合起來的危險的情況下進行兩種不混溶流體間擴散傳遞處理，同時能在不形成位于所述界面處的流體滯留區(qū)的情況下進行快速傳遞處理。
所述開孔的高度越大，就越難以保持穩(wěn)定的界面，并且，在實踐中，大于200微米的高度是無用的。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，1至30微米的高度是最佳的。開孔沿流體流動方向的長度最好延續(xù)界面最大面積這樣的距離，開孔可如需要的那樣長。
所述薄板裝置可帶有開孔，所有這些開孔具有基本上均勻的尺寸，；在這種情況下，所有的開孔均滿足以上的尺寸要求。但是，當所述成形方法在開孔尺寸方面有一定的隨機性時，一般不會有單個的開孔具有超過200微米最好是不超過30微米的高度。
至于橫跨所述界面的開孔的寬度，就具有通常垂直于薄板和界面的內(nèi)壁的開孔而言，開孔跨越薄板厚度和界面的寬度取決于開孔寬度與開孔高度的尺寸比。為了能使流體從薄板裝置的兩側(cè)流進開孔并使流體流的具體成分位于前述界面處，通常要使上述尺寸比小于或等于1。因此，在開孔高度減小時，開孔寬度也必須減小，并且，在實踐中有一個下限，該下限取決于薄板裝置的形狀。如果上述尺寸比小于1，則界面附近的流體流就會因流體流進開孔而減弱，從而會影響流體流出開孔。
在所述開孔的另一種形式中，這種形式在薄板裝置形成為一蝕刻的硅板的情況是特別適用的，每個開孔的壁面均具有一定的錐度，此錐度非常寬，因此，所說的界面會形成在開孔的狹窄端部或開孔內(nèi)的收縮部，并且，流體會從開孔比上述狹窄端部或收縮寬一或兩個數(shù)量級的另一端流入。這種結(jié)構(gòu)對便于生產(chǎn)來說是必要的。這種結(jié)構(gòu)不受上述小于或等于1的尺寸比的限制，因為，流體的流入和流入在開孔的上游端和下游端沿錐形壁面本來就是獨立的。
所述薄板裝置通常形成為一平板，盡管該平板不一定設(shè)置在一個平面內(nèi)，而是可形成為一個卷或一個圓柱。上述薄板部件可與其它結(jié)構(gòu)例如用于第一和第二流體的流體流路的壁面成整體。
在某些情況下，所述薄板裝置可形成為一個三維結(jié)構(gòu)的整體部分。例如，該薄板可形成為薄板部分，這些薄板部分在較大的三維塊之間延伸，而所說的三維塊則與流體流動通道的側(cè)壁相接合以便支承上述薄板部分。作為另外一種形式，具體如我們的共同未決申請書(PQ 12618)9421312.1所述，前述薄板裝置由一薄層微球例如熔接在一起的玻璃所限定，因此，微球之間的空間限定了薄板的開孔。在一種形式中，裝填在小球薄層兩側(cè)的較大球體構(gòu)成了用于薄板裝置的支承件并提供了流體流路，它們用于在薄板裝置兩側(cè)流動的流體。作為另一種形式，所述薄板裝置可由一編織纖維或非編織纖維薄層所限定，所說的纖維熔接或以其它方式粘合在一起，因此，纖維間的空間限定了薄板裝置的開孔。在一種形式中，裝填或編織在小纖維薄層兩側(cè)的較大纖維構(gòu)成了用于薄板裝置的支承件并提供了流體流路，它們用于在薄板裝置兩側(cè)流動的流體。
依照本發(fā)明，會在薄板裝置的開孔的兩端產(chǎn)生顯著數(shù)量的擴散傳遞。如下所述，為了使物質(zhì)的顯著擴散傳遞能出現(xiàn)在兩種流體間的薄板裝置的兩端，要對界面區(qū)內(nèi)的流體流路的寬度加以某些限制。業(yè)已表明，與上述界面區(qū)相鄰并與界面相垂直的第一流路的寬度(l)由下述不等式給出l2＜D.t.x-1其中，D是第一流體的擴散系數(shù)，所述第一流體包含有要傳遞給第二流體的傳遞物質(zhì)，t是0.1至100秒的時間，它用于在薄板裝置的開孔的界面區(qū)內(nèi)占據(jù)一定位置的流體部分，x是等于0.005或更大的數(shù)值常數(shù)。
時間t表示流體實際在開孔的界面區(qū)內(nèi)花費的時間，在開孔于薄板裝置內(nèi)間隔有顯著距離的情況下，流體在薄板裝置附近所花費的總時間應(yīng)乘以一適當?shù)谋壤蜃印?br> 薄板裝置可以是一網(wǎng)篩，即是由股線編成的薄板，股線之間有開孔。另外，薄板裝置也可以是穿孔的薄片，其中，以某種形式對一薄板加以穿孔，例如，如果薄板是硅板，則通過蝕刻來形成穿孔。另外，如果可將開孔做得足夠大，那么，就可將薄板裝置形成為一由塑料聚合物構(gòu)成的多孔薄膜。
在開孔沿流體流動方向延伸的情況下，就界面的最大面積而言，為了能有助于維持界面處的流動，只要能保持薄板裝置的物理穩(wěn)定性，所說的開孔就可以如需要的那么大。
本發(fā)明形成薄板部件的一種方法是對薄硅板或其它半導體基層進行蝕刻。很明顯，也可以使用諸如金屬或陶瓷之類其它材料，包括可支承在硅基層上的氮化硅或氧化硅薄層。也可以沿具體帶有硅基層的晶體平面進行蝕刻以形成具有上述錐形內(nèi)壁的開孔。
