微通道内催化表面气泡生长及脱离的可视化实验(论文)

2014年12月CIESC Journal
December 2014
第65卷第12期化工学报V ol.65 No.12
微通道内催化表面气泡生长及脱离的可视化实验
叶丁丁1,2，相威2，朱恂1,2，李俊1,2，廖强1,2
（1重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030；2重庆大学工程热物理研究所，重庆 400030）
摘要：采用聚二甲基硅氧烷材料（PDMS）制备矩形截面的微通道，并在微通道壁面上沉积MnO2作为催化剂，采用高速摄影仪对通流过程中过氧化氢催化分解生成氧气气泡的过程进行了可视化实验研究，分析了反应物的浓度和流量对气泡生长速度及脱离直径的影响。

结果表明：气泡在微通道内催化表面的生长及脱离过程呈周期性变化的趋势；气泡生长可以分为快速生长和缓慢生长两个阶段，当t＜3 s时气泡处于快速生长阶段，催化反应主要受动力学控制，当t≥3 s时扩散控制占主要地位，气泡生长速度随反应物浓度的升高而增大；气泡脱离直径受反应物浓度影响较小，受反应物流量影响较大，而且随液相反应物Reynolds数的增大线性降低。

关键词：微通道；催化；反应；气泡生长；脱离直径
DOI：10.3969/j.issn.0438-1157.2014.12.005
中图分类号：O 359+.1；TQ 021 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2014）12—4678—06 Visualization experiments of bubble growth and detachment
on catalytic surface in a microchannel
YE Dingding1,2, XIANG Wei2, ZHU Xun1,2, LI Jun1,2, LIAO Qiang1,2
(1Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems, Chongqing University, Chongqing 400030, China;
2Institute of Engineering Thermophysics, Chongqing University, Chongqing 400030, China)
Abstract:A rectangular microchannel was fabricated with polydimethylsiloxane (PDMS) material and MnO2 catalysts were deposited on the wall of the microchannel. The growth and detachment process of oxygen bubbles generated by the catalytic reaction of H2O2 solution were recorded by a high speed camera. The effects of reactant concentration and flow rate on bubble growth rate and detachment diameter were also analyzed. The growth and detachment process of bubbles generated on the catalytic surface in the microchannel occurred periodically. Moreover, the bubble growth consisted of two processes, the initial fast growth process and the later slow growth process. Before 3 s, the generated bubbles were in a fast growth period, and reaction kinetics dominated the process. However, after 3s, reaction rate was controlled by diffusion, resulting in the fact that bubble growth rate increased with increasing reactant concentration. In addition, bubble detachment diameter was slightly affected by reactant concentration, while it was significantly affected by reactant flow rate and dropped linearly as Reynolds number increased.
Key words:microchannels; catalysis; reaction; bubble growth; detachment diameter
2014-04-24收到初稿，2014-06-18收到修改稿。

联系人：朱恂。

第一作者：叶丁丁（1983—），女，博士研究生，副教授。

基金项目：国家自然科学基金项目（51376203, 51276208）；国家杰出青年科学基金项目（51325602）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20120191110010）。

Received date: 2014-04-24.
Corresponding author: Prof. ZHU Xun, zhuxun@
Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51376203, 51276208) and the National Natural Science Funds for Distinguished Young Scholar (51325602).
第12期叶丁丁等：微通道内催化表面气泡生长及脱离的可视化实验·4679·
引言
近年来，随着微加工技术的迅猛发展，微反应器因具有比表面积大、传质系数高、反应时间短等优点，在能源、化工及生物等领域引起广泛的关注[1-4]。

气-液-固三相微反应器是最为常见的微反应器形式之一，液相反应物进入微通道后，在微通道壁面处发生催化反应，产生气泡，在微通道内形成气液两相流动。

与大尺寸通道相比，微通道内气泡的存在对其周围流动产生的影响更加剧烈[5-7]，而且微通道内表面张力和壁面特性作用更为显著，若气泡在微通道内聚集，将对微反应器的性能造成严重影响[8-10]。

因此，研究微通道内气泡的生长过程对微反应器的设计及运行具有非常重要的指导意义。

在微通道内气泡的生长特性方面，研究发现微通道尺寸[11]、壁面润湿性[12-13]及粗糙度[14]等都会影响气泡的形核、生长以及脱离。

Barber等[15]发现在微通道内气泡生长会受到通道尺寸的限制，而且在气泡生长过程中通道进出口处压力急剧变化。

Edel 等[16]指出气泡在受到壁面限制前其生长速度会随过热度的提高和液相流速的降低加快；在受到壁面限制后，通道内的相变过程变为膜态沸腾，液相的流速对气泡生长速度影响较小。

董涛等[17]认为气泡生长在受到通道尺寸的限制之后发生形变，气泡首尾处液体温度较低，蒸汽发生凝结，并最终导致气泡生长速度减慢。

Fu等[18-19]将H2SO4和NaHCO3溶液在微通道内混合，分析了CO2气泡生长过程，发现在反应过程中气泡在壁面处产生，并经历了快速增长期和慢速增长期，他们还研究了微通道结构对气泡生长特性的影响[20]。

