微通道反應(yīng)器與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比具有傳質(zhì)效率高、副產(chǎn)物少、擴(kuò)增效果小、反應(yīng)時(shí)間相對(duì)短、安全性高、反應(yīng)綠色化等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化工技術(shù)的創(chuàng)新，因此反應(yīng)器的改進(jìn)是發(fā)展精細(xì)化工技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。迄今為止報(bào)道的微通道反應(yīng)器[1-2]的內(nèi)部通道的特征尺寸通常為10~1000μm之間，比表面積可達(dá)1-5萬(wàn)m2/m3。在微通道反應(yīng)器中，縮短流體傳遞距離實(shí)現(xiàn)快速傳質(zhì)，減小溫度梯度實(shí)現(xiàn)高效傳熱[3-4]。小的微通道特征尺寸和短的反應(yīng)物停留時(shí)間可以精確地控制傳質(zhì)過(guò)程。例如，一些反應(yīng)可以控制在毫秒內(nèi)完成，從而使反應(yīng)接近內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)控制范圍。與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，微通道反應(yīng)器具有顯著的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程中副產(chǎn)物的顯著減少和產(chǎn)品純度的提高，微通道反應(yīng)器的應(yīng)用是現(xiàn)代化工發(fā)展的主要趨勢(shì)。因此，需要使用微通道反應(yīng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化學(xué)過(guò)程的改進(jìn)。微通道反應(yīng)器還可分為氣固相催化微通道反應(yīng)器、液液相微通道反應(yīng)器、氣液相微通道反應(yīng)器、氣液固三相催化微通道反應(yīng)器等。微通道反應(yīng)器具有生產(chǎn)裝置方便靈活、連續(xù)化運(yùn)行、高度集成化、數(shù)量放大、獨(dú)特的流動(dòng)行為等特點(diǎn)。微通道反應(yīng)器可以應(yīng)用于包括有機(jī)合成反應(yīng)、納米材料制造[6]等的微細(xì)化工[5]、醫(yī)藥等

01、微通道反應(yīng)器在納米材料合成中的使用

有機(jī)合成在微通道反應(yīng)器的主要應(yīng)用至關(guān)重要，新興的納米材料作為多相混合反應(yīng)系統(tǒng)也可以通過(guò)微通道反應(yīng)器高效合成。微反應(yīng)器所具備的微米級(jí)通道使反應(yīng)物在溶劑中實(shí)現(xiàn)快速、充分的混合，反應(yīng)物在毫秒內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)完全的混合，這是傳統(tǒng)反應(yīng)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的，傳統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)物混合不均勻、不充分解決了反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，微通道反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了合成過(guò)程中原料總反應(yīng)進(jìn)度中單位時(shí)間的均勻充分接觸，解決了納米材料合成過(guò)程中易出現(xiàn)的產(chǎn)物性能差、形態(tài)不均勻和生產(chǎn)率低等問(wèn)題較好地實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)產(chǎn)物形態(tài)和粒徑的控制，微反應(yīng)器放大效果小，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室微試實(shí)驗(yàn)充分有力的模擬探究，將其擴(kuò)大到化工生產(chǎn)中基本上傳統(tǒng)技術(shù)不存在的放大效果解決了微試驗(yàn)反應(yīng)難以實(shí)現(xiàn)高效工業(yè)化生產(chǎn)的問(wèn)題，易于擴(kuò)大生產(chǎn)，微通道反應(yīng)器設(shè)備通道外冷卻接觸面積大等優(yōu)點(diǎn)可有效提高傳質(zhì)熱效率[7]實(shí)現(xiàn)微通道反應(yīng)器在納米材料合成中的廣泛應(yīng)用迫在眉睫。

1.1T型微通道反應(yīng)器

微反應(yīng)器應(yīng)用于納米材料的合成，可以更好地實(shí)現(xiàn)粒徑控制。2014年，Rubio-Martinez等[8]采用微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了大流量連續(xù)合成UiO-66（鋯1、4-羧基苯、金屬有機(jī)框架）材料，將連續(xù)流動(dòng)生產(chǎn)擴(kuò)大到大型反應(yīng)器，該反應(yīng)器的合成產(chǎn)量由2g/h大幅提高到60g/h。

2017年，Wang等人[9]利用微反應(yīng)器流動(dòng)反應(yīng)策略，制備了分級(jí)多孔鋯金屬有機(jī)骨架（UiO-66），實(shí)現(xiàn)了UiO-66材料的連續(xù)合成。通過(guò)調(diào)整停留時(shí)間，可以容易地調(diào)整中孔的尺寸，可以很好地控制產(chǎn)物的粒徑和形態(tài)，隨著停留時(shí)間的增加，框架中缺失的節(jié)點(diǎn)通過(guò)自修復(fù)程序被修復(fù)。