作為另一種形式，通過從硅板的兩側(cè)開始蝕刻或者通過使兩個蝕刻后的薄板面對面地定位，可將沿相反方向呈錐形的壁面設(shè)置成在開孔的中心處相交以便形成開孔中點處的最小厚度。這是界面以最佳形式定位并且來自薄板裝置兩側(cè)的流體會流至開孔狹窄部分的地方。
盡管一種流體可以是超臨界流體或氣體，但只要所說的流體是相互不混溶的，它們通常也可以是液體。就氣體而言，氣體在界面處是基本上靜止的，因為，在界面兩端以擴散方式傳遞的物質(zhì)會在氣體中很快擴散離開所說的界面。
在某些應(yīng)用中，本發(fā)明薄板裝置一側(cè)的液體可以是靜止的以便例如形成了一儲存器或者有間隔地移動以便在靜止時進行預定程度的交換。
在涉及到包含有三種或更多流體的過程的情況下，可用實現(xiàn)上述方法的適當裝置來提供至少由兩個相間隔的薄板構(gòu)成的層疊體，而每個薄板的側(cè)面上均有流體層。用這種方式，可以進行并行處理，預定的物質(zhì)會在選定流體之間的一個或多個界面的兩端擴散。對附圖的簡要說明以下參照


本發(fā)明的最佳實施例，在附圖中圖1是本發(fā)明第一實施例的概略圖；圖2和圖3是說明在形成兩種不混溶流體間穩(wěn)定界面時的條件的圖；圖4、圖5和圖6是本發(fā)明有孔薄板中開孔結(jié)構(gòu)形式的概略圖；圖7是包括有電極結(jié)構(gòu)的薄板中開孔的概略圖；以及圖8是本發(fā)明包括在一個三維結(jié)構(gòu)中的實施例的概略圖。
對本發(fā)明的說明參照圖1中概略顯示的第一實施例，呈通道1和2形式的兩個流體流路形成為凹槽，它們切割，切削或蝕刻在相應(yīng)的固體基層3、4上。區(qū)域6內(nèi)的每個通道均與相應(yīng)基層的端面相通連。所述基層彼此相對定位，薄板8設(shè)置在這兩個基層之間，至少位于區(qū)域6內(nèi)的薄板8形成為一帶有開孔10的有孔薄板。薄板8由帶有圓形開孔的20微米的厚硅板構(gòu)成，所說的開孔具有25微米的直徑，它們的中心間隔100微米。所說的開孔的壁面是平行的且垂直于所說的薄板。
使用時，由于相互不混溶的第一(液狀)和第二(有機)流體在通道1和2內(nèi)流動，因而會在薄板8內(nèi)限定一界面，所述薄板的各開孔內(nèi)均會形成一獨立的界面區(qū)，在該界面區(qū)的兩端，預定物質(zhì)(溶解在液相中的金屬)會因所述液體間的擴散遷移過程而運動。由于薄板的尺寸，所以界面處的各流體內(nèi)存在有流體流的基本成分，從而具有以上所述的優(yōu)點。
通道1和2沿垂直于薄板8方向的尺寸是這樣的在使流體從薄板的一端流至另一端所花費的時間內(nèi)，通過擴散至和擴散自流體間界面的過程，可以在上述通道間基本上傳遞(至少1％，最好為50％或更多的)溶于各不混溶流體內(nèi)的溶質(zhì)?？砂聪率龇绞酱_定用于各流體流動通道1，2的適當寬度值。
就通過擴散來達到材料平衡分布的系統(tǒng)來說，進度是主流體的擴散系數(shù)D，時間t和所述系統(tǒng)形狀及尺寸的函數(shù)，所述系統(tǒng)的形狀及尺寸可用沿擴散遷移方向的特征長度來表示。業(yè)已表明，可用一無量綱變量D.t/l2來描述擴散過程的進展(見《擴散數(shù)學》，J.Crank著1975年第二版，牛津大學出版社)。依照本發(fā)明，業(yè)已認識到，在確定流體流路或通道的寬度時可使用上述一般應(yīng)用的等式。
就按著本發(fā)明所進行的顯著擴散而言，應(yīng)傳遞可傳遞物質(zhì)的至少1％最好是50％或更多，所說的可傳遞物質(zhì)在沒有下降的邊界處理的情況下可通過流體的接觸來傳遞很長一段時間。
如果Dt/l2＞0.01，則平衡時傳遞量通常為最大量的1％至10％，而如果Dt/l2＞0.1，則傳遞量約為50％或更多。因此，可根據(jù)傳遞成分的擴散系數(shù)和預定傳遞時間來確定適當?shù)南到y(tǒng)尺寸。所說的擴散系數(shù)取決于物質(zhì)種類、介質(zhì)和溫度，但是，對液體介質(zhì)中的小型至中等分子來說，D的值約為10-9至10-11m2S-1。對諸如某些聚合物之類高分子量的物質(zhì)種類來說，液體介質(zhì)中的擴散系數(shù)基本上是比較低的，例如為10-13m2S-1，而氣體中的系數(shù)則通常高出幾個數(shù)量級。作為一個實例，就快速(～1S)實質(zhì)傳遞(～50％)具有擴散系數(shù)～10-10m2S-1的物質(zhì)種類來說，應(yīng)通過用相關(guān)值代替Dt/l2中的D和t并使該表達式等于0.1而適當?shù)亟o出垂直于流體間界面的尺寸的適當長度。盡管在實踐中10至100μm范圍內(nèi)的尺寸是適當?shù)?，但本例給出了l＝32μm。可以看出，對用于進行不混溶流體間傳遞的結(jié)構(gòu)中的寬度尺寸而言，如就快速和實質(zhì)擴散傳遞所述那樣用表達式Dt/l2計算出的用于適當尺寸的值通常會產(chǎn)生在10至500μm范圍內(nèi)的均值。
