《Chemical Engineering Journal》：Spindle-shaped patterned wettability microchannel: A novel approach to continuous flow demulsification
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油水乳液连续流脱乳化高效微流道设计与机理研究。采用化学蚀刻与掩模喷涂技术制备螺旋形亲油微流道，系统研究流道尺寸、亲油线参数及流速对脱乳化效率的影响，发现线数与线宽增大显著提升效率，但流道尺寸扩大导致通量下降。优化条件下（流道宽1cm、高30μm、流速2mL/min）实现85%脱效率与4.5秒短停留时间，循环50次后效率仍超80%。有限元模拟揭示亲油线诱导的螺旋速度场与界面润湿协同作用机制：低密度线宽时通过润湿边界驱动液滴排列，高密度时形成连续油膜。
赵启明|马浩然|李彦和|魏浩杰|周春燕|张浩|陈晓
西南民族大学化学与环境学院微流控合成与分离实验室，中国成都610225
摘要
本文设计并制造了一种创新的纺锤形图案化亲水微通道（SPM），以增强水在油乳液中的连续流脱乳效果。通过化学蚀刻和掩模喷涂技术，在基于铝的微通道内精确构建了与流体速度场对齐的纺锤形亲油图案。系统研究了图案线数、线宽、微通道尺寸和流速对脱乳性能的影响。实验结果表明，增加亲油线的数量和宽度显著提高了脱乳效率。然而，增大微通道尺寸会降低分离通量。在优化条件下（通道宽度：1厘米，高度：30微米，流速：2毫升/分钟），具有三条线（线宽1毫米，间距5毫米）的SPM配置实现了85%的脱乳效率，且停留时间仅为4.5秒。经过10次循环后，脱乳效率进一步提高到95%，SPM表现出优异的重复使用性，在50次循环后仍保持80%以上的脱乳效率。有限元模拟阐明了纺锤形速度场与亲油图案之间的协同机制：在较低图案密度或较窄线宽的情况下，亲油-疏水边界促使液滴向图案迁移，导致液滴线性排列；而在较高图案密度和较宽线宽的情况下，油滴在亲油表面上聚集并因毛细力作用形成连续油膜。本研究从流体力学和界面相互作用的角度阐明了图案化亲水性对油滴聚集的调控机制，为开发高通量、低能耗和环保的乳液分离技术提供了重要的理论和技术支持。
引言
乳液分离是石油提取、化工制造、食品加工和废水处理等行业中的关键技术步骤[1]、[2]、[3]、[4]。乳液是由表面活性剂稳定的两种不相容液体组成的多相系统，由于其高稳定性和细小液滴的特性，给传统脱乳技术带来了挑战[5]、[6]、[7]。传统脱乳方法通常存在效率低、运行成本高、可能造成二次污染以及与连续工艺不兼容等局限性[8]。这些限制共同阻碍了它们的广泛应用，推动了新型脱乳技术的发展[9]、[10]、[11]。此外，工业乳液系统（如多重乳液、纳米乳液）的复杂性增加进一步加剧了传统方法的不足。例如，在页岩气开采中，回流水常含有高度稳定的纳米乳液[12]。传统技术在处理这些乳液时面临成本效益低的挑战，导致水资源浪费和环境风险。随着工业规模的扩大和环境标准的提高，开发高效、节能和环保的连续流脱乳技术已成为学术界和工业界关注的焦点[13]。
近年来，微流控技术因其精确的微尺度流体控制能力而受到广泛关注[14]、[15]、[16]。微通道内的流体行为与宏观尺度有根本不同，为开发先进的脱乳方法提供了新的途径[17]、[18]、[19]、[20]。例如，袁等人使用毫米级螺旋管柱实现了微米级液桥流动，脱乳效率达到52.94%[21]；王等人开发了一种利用离心力和微尺度效应的微型离心脱乳装置（MCDD），脱乳效率达到99.99%[22]。目前，微流控技术在乳液处理中的应用主要集中在液滴生成、液滴操控和液滴聚合方面[23]、[24]、[25]。然而，传统的微通道设计往往由于液滴在通道内的停留时间不足而无法实现高效的连续流脱乳。虽然复杂的微通道几何结构可以延长液滴停留时间[26]，但会大幅增加制造复杂性和成本。值得注意的是，通过设计具有特定亲水性图案的微通道可以创建交替的超亲水和疏水表面区域[27]，这种策略通过多种设计得以实现，如仿生图案表面[28]、嵌入亲水微区域的表面[29]和多功能辐射图案[30]。利用这种亲水性对比产生的毛细力梯度可以有效地捕获和聚合乳液液滴[31]、[32]、[33]，并且已成功应用于纳米流体乳液的被动破坏[34]。在我们之前的工作中[19]，设计了一种箭头形图案化亲水性微通道（APM），单次通过脱乳效率高达70%。这一结果表明微通道亲水性分布对脱乳性能有显著影响。因此，优化几何结构简单微通道内的亲水性图案以实现绿色、高效、连续流脱乳是一个亟待解决的科学挑战。
在这项工作中，我们提出了创新的纺锤形图案化亲水性微通道（SPM）的设计和制造方法，以增强连续流脱乳效果。通过化学蚀刻和掩模引导的喷涂涂层，精确工程化了铝板表面，成功在其内表面创建了具有空间可控亲水性图案的微通道。此外，通过结合实验研究和数值模拟，系统研究了关键参数（包括表面亲水性、微通道尺寸、图案线宽、线数和流速）对SPM装置脱乳性能的影响，从而确定了最佳工艺条件。有限元模拟用于研究微观液滴聚合动力学和两相流动状态，这些现象在实验中难以捕捉。这种综合方法不仅确定了最佳操作条件，更重要的是，从流体力学和界面作用的角度阐明了SPM设计如何增强液滴聚合并提高脱乳效率。
部分摘录
材料
铝板（纯度99.6%，尺寸：80×50×1毫米，深圳市全富金属有限公司），玻璃板（尺寸：80×50×1毫米，东莞市通大玻璃有限公司），PTFE薄膜（南京金城塑料有限公司），氢氧化钠（NaOH）和乙醇均购自上海阿拉丁生化科技有限公司；硬脂酸（SA）由上海阿拉丁生化科技有限公司提供；煤油由中国石油化工集团有限公司提供；去离子水由...
不同表面的形态、亲水性和成分
为了更好地分析亲水性与表面粗糙度之间的关系，使用扫描电子显微镜（SEM）对具有不同亲水性的铝板进行了微观结构表征。顶视图SEM图像（图3a）显示，原始铝板表面相对光滑且无污染物。在NaOH溶液中化学蚀刻后，生成了NaAlO?，同时部分溶解了铝基底，这一点通过截面元素映射得到证实
结论
本研究成功制备了纺锤形图案化亲水性微通道（SPM），通过优化结构参数显著提高了油包水（O/W）乳液的脱乳性能。实验结果表明，增加纺锤形亲油图案的数量或宽度可以有效提高脱乳效率。虽然适度扩大微通道尺寸有助于液滴聚合，但同时会降低...
作者贡献声明
赵启明：撰写——初稿，数据整理，概念构思。马浩然：方法学，数据整理。李彦和：方法学。魏浩杰：形式分析。周春燕：资源获取。张浩：撰写——审稿与编辑，监督。陈晓：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金项目（编号：21406183）和西南民族大学基本科研业务费（编号：ZYN2025267）的支持。