可见，目前关于气泡生长过程的研究主要集中于发生沸腾或者体反应的微通道内，针对具有催化反应壁面的微通道内单气泡生长特性的研究较少。

过氧化氢溶液在催化剂的作用下发生分解反应生成氧气，其反应过程简单、易于实现，反应条件温和，而且是典型的液相反应物在催化剂作用下生成气相产物的过程，并且已用于催化反应壁面的气液两相流动流型等方面的研究[21-22]，因此，为研究微通道内催化反应过程中气泡的生长及脱离特性，本研究加工了矩形截面微通道，并在其壁面沉积MnO2催化剂，采用过氧化氢溶液作为工质，对通流过程中具有催化反应壁面的微通道内气泡生长进行可视化实验，研究反应物浓度及流量对气泡生长及脱离特性的影响。

1 实验装置及实验方法
实验制备的矩形截面微通道如图1 (a)所示，微通道长度为20 mm，截面尺寸为0.5 mm×0.192 mm，当量直径为0.277 mm。

在微通道底面沉积MnO2作为催化剂，其分布区域近似直径0.3 mm的圆形，催化剂载量为8.7×10−4 mg·mm−2。

采用PDMS材料（Sylgard 184，美国Dow Corning）通过微加工技术制作微通道，实物图和微通道放大图分别如图1 (b)、(c)所示。

实验系统如图2所示。

通过注射泵（LSP02-1B，保定兰格恒流泵有限公司）将过氧化氢溶液通入微通道中，采用可视化装置对微通道内催化剂表面的气泡生长过程进行拍摄。

可视化装置由高速摄影仪（Phantom V5.1，Vision Research）和显微镜连接组成。

高速摄影仪的设置为：分辨率为608×512，拍摄速度为每秒100帧。

该装置的光学放大倍数为17倍，观测段长度为0.77 mm。

采用LED强光灯（120 V-40 W，SHIBUYA）作为光源。

过氧化氢溶液的浓度（质量分数）为30%、20%和10%；流量为250、200、150、100 ml·h−1。

采用Matlab软件提取气泡
图1 矩形截面微通道
Fig.1 Schematic diagram, pictures and detailed view of microchannel
化工学报第65卷·4680·
图2 实验系统
Fig.2 Schematic diagram of experimental system
边界并对气泡的直径进行计算。

2 实验结果及分析
2.1气泡生长及脱离过程
当过氧化氢溶液浓度（质量分数）为30%、流量为200 ml·h−1时催化分解产生的氧气气泡的生长过程如图3所示。

实验发现气泡在催化剂表面的生长及脱离过程呈周期性变化的趋势，本文将某个气泡在催化剂表面的气泡形成点出现、长大再到脱离的时间段定义为一个生长周期。

从图3可以看出，随着气泡的生长，气泡因受到液相剪切力作用的增强而被拉伸为椭球形。

在初始时刻（t=0 s），在液相流体的携带下，气泡A从气泡形成点处脱离并开始向下游运动，气泡A的生长周期结束。

当t=1 s 时，气泡B（直径为11.97 μm）出现在气泡形成点，新的生长周期开始。

从图 3 (c)～(f)可以看出，在t=2～5 s的时间段内，气泡B受到的液相剪切力较小，不足以使其变形，气泡仍然能够保持为球形。

在t=5 s时刻，气泡B的直径增大至77.5 μm。

从图3 (h)、(i)可以看出，液相剪切力对气泡B的作用
图3 气泡生长及脱离过程
Fig.3 Formation and detachment process of a single bubble 随着其体积的增大而增大，气泡被拉伸成为椭球形。

当t=10 s时，气泡B的直径变为124.2 μm。

同时，气泡A逐渐脱离催化剂表面，而且在液相携带作用下从视野中快速消失[图3 (j)、(k)]，其运动速度与10 s之前相比明显加快。

在t=16 s时刻，气泡B在液相流体的携带下脱离气泡形成点，生长周期结束，此时气泡B的直径约为169.2 μm。

2.2反应物浓度和流量对气泡生长过程的影响
不同浓度过氧化氢溶液以相同流量流过催化剂表面时反应生成的氧气气泡直径随时间变化曲线如图4所示。

从图4 (a)～(d)可以看出，流量一定时不同浓度下气泡的生长过程相似，即气泡生长过程可分为快速生长和缓慢生长两个阶段：在t＜3 s时，气泡处于快速生长阶段，反应物浓度对气泡生长速度几乎无影响；而在t≥3 s时，在几种流量下，气泡生长速度随反应物浓度的增加而增大，在反应物流量为250 ml·h−1时，浓度（质量分数）为30%、20%和10%的过氧化氢溶液中气泡生长速度分别为8.2、4.8、2.2 μm·s−1。

这是由于在气泡生成初期催化反应速率较快，气泡处于快速生长期，此时反应主要受到动力学控制；而随着反应的进行，气泡不断长大，反应物的传质阻力增大，反应速率降低，气泡生长速度随之下降，催化反应逐渐由动力学控制转换为扩散控制。

