基于微流控技术的液相分子扩散系数测试方法与装置研究

液相分子扩散系数是表征液体扩散传质的重要物理量，其分子扩散速率的测定与计算对许多传输与反应过程的精确量化具有重大意义。多年来人们从理论计算和实验测试两个方面进行了大量的研究工作，但由于液体分子结构紧密堆积，运动杂乱无章，分子间作用难以准确定论，目前对液相分子扩散系数的获取依然主要依靠实验测定。现有液相分子扩散系数测试技术普遍存在着样品取样量大，过程自动化程度低、测量易受干扰、仪器体积大等缺点，亟待改进。本申请拟结合传统测试理论与现代微流控技术、数值计算技术和计算机控制与数据处理技术，研究微流控体系下低雷诺数流动与传质过程的特点和内在关联；研究基于微流控技术的测试液相分子扩散系数的新方法；开发微流控测试芯片与系统，实现测试装置的微型化和测试过程的自动化；研究芯片结构和微尺度效应对测试精度的影响，探寻发展和完善测试方法的有效途径，为进一步提高现有热物性测试技术的精确度和灵敏度提供理论支持。

液相分子扩散系数是表征液体分子扩散传质的重要物理量，其分子扩散速率的测定与计算对许多传输与反应过程的精确量化具有重大意义。现有液相分子扩散系数测试技术普遍存在着样品取样量大，过程自动化程度低、测量易受干扰、仪器体积大等不足。本课题结合微流控芯片及荧光示踪技术，开展液体分子扩散系数微流控测试技术的研究工作，形成了样品剂量需求低以及对流体无干扰的测量技术与方法。本课题的主要创新点与研究成果总结如下。. （1）基于低雷诺数液体流动与传质过程理论，提出并定义了“扩散角θ”作为微通道内流动-扩散耦合过程的特征参数；理论推导得到了微通道内液体流动-扩散过程中扩散角tanθ与Pelect准数之间的数学关联式，为分子扩散系数微流控测试技术的实验研究测定奠定了理论基础。. （2）以Fluent 6.3为计算平台，建立了微流控芯片内液体流动与扩散过程的数值仿真模型；针对水、甘油与离子液等实际液体开展了流体流动与扩散过程的仿真计算研究，得到了实际过程中扩散角与Pe、Re、Sc等无量纲准数间的依赖关系，计算得到的扩散角与Pe准数之间的线性变化斜率与理论推导公式之间的误差<2%；采用无量纲化的方法检验了理论公式的普适性，并由此确定了实验研究工作的适当参数范围。. （3）设计并加工制作了PDMS微流控芯片；开发、设计并构建了微流体控制系统和流动—扩散过程可视化观测平台；研究确定了液体分子扩散系数微流控测定方法的技术方案与实验方法；基于MATLAB平台开发了荧光图像数据处理分析程序；分析了实验中误差产生的原因，优化改进了测试技术与方法，并提出了相应的实验数据修正公式。. （4）基于课题研究开发的实验系统，开展了流体分子扩散系数微流控测定实验研究，实验测得了蒸馏水的分子扩散系数，采用修正公式校正后的实验结果与文献数据之间的误差约为2%。