截面几何形状和制造方法对被动固液分离器性能的影响

《Technologies》：Effects of Cross-Sectional Geometry and Fabrication Methods on the Performance of Passive Solid–Liquid Separators Marijan-Pere Markovi?, Elizabeta Forjan, Krunoslav ?i?ek and Domagoj Vrsaljko

　　

本研究探讨了采用熔丝制造（FFF）和立体光刻（SLA）制造的螺旋分离器中固体颗粒与液体悬浮液之间的被动分离。在前期工作的基础上，研究人员研究了微通道几何形状（等面积的圆形与方形横截面）以及打印方法对分离性能的影响。装置在更宽的流速范围（150 mL min^?1–350 mL min^?1）内进行了测试，延伸至过渡流区，以考察几何诱导的惯性效应。分离性能通过滑石、沉淀碳酸钙和石英的归一化出口质量差（Δ）进行量化。在SLA分离器中，石英砂在250 mL min^?1时获得最大分离（Δ = 0.2175 g per 100 mL），而滑石在方形横截面FFF分离器中于300 mL min^?1时显示出最高质量差（Δ = 0.1196 g per 100 mL）。对于碳酸钙，在SLA装置中于250 mL min^?1达到最高分离（Δ = 0.1721 g per 100 mL），但FFF装置中的团聚和堵塞限制了性能。总体而言，分离主要基于质量而非严格的尺寸选择性，通道几何形状、流态和制造方法共同决定了分离性能。

**论文解读：《Technologies》**
**截面几何形状与制造方法对被动固液分离器性能的影响**

**一、研究背景与问题**
毫流体分离（millifluidic separation）是处理毫米级通道中颗粒操纵的新兴技术，相比微流体具有制造简便、不易堵塞、高通量等优势。被动分离依赖通道几何和流体动力学，无需外部场控，但通道横截面形状（圆形 vs. 方形）和制造方法（熔丝制造FFF vs. 立体光刻SLA）对分离性能的影响尚未系统量化。已有研究表明螺旋通道可诱导Dean二次涡流实现颗粒聚焦，但多数工作聚焦于液液分离或使用昂贵制造工艺，且对异形粉末（滑石、纳米碳酸钙、石英砂）的固液分离缺乏探讨。前期研究初步证实了FFF和SLA打印螺旋分离器的可行性，但未明确比较等面积圆形/方形截面的作用，流速范围也较窄。本研究旨在填补这一空白：通过系统改变截面形状、制造方法和流速，结合CFD模拟，揭示几何-制造-流场协同机制对被动分离性能的调控规律。

**二、研究内容与结论**
研究人员设计并制造了FFF（圆形/方形截面）和SLA（圆形截面）螺旋分离器，保持截面面积一致，测试150–350 mL min^?1流速范围内的分离效率。采用滑石、纳米CaCO₃和石英砂三种粉末，通过出口质量差（Δ）量化分离性能，并利用COMSOL模拟流场。结论表明：方形截面在中间流速（300 mL min^?1）下增强惯性效应，使FFF分离器对滑石达到最大Δ=0.1196 g/100 mL；SLA设备因表面光滑、尺寸精确，对粗颗粒（石英砂）在250 mL min^?1下达到Δ=0.2175 g/100 mL；纳米CaCO₃因团聚严重，仅在SLA中于250 mL min^?1取得Δ=0.1721 g/100 mL。分离主要受质量驱动而非严格尺寸选择，通道几何、流态和制造方法共同决定性能。该研究发表在《Technologies》上，为低成本、可定制的被动固液分离器提供了设计指南。

**三、主要关键技术方法**
（小于250字）
1. **3D打印制造**：采用FFF（Prusa i3 MK3s+，PETG耗材，层高0.05 mm）和SLA（Formlabs Form 2，Clear Resin V4，层高0.05 mm）制造螺旋分离器，通道长度/圈数基于前期工作。
2. **分离实验与粉末表征**：在磁力搅拌下注入1:300（w/w）的粉末-水悬浮液，使用蠕动泵驱动；出口固液分离后称量。粉末通过筛分、激光衍射（Shimadzu SALD-3101）和SEM（Tescan Vega 3）表征获得粒度分布（PSD）及形貌。
3. **计算流体动力学（CFD）模拟**：使用COMSOL Multiphysics v6.3的层流接口，模拟稳态流场和Dean二次流，边界条件匹配实验（流速150–350 mL min^?1，压力出口0 Pa，无滑移壁面）。

**四、研究结果**
**3.1 分离前粉末表征**
- 滑石：30.27% <63 μm，最大粒组63–90 μm（50.92%），激光衍射显示中位粒径约20 μm，Sauter平均直径（d_3,2）=43 μm；SEM显示片状形貌（20–60 μm），高宽比导致取向依赖的流体动力学行为。
- 纳米CaCO₃：筛分显示90–125 μm粒组占39.26%，但激光衍射揭示多数颗粒<10 μm（中位≈2 μm），表明严重团聚；SEM证实原颗粒<1 μm但形成大团聚体。低密度（<水）使Dean力不足以聚焦。
- 石英砂：最宽分布，180–355 μm粒组最多，激光衍射显示中位280 μm，d_3,2≈800 μm；SEM确认100 μm–1 mm，近球形、无团聚，易于惯性聚焦。