根據(jù)圖1的實施例，上述表達式可重寫為
l2＜D.t.x-1，其中，x是一數(shù)值常數(shù)，其值為0.1，0.01或0.005或更大；D是相應(yīng)第一或第二流體中傳遞著的物質(zhì)的擴散系數(shù)；t是流體位于界面附近的時間，對有孔薄板來說，t代表穿越所述薄板時在各開孔界面附近所花費的總時間；以及l(fā)是垂直于所述界面的相應(yīng)流體流路的寬度。
通過確保所述設(shè)備中存在著層流狀態(tài)，可以避免界面兩端因紊流所產(chǎn)生的脈動壓力差，所以，所說的多孔結(jié)構(gòu)可以是薄且相對開放的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，具有顯著大于1的孔隙長度與直徑的尺寸比的通常薄膜在所述尺寸比為10或更大的情況下是不實用的。為了能夠進行最佳的快速傳遞，薄板的厚度必須小于所研究的物質(zhì)種類在流體經(jīng)過薄板的時間內(nèi)的擴散距離。所述開孔的最大橫截面尺寸取決于流體間界面的表面張力以及界面兩端的壓力。關(guān)鍵尺寸是垂直于流體流方向的各開孔的高度。盡管每個開孔的最大高度為200微米以便保持該開孔內(nèi)的穩(wěn)定界面，但就使用中的穩(wěn)定性和生產(chǎn)的方便性而言，所述高度最好在1至30微米之間。
盡管根據(jù)最大壓力差與橫截面尺寸及最小直徑之間的周知關(guān)系可用圓柱形開孔使界面的穩(wěn)定性達到最大，但通過使開孔面積最大化并使連續(xù)的流體內(nèi)的流體流至界面且在界面處流動，也可以增加流體間的界面?zhèn)鬟f。非圓形截面的開孔特別是在開孔沿流動方向延伸的情況下能夠最佳地滿足后一個條件。
為了增強薄板的物理穩(wěn)定性并使流體內(nèi)的流體流至界面，可將所述開孔構(gòu)造成表現(xiàn)出有從流體通道的一個或兩個至所述界面的錐形輪廓。這就可以用界面處的尺寸的相當急劇的變化來獲得特別小的開孔寬度以有助于止住所說的界面。圖4和圖5示出了這種情況，這兩個附圖顯示了錐形廓輪的各種結(jié)構(gòu)。應(yīng)該認識到，在圖4和圖5所示的錐形廓輪中，界面實質(zhì)上位于開孔以突然的間斷所限定的錐形端部處。
參照圖4，它是開孔的各種圖，所說的開孔是通過非均質(zhì)地蝕刻{100}晶體平面內(nèi)帶有蝕刻壁面的壁板而形成的，而所說的蝕刻壁面則是由{111}平面所限定的。流體流動的方向不在圖中。因此，圖4a公開了帶有開孔42的400微米寬的硅板40，開孔42帶有壁面44，壁面44按與所述薄板表面成約55°角呈錐形。這就會使開孔46的一端具有50微米的垂直于界面位置處的流體流的高度，并使開孔48具有610微米的高度。
圖4b和圖4c示出了類似的結(jié)構(gòu)，但如圖所示有著略微不同的尺寸。
圖4d示出了這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，從相反的表面開始時對硅板進行蝕刻以給出開孔42的縮腰式截面。壁面43從開孔的上端48開始向內(nèi)呈錐形，垂直于流體流的高度為150微米，壁面44從開孔的下端46開始開始向內(nèi)呈錐形，高度為150微米。開孔的中點處有一高度為20微米的狹窄部分49。在這種結(jié)構(gòu)中，薄板兩側(cè)的兩種不混溶流體間的界面會基本上形成在狹窄部分49處。
圖4e和圖4f示出了硅板部分，它們既可獨立地加以使用，也可以與類似的薄板相疊合以形成圖4d的結(jié)構(gòu)。圖中示出了這些薄板的尺寸，可以看出，這些薄板的尺寸比前面圖中的薄板的尺寸小很多。
參照圖5，圖5a是通過在硅板上進行蝕刻而形成的開孔50的概略三維圖，其中，所述開孔具有通常為矩形的結(jié)構(gòu)，該開孔的一端52形成為矩形，邊長為600微米。所述硅板為400微米厚并具有按55°角延伸的錐形壁面，開孔54在硅板另一表面處的端部也為矩形，邊長40微米寬。因此，所述開孔在界面位置54處垂直于該開孔表面兩端的流體流的高度為50微米。