在上述研究中使用的是一種比較簡(jiǎn)單的TT型微反應(yīng)器，該反應(yīng)器作為微反應(yīng)器的初始產(chǎn)品，可以通過(guò)通道尺寸大、在反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生高濃度的碰撞區(qū)域來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化傳遞。目前研究比較成熟的反應(yīng)器是內(nèi)交叉指型反應(yīng)器，內(nèi)交叉指型微反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)將流體分為多層，大大增加反應(yīng)物流體之間的接觸面積，使反應(yīng)物在反應(yīng)器中混合更均勻，反應(yīng)時(shí)間大大縮短。

2019年，Wang等[10]采用內(nèi)交叉指型微通道反應(yīng)器連續(xù)合成UIO-66材料，通過(guò)考察溫度、總進(jìn)料流量、停留時(shí)間等條件對(duì)合成過(guò)程及產(chǎn)物的影響，實(shí)現(xiàn)了一系列納米級(jí)UIO-66的連續(xù)合成，連續(xù)微通道法強(qiáng)化了材料間的混合大大提高了生產(chǎn)效率。

2022年，Yu等人[11]通過(guò)微通道反應(yīng)器，以白酒為溶劑合成MOFs材料ZIF-67，通過(guò)高溫分解Co@N-CORR用作催化劑的催化劑具有良好的電催化性能。

目前，納米材料的進(jìn)一步應(yīng)用需要大規(guī)模準(zhǔn)備。在一些系統(tǒng)中，典型的批量處理過(guò)程的擴(kuò)展可能導(dǎo)致合成不成功或質(zhì)量變低，而將連續(xù)流動(dòng)化學(xué)作為通用合成納米材料的方法可以解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)工藝優(yōu)化可以產(chǎn)生前所未有的生產(chǎn)效率，不損害產(chǎn)品質(zhì)量，或者在產(chǎn)量情況下很好地控制顆粒的尺寸和形態(tài)，提高產(chǎn)品在應(yīng)用方面的性能。

02、微通道反應(yīng)器面臨的問(wèn)題

2.1微通道阻塞問(wèn)題

微通道反應(yīng)器目前面臨的主要問(wèn)題是阻塞問(wèn)題[12]。特別是在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物中存在固體時(shí)，其中固體含有反應(yīng)物、催化劑或產(chǎn)物，納米材料產(chǎn)物一般為固體，粒子大時(shí)容易發(fā)生堵塞，或者反應(yīng)物為密度高的液體時(shí)也容易因粘稠而發(fā)生堵塞阻塞現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)影響液體流動(dòng)，增加反應(yīng)容器的壓力，影響微通道反應(yīng)器的使用壽命。堵塞可分為結(jié)晶、顆粒、化學(xué)反應(yīng)、腐蝕、生物污染、氣泡等。微通道反應(yīng)器閉塞后，流道過(guò)細(xì)，清洗困難。

清洗微通道板可以通過(guò)物理和化學(xué)方法解吸吸附在微通道板表面上的污染物來(lái)實(shí)現(xiàn)微通道板的清洗。物理方法是利用光、電、熱等使污染物獲得能量，例如進(jìn)行超聲波清洗，通過(guò)自身振動(dòng)從基體脫離，化學(xué)清洗方法是使用化學(xué)溶劑清洗微通道反應(yīng)器使用有機(jī)溶劑或清洗液溶解污染物以清洗管道和微通道反應(yīng)器板。

微通道反應(yīng)器由于通量問(wèn)題，在泵的選擇面、體積流量的選擇面以及后續(xù)板的選擇面與各工藝步驟的連接處后續(xù)反應(yīng)過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，需要隨時(shí)調(diào)整反應(yīng)過(guò)程的適合性以適當(dāng)和適當(dāng)?shù)卣{(diào)整反應(yīng)過(guò)程。例如，精餾裝置不適于使后續(xù)過(guò)程成為間歇過(guò)程或在兩個(gè)過(guò)程之間加入緩沖單元。

微通道反應(yīng)器作為精密化學(xué)儀器，化學(xué)反應(yīng)工藝無(wú)論對(duì)反應(yīng)管路還是對(duì)微通道反應(yīng)器板對(duì)其精密性、準(zhǔn)確性、密封性、耐壓性及耐腐蝕性都有較高的要求。微通道反應(yīng)器的制造技術(shù)比較成熟，但開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化的制造技術(shù)，降低制造成本仍然是一項(xiàng)艱巨而緊迫的任務(wù)。

03、總結(jié)

微通道反應(yīng)器具有反應(yīng)時(shí)間短、無(wú)放大效果、生產(chǎn)率高、傳質(zhì)效率高、副產(chǎn)物少、安全性高、反應(yīng)綠色化等顯著優(yōu)勢(shì)，在精細(xì)化學(xué)、醫(yī)藥、生物化學(xué)等方面有著廣泛的應(yīng)用。微通道反應(yīng)器除了在有機(jī)合成和醫(yī)藥方面應(yīng)用廣泛外，今年以來(lái)在納米材料工業(yè)化生產(chǎn)方面也具有重大突破力，通過(guò)微通道反應(yīng)器成功制備納米材料，有效控制了納米材料的尺寸和形態(tài)。微通道反應(yīng)器在納米材料工業(yè)化生產(chǎn)中有望有更大的發(fā)展，同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。