**3.2 分离效率**
- 滑石：SLA在150–250 mL min^?1下Δ值稳定（约0.07–0.08 g/100 mL）；FFF1（圆形）Δ随流速升高至0.1057 g/100 mL（350 mL min^?1）；FFF2（方形）在300 mL min^?1达最大Δ=0.1196 g/100 mL，但350 mL min^?1下降（可能进入过渡流导致不稳定）。
- 纳米CaCO₃：SLA在250 mL min^?1时Δ跃升至0.1721 g/100 mL（高剪切破碎团聚体）；FFF2在250 mL min^?1Δ=0.1412 g/100 mL，但300 mL min^?1骤降至0.0020 g/100 mL（局部堵塞），350 mL min^?1部分恢复至0.0739 g/100 mL。FFF1因早期堵塞无数据。
- 石英砂：SLA中Δ从150 mL min^?1的0.0316 g/100 mL线性增至250 mL min^?1的0.2175 g/100 mL，优于前期设计；FFF1/FFF2均因堵塞无法测试。
- 雷诺数计算：SLA（3 mm圆形）全程层流（Re<2000）；FFF1/FFF2（2 mm圆形/方形）在≥300 mL min^?1进入过渡流（2000
**3.3 COMSOL数值验证**
- 针对各粉末最佳分离工况模拟：滑石在FFF2（300 mL min^?1）时流速0.6–0.8 m/s，外壁高速区促进向外迁移；纳米CaCO₃在SLA（250 mL min^?1）时流场类似但小颗粒分散随机，无法实现清晰聚集；石英砂在SLA（250 mL min^?1）时外壁强向心力驱动明显迁移。模拟揭示了Dean涡对颗粒输运的机制，但忽略了团聚、旋转和壁面粗糙度。

**3.4 粒径分离能力**
- 滑石（FFF2，300 mL min^?1）：出口1富集较小当量直径颗粒（d₅₀下降）和紧凑团聚体（d_3,2 > d₅₀）；出口2富集细片状/高表面积颗粒（d_3,2 < d₅₀）。模态直径（d_mode）不变，表明分离受形貌和聚集状态而非单纯尺寸驱动。
- 纳米CaCO₃（SLA，250 mL min^?1）：d₅₀和d_3,2在出口间变化微小（2.3–2.4 μm vs. 1.9–2.0 μm），出口1富集稍大团聚体，出口2保留原分布，分离效率低。
- 石英砂（SLA，250 mL min^?1）：出口1富含细粒（d_mode 281.8 μm），出口2富含粗粒（446.7 μm），d₅₀相应变化，但d_3,2异常高（出口1达1777.9 μm），归因于不规则角状颗粒的高表面积贡献，表明有效尺寸分离。

**五、总结与讨论**
研究人员指出，方形截面在中间流速下增强惯性效应，FFF设备因表面粗糙易堵塞，但方形设计补偿了部分缺陷；SLA设备光滑通道对粗颗粒高效且抗堵塞；纳米CaCO₃的团聚是主要瓶颈。COMSOL模拟定性支持实验趋势，但未包含粒子间相互作用。与Yeh et al. (2020)和Sierra Agudelo et al. (2021)相比，本研究扩展了几何设计空间并引入过渡流区分析，展示了增材制造在定制化中的优势。局限性包括FFF的变异性和纳米颗粒的团聚问题。

**翻译研究结论**
本研究在前期工作基础上，系统引入并比较了等面积的方形和圆形横截面，并在更宽的流速范围（150 mL min^?1至350 mL min^?1）内评估了分离性能。这些新增内容隔离了内部通道横截面的几何效应，并揭示了流条件对分离性能的影响，尤其在FFF打印装置中。对于滑石，最大出口质量差（Δ）0.1196 g/100 mL在FFF2（方形）分离器中于300 mL min^?1获得，而SLA（圆形）装置在250 mL min^?1时达到Δ = 0.0770 g/100 mL。纳米CaCO₃在SLA中于250 mL min^?1获得最高分离（Δ = 0.1721 g/100 mL），而FFF2在同一流速下Δ = 0.1412 g/100 mL。石英砂分离在SLA中于250 mL min^?1最为有效，Δ = 0.2175 g/100 mL。结果表明，方形横截面在中间流速下增强惯性效应，尤其在FFF装置中，导致Δ值高于圆形通道。SLA装置由于更光滑的内表面和更精确的通道光洁度，在粗粉末（如石英砂）上持续表现良好，支持稳定的二次流和颗粒分离。COMSOL Multiphysics模拟用于可视化速度场和二次流，为螺旋通道内的流型提供了计算见解，并支持了实验观察。虽然所有装置均表现出一定的质量重新分布能力，但各出口的粒径分布总体上相似，表明分离主要受惯性和水动力驱动而非严格的尺寸选择性。总体而言，这些发现强调了精心设计几何和制造对优化悬浮液分离器的重要性，并突显了低成本、可定制、无场系统在材料加工、环境监测和生物医学诊断中可扩展应用的潜力。FFF引起的堵塞和纳米颗粒团聚突出了装置设计和实验方法改进的关键领域。