CN106908484B - 一种检测y型纸质微通道混合效率的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置和方法，主要包括恒温板、两个微流注射泵、Y型纸质微通道、两片锯齿形电极、带显示屏的单片机板。微流注射泵A，向微通道入口A注射溶液；同时微流注射泵B，向微通道入口B注射溶液；两种溶液在主微通道混合反应；再测量齿状电极A和齿状电极B之间的电导率；单片机板将电导率数据进行线性回归得到斜率，由斜率求得反应率,混合效率与反应率成正相关，并讲混合效率显示在显示屏上。本发明所述的装置，便于携带、价格便宜，能实时检测Y型纸质微通道内溶液混合效率。不要求被测流体或管道要有一定的透明度。待测对象是较短的微通道，不要求布置多组传感器。

Description

一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种检测溶液混合效率的装置，特别是涉及一种检测Y型纸质微通道内溶液混合效率的便捷装置及检测方法。
背景技术
混合是化工、冶金、材料、制药、造纸、建筑、食品加工、生物和环境等应用领域必不可少的关键单元操作之一。在物理反应过程中，混合主要是为了获得混合的均匀度，而在有化学反应参加的混合过程中则是为了优化反应进程。
随着数字图像处理技术的发展，越来越多的设备开始采用该技术获得内部流场的变化情况，进而分析其混合效果。结合先进的测试技术和计算流体力学来研究混合效果。目前研究混合效果主要有以下技术：激光多普勒测速技术、粒子成像测速技术、电子过程断层成像技术。
激光多普勒测速技术(laser Doppler velocimetry，LDV)是借助被测流体中示踪颗粒的运动速度反映整个流动自身速度的点测量技术。
粒子成像测速技术(particle image velocimetry，PIV)的基本原理是激光束通过光学调制为片光源，在流场添加示踪颗粒，利用两个脉冲激发光源，获得流场的两次曝光图，然后通过曝光时间和位移计算速度场。
电子过程断层成像技术(EPT)。20世纪80年代后期，英国UMIST大学自主研发了一种称为电子过程断层成像的新技术，简称EPT(electrical process tomography)，该技术不仅可以测量透明介质的物料混合，而且还可以测量不透明介质的流场，是一种适用于各种多相流体系的非接触式实时检测和可视化技术。
以上三种现有技术都可以用于混合效率的检测。但有一些局限性：三种现有技术的共同特点是设备不便携带，价格较昂贵。其中，LDV和PIV技术都要求被测流体要有一定的透明度，管道要有透明窗口或管道要求透明；EPT技术则算法复杂并且如果待测对象是较短的微通道，无法布置所需的多组传感器，因此EPT技术无法检测较短的微通道反应。
发明内容
针对上述三种技术的的局限性，本发明提出了一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置及方法，技术方案如下：
技术方案
一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置，包括两个微流注射泵、Y型纸质微通道、两片锯齿形电极、单片机板6；所述两个微流注射泵分别与所述Y型纸质微通道的两个入口相连通；所述两片锯齿形电极分别置于所述Y型纸质微通道的主通道的上面和下面；所述单片机板通过两根电极导线连接所述两片锯齿形电极；单片机板测量两片锯齿形电极之间的电导率，将电导率数据处理得到反应率，通过混合效率与反应率正相关得到混合效率。
进一步，还包括恒温板，所述恒温板放在所述Y型纸质微通道的主通道下面。
进一步，所述单片机板上设有显示屏。
进一步，所述单片机板对电导率数据进行线性回归得到拟合直线的斜率，由斜率求出反应率。
进一步，所述Y型纸质微通道采用定性滤纸、定量滤纸或者硝酸纤维素膜实现。
进一步，所述两片锯齿形电极采用石墨电极。
进一步，所述Y型纸质微通道的长度在2-3cm。
利用上述装置，本发明还提出了一种检测NaOH和CH3COOC2H5反应的混合效率的方法，包括如下步骤：
步骤1、调节恒温板，同时打开单片机板启动程序；
步骤2、0时刻电导率κ0的测定：分别取100ml蒸馏水和100ml NaOH标准溶液加到微流注射泵A和微流注射泵B，并以2毫升/分钟的速度注射到微通道入口A和微通道入口B中，在主微通道内混合4分钟后，用单片机板6测定两齿状石墨电极间的电导率κ0；