在圖5b中，示出了與圖5a略有類似的結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)沿平行于預定流體流方向的一個方面延伸。開孔在界面位置處垂直于流體流的高度為50微米。開孔沿這一方面的長度可以如需要的那么長并且僅受這樣的限制即最終的硅板不會在結(jié)構(gòu)上減弱到能產(chǎn)生過度彎曲的程度?？梢钥闯?，上游和下游端的錐形壁面50能在使液體在開孔中的流進和流出相分離方面起到作用，從而使開孔的尺寸不再受上述尺寸比的限制。平行于流體流的錐形側(cè)面50可防止對沿該側(cè)壁的粘性曳力所導致的流體流的任何限制。
參照圖6，此圖示出了疏水和親水表面的各種結(jié)構(gòu)以便如以下參照圖2所述那樣提供不混溶流體間界面的穩(wěn)定性。
在圖6a中，有孔薄板60包括兩層62、64金屬和聚合物或者金屬和陶瓷及玻璃，它們放置在一起或者粘合或以某種方式層疊在一起，層62為親水物質(zhì)，而層64則為疏水物質(zhì)。開孔66限定在薄板66內(nèi)，兩種流體間的界面基本上位于標號68所示的兩種材料間的接合處。所述開孔的尺寸如以上參照圖1所述。
另外，可以用適當?shù)奶幚砘驅(qū)νǔ１∧さ囊粋€表面進行涂敷例如對疏水聚合物薄膜的一個表面進行電暈放電來形成上述雙表面式薄板。因此，在圖66所示的另一種結(jié)構(gòu)中，提供了一種由親水材料62構(gòu)成的薄板，它的一個表面上帶有以某種方式附著的一層疏水材料。在這種結(jié)構(gòu)中，兩種不混溶的流體間的界面基本上會形成在與開孔66的表面64相鄰的端部65處。
在圖6c的結(jié)構(gòu)中，有孔薄板60具有帶第二薄層65的第一和第二薄層62、64，薄層65由很薄且脆性材料構(gòu)成，這種材料具有與薄層62和64不同的表面性質(zhì)(薄層62、64可均為疏水或親水物質(zhì))。在這種結(jié)構(gòu)，界面可于開孔66內(nèi)形成在標號68所示的薄層65的接合處。
圖6所示的具有疏水/親水表面的結(jié)構(gòu)能如將要參照圖2所述那樣提供有所改進的界面穩(wěn)定性。與此相似，如將要參照圖3所說明的那樣，圖4和圖5的錐形結(jié)構(gòu)能因以尺寸間斷方式定位的界面而提高界面的穩(wěn)定性。
圖2示出了經(jīng)由垂直于圖紙平面流動的兩種流體22、24的界面20并由平行壁面所限定的截面，其中，壁面材料或表面26、28在預定界面位置20的兩側(cè)是不同的(例如是親水/疏水的)。在圖2中，兩種流體分別具有壓力P1和P2，界面20具有曲率半徑r。壓力差ΔP＝(P1-P2)與所述曲率半徑成反比，對兩種流體間沿流動方向延長的界面來說，上述壓力差可表示為ΔP＝γ/r，其中，γ為兩種流體的界面張力。
就圖4至圖6所示的情形而言，其中界面形成在粘合于所有側(cè)面上的開孔內(nèi)，就垂直方向上的兩種曲率半徑而言，可將上述等式更一般地表示為ΔP＝γ/(r1+r2)此外，可以看出，就圖2的情形而言，按間隔d限定在壁面間的兩種流體之間的靜態(tài)界面的狀態(tài)在流體界面與壁面材料之間的平衡接觸角為θ的情況下可表示成如下ΔP＝γd/(2cosθ)因此，存在著僅為單個值的壓力差ΔP，就該壓力差而言，如果壁面間隔d和接觸角θ固定為單個值，那么，所說的界面就會是靜止的。在這種情況下，很難將界面的位置固定到任何所希望的地方。在實踐中，盡管在最需要的情況下通常不是這樣，但實際系統(tǒng)的接觸角的值的滯后現(xiàn)象會使所述界面固定在適當位置處。
參照圖2，θA和θB表示兩種流體與表面26和28的平衡接觸角。在材料26的表面之間(圖2所示界面位置的左側(cè))，界面會移動，除非壓力差是ΔPA＝γd/(2cosθA)。與此相似對除ΔPB＝γd(2cosθB)以外的所有壓力差來說，在材料28的表面之間，界面會移動。但是，在材料26和28之間的接合處存在著接觸角的變化，因此，存在著接觸角與壓力差的差異，就這種差異而言，與界面固體表面接觸位置不會改變。當不同類型表面接合處的接觸角θi位于θA與θB之間并對應(yīng)于有限壓力差時，就可以滿足上述止動條件。因此，當界面兩端的壓力差P1-P2滿足表達式ΔPA＜(P1-P2)＜ΔPB時，就會存在有被止動了的界面。
