基于矩形螺旋线芯的被动涡流驱动微萃取器：增强液-液并行流界面传质的新策略

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Passive vortex-driven mass transfer

本文介绍了一种新型核-环微萃取器（CALLME），其采用矩形螺旋线芯结构，在无外部能量输入条件下，于液-液界面处被动诱导可控涡流。该设计通过多物理场模拟和荧光粒子追踪验证了界面近端涡流形成，显著破坏扩散边界层并提升界面更新效率。在苯乙酮/正庚烷体系的概念验证萃取中，优化间隙宽度实现了68.18%的萃取效率，为微流控结构被动强化传质（mass transfer）提供了新范式。

　　

^CALLME装置

CALLME装置的设计允许操作单根矩形螺旋线。出于实验目的，我们分别采用了两种不同的304不锈钢螺旋线[11]。其中一根螺旋线尺寸为0.9 mm × 0.6 mm，长度为10 cm，具有200 μm的恒定间隙宽度；另一根具有相同的横截面尺寸，长度为12 cm，恒定间隙宽度为180 μm。选择这些配置是为了确保尽管长度不同，但有效的表面积...

^{流速与间隙宽度对涡流的影响}

本研究深入探讨了在固定间隙宽度为120 μm的螺旋线结构中，不同水流速率对涡流形成的影响。应用了从100 μl/min到2000 μl/min的流速，虽然注意到更高流速下速度会增加，但涡流结构保持不变。在所有流动条件下，涡流的大小和形状均保持一致，观察重点放在气-水界面和间隙内部。

^结论

本研究采用计算流体动力学（CFD）分析来研究流速、间隙宽度和线径对液-气萃取系统中涡流形成的影响。矩形螺旋线的模拟结果表明，涡流形成模式明显受间隙宽度影响，而流速的变化并未改变涡流几何形状。这些涡流被分为三类："完美"、"有效"和"无效"。在尺寸为...的矩形螺旋线中...