因此，在缓慢生长阶段，反应物浓度的升高可提高化学反应速率，加快气泡生长。

相同浓度过氧化氢溶液以不同流量通过催化剂表面时气泡直径随时间变化曲线如图5所示。

从图5可以看出，在同一浓度下随着反应物流量的增加气泡生长速度逐渐减小。

这可能是由于浓度一定时流量的增加导致微通道内压力升高，抑制了氧气从溶液中的解析，从而降低了气泡的生长速度。

而且从图5还可以看出，反应物流量的大小对气泡的脱离造成明显的影响，随流量的增加气泡所受液相反应物对其的剪切力作用增强，使得气泡更容易脱离气泡形成点。

此外，对比图4和图5发现，在缓慢生长阶段（t≥3 s），气泡生长速度受反应物浓度影响较大，而受反应物流量影响较小。

2.3反应物浓度和流量对气泡脱离直径的影响
气泡脱离直径是气泡动力学研究的关键参数之一。

不同反应物浓度与流量下气泡脱离直径的平均值（3次实验）见表1。

从表中可以看出气泡脱离直径受反应物浓度影响较小，而受反应物流量影响较大，而且在一定浓度下随流量的增加而降低。

第12期 叶丁丁等：微通道内催化表面气泡生长及脱离的可视化实验
·4681·
表1 不同反应物浓度与流量下气泡脱离直径 Table 1 Bubble detachment diameter under different
reactant concentrations and flow rates /μm
Concentration
Flow rate/ml ·h −1
30%
20%
10%
250 137.05 119.2 123.98 200 166.74 156.4 155.05 150 197.53 187.02 182.93 100
252.0 240.25 237.72
量纲1气泡脱离直径d D ∗
可由式(1)计算
d
d 0/D D D ∗
= (1) 式中，D 0表示气泡初始直径。

由实验测得
D 0=12 μm ，从而得到量纲1气泡脱离直径d D ∗
与反应物Reynolds 数（Re ）之间的关系，结果如图6所示。

从图中可以看出，在相同流量下，浓度（质量分数）为20%和10%的过氧化氢溶液中气泡脱离直径相当，但小于同流量下浓度为30%的过氧化氢溶液中的气泡脱离直径；在相同过氧化氢浓度下，气泡的脱离直径随液相反应物Re 的增大线性降低，
而且在几种反应物浓度下气泡的脱离直径随Re 下降的速率相近。

通过数据拟合得到3种反应物浓度下量纲1气泡脱离直径与Re 之间的关系为
d 28.680.08(30%)D R
e C ∗=−= (2) d 27.020.08(20%)D Re C ∗=−= (3) d 26.520.08(10%)D Re
C ∗=−= (4)
3 结 论
本研究在自制的PDMS 矩形微通道壁面沉积了
催化剂，并采用过氧化氢溶液为反应物研究了具有催化反应壁面的微通道内气泡生长及脱离特性，讨论了反应物浓度及流量对催化反应生成气泡的生长及脱离过程的影响。

得到的主要结论如下。

（1）气泡在催化剂表面的生长及脱离过程呈周期性变化。

（2）在本实验条件下，气泡生长可以分为快速生长和缓慢生长两个阶段。

在快速生长阶段，催化反应主要受动力学控制，反应物浓度对气泡的生
图4 不同反应物浓度时气泡直径随时间变化曲线
Fig.4 Time evolution of bubble diameter at different reactant concentrations
化工学报第65卷·4682·
图5 不同反应物流量时气泡直径随时间变化曲线
Fig.5 Time evolution of bubble diameter at different
reactant flow rates
长速度几乎无影响；而在缓慢生长阶段，扩散成为控制反应速率的主要因素，气泡生长速度随反应物浓度的升高而加快，但受流量影响较小。

（3）气泡脱离直径受反应物浓度影响较小，受反应物流量影响较大，而且随液相反应物Reynolds数的增大呈线性降低的趋势。

图6 量纲1气泡脱离直径与Re的关系
Fig.6 Relationship between non-dimensional bubble
detachment diameter and Re
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微通道内催化表面气泡生长及脱离的可视化实验
作者：叶丁丁， 相威， 朱恂， 李俊， 廖强， YE Dingding， XIANG Wei， ZHU Xun， LI Jun， LIAO Qiang
作者单位：叶丁丁,朱恂,李俊,廖强,YE Dingding,ZHU Xun,LI Jun,LIAO Qiang(重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030; 重庆大学工程热物理研究所，重庆 400030)， 相威,XIANG Wei(重庆大学工
程热物理研究所,重庆,400030)
刊名：
化工学报
英文刊名：CIESC Jorunal
年，卷(期)：2014(12)
引用本文格式：叶丁丁.相威.朱恂.李俊.廖强.YE Dingding.XIANG Wei.ZHU Xun.LI Jun.LIAO Qiang微通道内催化表面气泡生长及脱离的可视化实验[期刊论文]-化工学报 2014(12)。