在許多情況中，就如圖2所述其中帶有開孔的薄板而言，實踐中會在所述隔板的一個表面處穩(wěn)住界面。在這種情況下，一種物相會填滿隔板的開孔但會因第二物相所施加的過量壓力而避免弄濕開孔的最外側(cè)表面。這種情況多少是有限制的，因為它需要在使用中實際只用為了穩(wěn)定而由開孔尺寸所限定并沿穿過開孔的方向所施加的壓力差范圍的一部分。例如，可呈這樣的狀態(tài)，其中，有機相會優(yōu)先弄濕有孔隔板并具有比液相高的粘性。在這種情況下，液相需按較高的壓力運動以防止有機相弄濕隔板。但是，根據(jù)通道的尺寸，為了獲得兩種物相相同的流速，有機相需在某些區(qū)域內(nèi)按高于液相的壓力運動以使它有較大的粘性。因此，可導致所需要的運動參數(shù)方面的沖突。盡管可以通過選擇優(yōu)先被液相弄濕的隔板來克服上述問題，但是，在選擇適當?shù)牟牧戏矫嫒源嬖趩栴}，在某些情況下，特別是在存在有顯著相間材料傳遞的情況下，壓力差的方向和最佳薄板的類型會以接觸點的一個區(qū)域到另一個區(qū)域而有所不同。在這種情況下，一種改進方式是如圖6所示形成或?qū)Ρ“寮右蕴幚硪员闶乖摫“宓囊粋?cè)是親水的從而該側(cè)能優(yōu)先被液相弄濕并且使薄板的另一側(cè)是疏水的從而該側(cè)能優(yōu)先被非液相弄濕。這就能通過使液間界面定位于兩種表面類型之間的接合處而提高界面的穩(wěn)定性，從而能為任何選定的開孔尺寸提供最大范圍的界面壓力差。
參照圖3，該圖示出了尺寸間斷(參見圖4、圖5)對界面穩(wěn)定性的效果。圖3示出了經(jīng)由不同寬度dA，dB的兩個通道30、32之間接合處的截面，其中，將所有的壁面均看作是同樣的材料，平衡接觸角θ不會改變，流體34、36的壓力差ΔPA和ΔPB是指寬闊和狹窄部分內(nèi)用于不流動性的單個值。在狹窄部分的入口處，用于止動的壓力差由下式給出ΔPA＝γdA/(2cosθ)＜(P1-P2)＜ΔPB＝γdB/(2cosθ)除了用于圓形開孔的不流動性壓力差公式ΔPB＝2γdB/(2cosθ)以外，圖3所示的狀態(tài)及上述用于兩種平行流的公式均可在進入薄膜的開孔的入口處加以應(yīng)用。
因此，就圖4和圖5的結(jié)構(gòu)而言，可以看出，所述錐形開口狹窄端部的界面對一定范圍的壓力差來說是穩(wěn)定的。
可以存在這樣的狀態(tài)，其中，就改進離子遷移而言，在上述有孔薄板內(nèi)或該有孔薄板的兩端存在有電場可能是有優(yōu)點的，從而能以電化學的方式改變正在遷移的物質(zhì)種類，例如改變正相互交換的金屬離子的氧化狀態(tài)或者改變前述界面的性質(zhì)。利用本發(fā)明，所述薄板包括例如位于含有金屬或碳纖維的網(wǎng)篩內(nèi)的導電體或者呈一有孔薄片的形式，該薄片可由上述導電體構(gòu)成或者覆蓋或?qū)訅涸谝环菍щ姳“宀牧仙?。在所述導電體被限定為位于兩個非導電薄層之間的薄層的情況下，可將電化學作用限定在開孔內(nèi)非?？窟吔缑娴奈恢锰?。
為了能使電化學偏流作用于包括或由導電體構(gòu)成的有孔薄板的全部或一部分，所使用的設(shè)備包括獨立的計數(shù)器和/或參考電極。以離子方式傳導的成分必須將有孔薄板的電極與計數(shù)器和/或參考電極聯(lián)結(jié)起來，上述成分最一般地說包括一種或多種不混溶流體，具體地說包括液狀溶液。以離子方式傳導的固體特別是以離子方式傳導的聚合物可包括在所說的設(shè)備內(nèi)并可構(gòu)成有孔薄板的一部分且可將獨立的導電元件連接起來，所說的導電元件的一個或多個可以是有孔薄板的組成部分。只要不混溶的流體是以離子方式傳導的并且與有孔薄板電極相接觸，所述計數(shù)器或參考電極就可作為諸如導線或網(wǎng)篩之類的結(jié)構(gòu)定位在一種或多種不混溶的流體內(nèi)或者構(gòu)成了液體流過的通道的一部分或包含在該通道內(nèi)，或者包含在附加的相連通道內(nèi)，這些附加通道含有不需要流動的以離子方式傳導的流體。有孔薄板可具有復合結(jié)構(gòu)，它包括獨立的導電的有孔部件，這些部件因一不導電組件或以離子方式傳導的材料而彼此電絕緣，所說的不導電組件可包括有孔或多孔絕緣體，而所說的以離子方式傳導的材料則可包含有一種或多種與前述有孔薄板相接觸的流體。
所述電極系統(tǒng)可用于實現(xiàn)多種對前述設(shè)備的操作有影響的功能。這些功能包括改變?nèi)苜|(zhì)的氧化還原狀態(tài)，從而會影響不混溶流體相之間的溶質(zhì)的分配系數(shù)；改變局部酸或堿濃度，從而影響溶質(zhì)的種類形成，因而會影響溶質(zhì)在不混溶流體相之間的分配或溶質(zhì)在上述流體相內(nèi)及界面兩端的流動性；改變有孔薄板表面的電化學狀態(tài)，因此而改變該表面的變濕性質(zhì)、控制或?qū)е铝黧w間界面位置的變化，從而影響溶質(zhì)傳遞的效率；提供跨越流體間界面的偏流，從而影響互相間溶質(zhì)傳遞的動能和選擇率；通過提供用于離子遷移的驅(qū)力而改變?nèi)苜|(zhì)遷移至和遷移自所述界面的遷移率，以便作用于溶質(zhì)的種類和在沒有所施加的電偏壓情況下進行的擴散過程；通過電滲透過程改變流體流；提供用于檢測上述流體流內(nèi)以電化學方式活動的物質(zhì)種類的濃度以及用于對物質(zhì)種類進行電化學滴定的裝置；提供這樣的裝置，它通過以電化學方式改變、清除或破壞因氧化還原反應(yīng)、表面變濕/粘合性質(zhì)的變化而產(chǎn)生的污垢種類或分解物、通過產(chǎn)生在化學上活躍的物質(zhì)種類以便與污垢或分解物進行反應(yīng)或清除它們，通過產(chǎn)生氣泡以便在物理上擾動和移動污垢或分解物，從而在現(xiàn)場對所述設(shè)備中包括有孔薄板、有孔薄板的開孔、通道及通道表面在內(nèi)的組件進行清潔。
在導電組件包括或構(gòu)成了有孔薄板與以離子方式傳導的流體相接觸的一個或多個表面的情況下，所說的組件可用于進行對貫穿與前述電極相鄰的分層流動通道的流體產(chǎn)生影響的處理，例如逐步改變整個流體流中的物質(zhì)種類的氧化還原狀態(tài)。另外，電化學作用最好限定于開孔內(nèi)的流體間界面區(qū)。這一點例如可通過如下方式來實現(xiàn)利用有孔薄板的復合結(jié)構(gòu)提供導電相以便與僅位于開孔之內(nèi)的以離子方式傳導的流體相接觸，從而，具有與導電體中開孔相接續(xù)的開孔的非導電材料構(gòu)成了有孔薄板的一部分，以便阻止不在微孔或開孔之內(nèi)的電與離子導體之間的接觸。如果有孔薄板一側(cè)的流體不具有以離子方式傳導的性質(zhì)，那么，上述非導電層可位于有孔薄板的另一側(cè)，或者，該非導電層可位于前述導電層的兩側(cè)，因此，所有與流體接觸的有孔薄板電極均被限定于所述開孔或微孔的邊緣。其中電化學作用被限定于與流體間界面相鄰的微孔處的有孔薄板的優(yōu)點是在所有延伸的擴散距離和遷移至所述界面的時間范圍以外，以電化學方式產(chǎn)生的物質(zhì)種類可迅速地包括到相間傳遞過程中。這在以電化學方式產(chǎn)生的物質(zhì)種類在一種流體相中不穩(wěn)定或受副作用的影響但在另一種流體相中是穩(wěn)定的或能迅速地溶解進有效生成物的情況下特別有用。
參照圖7，它示出了體現(xiàn)上述某些考慮并具有沉積在有孔薄板上的導電電極材料的結(jié)構(gòu)。在圖7a中，有孔薄板70具有基層72，該基層的一個表面上沉積有電極材料74，它用于與上述有孔板這一側(cè)上的不混溶流體相配合或檢測所說的不混溶流體，上述有孔薄板上帶有開孔76。所述基層和開孔的尺寸如參照圖1所述。
在圖7b中，薄板70由硅板構(gòu)成，它帶有用以上參照圖4所述的方法形成的錐形開孔75，并且，上述硅板的兩側(cè)及開孔75的壁面上帶有一層約1微米厚的氮化硅Si3N476。薄層76的下表面上沉積有起電極作用的金屬層78。
在圖7c中，示出了這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，薄板70包括帶有第二薄層77的由絕緣材料構(gòu)成的第一和第三薄層72，所述第二薄層77設(shè)置在上述第一與第三薄層之間并由金屬或?qū)щ姷奶紭?gòu)成。由于所述材料具有不同的表面性質(zhì)，所以，界面79基本上在開孔75之內(nèi)位于金屬層77附近，從而，所述電極起控制和影響界面79的作用。在圖7c中，概略地示出了計數(shù)器和參考電極77R，77C。它們包括在流體流路(未示出)的壁面內(nèi)。
參照圖8，它示出了一個三維結(jié)構(gòu)，其中，包括有孔薄板。所述結(jié)構(gòu)包括一200微米寬的硅板80，它是蝕刻的以提供柵條82，這些柵條在截面上為四邊形并垂直于薄板的平面延伸，以便支承由硅構(gòu)成的非常薄的薄層86，此薄層10微米寬并限定了多個有孔薄板部分且?guī)в形g刻在其上用于限定界面區(qū)的開孔88。柵條84用于支承薄板部分86并貼靠在周圍流體流動通道(未示出)的壁面上。
權(quán)利要求
1.用于進行第一與第二不混溶流體之間擴散傳遞處理的設(shè)備，該設(shè)備包括第一和第二流體流路，它們用于相應(yīng)的第一和第二流體并設(shè)置在有孔薄板裝置的相反側(cè)，其中，所述薄板能在使用中使流體間的界面形成在各開孔處或各開孔內(nèi)，并且，所述各開孔在界面處按同時垂直于流體流動方向和前述薄板厚度所測得的至少為較大部分的高度不大于200微米，以便使每種流體的流體流的有效成分緊挨著前述界面。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所說的高度在1至30微米之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，上述第一和/或第二流體流路在薄板裝置附近并垂直于該裝置的寬度(l)或者a)在10至500微米之間或者b)小于一預定值，此值取決于下述不等式l2＜D.t.x-1其中，D是相應(yīng)流體的擴散常數(shù)，t是相應(yīng)流體在前述薄板裝置附近的駐留時間，x是值為0.005或更大的常數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，x的值為0.01或更大。
5.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，x的值為0.1或更大。
6.如前述任何一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括一第三流體流路，它用于第三流體；以及，一第二薄板裝置，通過此裝置，上述第三流體流路與前述第一或第二流路相通連，所述第三流體與相應(yīng)的第一或第二流體不相混溶。
7.如前述任何一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，所述薄板裝置形成并包含在一個三維結(jié)構(gòu)內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所說的結(jié)構(gòu)包括一系列成塊部件，它們被構(gòu)成前述薄板裝置的薄板部分所分隔，上述成塊部件構(gòu)成了用于前述薄板部分的支承件。
9.如權(quán)利要求1至6所述的設(shè)備，其特征在于，所述薄板裝置形成為一網(wǎng)篩、有孔薄板或多孔薄膜。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述薄板由固體平板構(gòu)成，而所述平板則由蝕刻成能提供相間隔的開孔的材料構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求9或10所述的設(shè)備，其特征在于，所述薄板由第一和第二薄板層構(gòu)成，第一薄層具有不同于第二薄層的表面特性或?qū)щ娦曰蚱渌w特性。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一薄層是親水的，而第二薄層則是疏水的，或者，第一薄層是電絕緣的，而第二薄層則是導電的。
13.如權(quán)利要求11或12所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括一第三薄層，所述第二薄層介于第一與第三薄層之間。
14.如前述任何一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，各開孔的內(nèi)壁基本上平行于所述薄板裝置的寬度，所述開孔橫貫薄板裝置厚度的寬度與該開孔高度的尺寸比小于或等于1。
15.如權(quán)利要求1至13任何一個所述的設(shè)備，其特征在于，各開孔的壁面呈錐形，因此，所述開孔的一端要比另一端寬。
16.如權(quán)利要求1至13任何一個所述的設(shè)備，其特征在于，各開孔從各端部開始呈向內(nèi)的錐形，從而在該開孔的中心區(qū)域內(nèi)提供了一個具有最小開孔高度的區(qū)域。
17.如前述任何一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，所述開孔沿通道內(nèi)流動的方向延伸以便使流體跨越前述薄板的表面。
18.如前述任何一個權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，所述薄板裝置包括用于控制或影響第一和第二流體的電極裝置，并且，所述設(shè)備包括計數(shù)器和/或參考電極裝置。
19.進行從第一流體將物質(zhì)擴散傳遞至與第一流體不相混溶的第二流體中這樣一種處理的方法，該方法包括(1)提供彼此相通連的第一和第二流路，它們貫穿一有孔薄板裝置，其中，所述有孔薄板5的開孔的至少較大部分的高度在界面位置處沿同時垂直于流體流動方向和有孔薄板寬度的方向測量時均不大于200微米；(2)使第一和第二流體流過相應(yīng)的第一和第二流路，因此，至少在有孔薄板裝置的附近處，流體流是基本上分層的，并且，會在所說的界面位置處于有孔薄板裝置的開孔處或該開孔內(nèi)形成穩(wěn)定的界面，每種流體的流體流的有效成分會緊挨著前述界面；以及(3)擴散傳遞可加以傳遞的物質(zhì)總量的有效數(shù)量(至少1％)；以及(4)在不使流體混合的情況下使流體在相應(yīng)的流路內(nèi)流離有孔板裝置。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所說的高度在1至30微米之間。
21.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，上述第一和/或第二流體流路在薄板裝置附近并垂直于該裝置的寬度(l)或者a)在10至500微米之間或者b)小于一預定值，此值取決于下述不等式l2＜D.t.x-1其中，D是相應(yīng)流體的擴散常數(shù)，t是相應(yīng)流體在前述薄板裝置附近的駐留時間，x是值為0.005或更大的常數(shù)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，x的值為0.01或更大。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，x的值為0.1或更大。
24.如前述權(quán)利要求19至23任何一個所述的方法，其特征在于，該方法包括一第三流體流路，它用于第三流體；以及，一第二薄板裝置，通過此裝置，上述第三流體流路與前述第一或第二流路相通連，所述第三流體與相應(yīng)的第一或第二流體不相混溶。
25.如前述權(quán)利要求19至24中任何一個所述的方法，其特征在于，所述薄板裝置形成并包含在一個三維結(jié)構(gòu)內(nèi)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所說的結(jié)構(gòu)包括一系列成塊部件，它們被構(gòu)成前述薄板裝置的薄板部分所分隔，上述成塊部件構(gòu)成了用于前述薄板部分的支承件。
27.如權(quán)利要求19至25所述的方法，其特征在于，所述薄板裝置形成為一網(wǎng)篩、有孔薄板或多孔薄膜。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述薄板由固體平板構(gòu)成，而所述平板則由蝕刻成能提供相間隔的開孔的材料構(gòu)成。
29.如權(quán)利要求27或28所述的方法，其特征在于，所述薄板由第一和第二薄板層構(gòu)成，第一薄層具有不同于第二薄層的表面特性或?qū)щ娦曰蚱渌w特性。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，該方法包括一第三薄層，所述第二薄層介于第一與第三薄層之間。
31.如權(quán)利要求29或30所述的方法，其特征在于，所述第一薄層是親水的，而第二薄層則是疏水的，或者，第一薄層是電絕緣的，而第二薄層則是導電的。
32.如權(quán)利要求19至31任何一個所述的方法，其特征在于，各開孔的內(nèi)壁基本上平行于所述薄板裝置的寬度，所述開孔橫貫薄板裝置厚度的寬度與該開孔高度的尺寸比小于或等于1。
33.如權(quán)利要求19至31任何一個所述的方法，其特征在于，各開孔的壁面呈錐形，因此，所述開孔的一端要比中一端寬。
34.如權(quán)利要求19至31任何一個所述的方法，其特征在于，各開孔從各端部開始呈向內(nèi)的錐形，從而在該開孔的中心區(qū)域內(nèi)提供了一個具有最小開孔高度的區(qū)域。
35.如權(quán)利要求19至24任何一個所述的方法，其特征在于，所述開孔沿通道內(nèi)流動的方向延伸以便使流體跨越前述薄板的表面。
36.如權(quán)利要求19至35任何一個所述的方法，其特征在于，該方法包括通過電極裝置及計數(shù)器和/或參考電極裝置來控制和/或影響前述第一和和第二流體。
全文摘要
在不混溶液體之間擴散傳遞諸如溶質(zhì)之類的物質(zhì)然后在不混合的情況下分離所說的液體的方法與設(shè)備薄板的相反側(cè)上具有第一和第二流路，它們用于傳送第一和第二不混溶的流體，其中，薄板上開孔的高度不大于200微米，在各開孔內(nèi)的流體之間會形成穩(wěn)定的界面，在緊鄰上述界面處有顯著量的流體流。在上述界面的兩端進行擴散傳遞，然后流體在不混合的情況下流離上述區(qū)域。所述流路按垂直于薄板測量時的寬度在10至500微米之間。各開孔的壁面可以是平行的或者是呈錐形的。
文檔編號G01N1/36GK1161659SQ95195800
公開日1997年10月8日 申請日期1995年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月22日
發(fā)明者約翰·愛德華·安德魯·肖, 里查德·伊恩·辛普森, 阿德里安·馬克·辛佩爾, 阿德里安·詹姆斯·布爾, 羅伯特·喬治·戈弗雷·霍爾姆斯 申請人:研究中心實驗室(有限)