步骤3、t时刻电导率κt的测定及线性回归：测完电导率κ0后，微流注射泵A和微流注射泵B停止注射，把微流注射泵B中蒸馏水换为90ml CH3COOC2H5溶液标准溶液后，微流注射泵A和微流注射泵B又开启注射，过4分钟后，用单片机板测定两齿状石墨电极间的电导率κt及时间t；
设置若干个时间点，并在若干个时间点时测其电导率，根据反应速率的线性方程进行回归分析；
步骤4、混合效率测定：由回归分析得到的直线斜率
Figure BDA0001212437690000021
的值，计算得到反应速率k的值，混合效率η与反应速率k呈正相关，由此得出混合效率值。
进一步，所述反应速率的线性方程为：
Figure BDA0001212437690000022
κ0、κt和κ∞分别为0、t和∞时刻的电导率。
进一步，还包括步骤5：将测量的混合效率通过显示屏进行显示。
本发明的有益效果：
1、采用齿状石墨电极来测量通道内液体的电导率，可以充分地降低通道两侧表面粗糙带来的误差。
2、采用简单的线性性回归方法来处理电导率数据得到斜率，由斜率求得反应率，再由反应率求得混合效率。
3、发明设计的装置，便于携带、价格便宜，能实时检测Y型纸质微通道内溶液混合效率。不需要求被测流体要有一定的透明度，也不需要求管道要有透明窗口或管道透明。待测对象是较短的微通道，不需要布置传感器，所以本发明还可以检测较短的微通道反应。
附图说明
图1是本发明装置的示意图。
图2是本发明实施例t时刻电导率kt与
Figure BDA0001212437690000031
之间的回归关系拟合图。
图3单片机板的程序流程图。
图1中的标记：1a-微流注射泵A；1b-微流注射泵B；2a-Y型纸质微通道入口A；2b-Y型纸质微通道入口B；3-Y型纸质主微通道；4a-齿状电极A；4b-齿状电极B；5a-电极导线A；5b-电极导线B；6-单片机板；7-显示屏；8-恒温板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置，包括恒温板8、两个微流注射泵、Y型纸质微通道(微通道长度在2-3cm)、两片锯齿形电极、带显示屏的单片机板6。微流注射泵A1a向Y型纸质微通道入口A2a注射溶液；同时微流注射泵B1b向Y型纸质微通道入口B2b注射溶液；两种溶液在Y型纸质主微通道3混合反应；将齿状电极A4a与齿状电极B4b分别通过电极导线A5a、电极导线B5b与单片机板6相连；测量齿状电极A4a和齿状电极B4b之间的电导率；单片机板6将电导率数据进行线性回归得到斜率，由斜率求出反应率，混合效率与反应率正相关，最后将得到是混合效率显示在显示屏7上。
进一步，采用的纸质微通道的材料为定性滤纸、定量滤纸、或硝酸纤维素膜。
进一步，采用的两片齿状电极为齿状石墨电极。
进一步，所述恒温板8是放在纸质通道的下方，目的是使皂化反应尽量在温度恒定的条件下进行。
本发明以乙酸乙酯皂化反应为例，对本发明的检测方法进行说明，本发明的方法同样适用于其他化学反应。
本发明检测乙酸乙酯皂化反应混合效率的总体思路是：先求乙酸乙酯皂化的反应速率常数k，利用混合效率η与反应速率常数k成正相关得到混合效率η的值。
乙酸乙酯皂化反应式：
Figure BDA0001212437690000041
建立速率方程式
Figure BDA0001212437690000042
积分并整理得速率常数k的表达式为：
Figure BDA0001212437690000043
假定此反应在稀溶液中进行，且CH3COONa全部电离。则参加导电离子有Na+、OH－、CH3COO－，而Na+反应前后不变，OH－的迁移率远远大于CH3COO－，随着反应的进行，OH－不断减小，CH3COO－不断增加，所以体系的电导率不断下降，且体系电导率的下降和产物CH3COO－的浓度成正比。
令κ0、κt和κ∞分别为0、t和∞时刻的电导率，则：
t＝0时，κ0＝A*C0； ②
t＝∞时，κ∞＝B*C0； ③
t＝t时，κt＝A*Ct+B(C0-Ct) ④
其中A、B为常数，C0、Ct分别表示CH3COOC2H5或NaOH的初始浓度，和t时刻的浓度。
由②、③、④三式得：
(C0-Ct)＝[(κ0-κt)/(κ0-κ∞)]C0 ⑤
或
Ct＝C0-[(κ0-κt)/(κ0-κ∞)]C0 ⑤
⑤式带入①式，得：k＝(κ0-κt)/[(κt-κ∞)tC0]，整理得：
Figure BDA0001212437690000044
可见，即已知起始浓度C0，在恒温条件下，在若干时刻点测得κ0和κt，并以κt对
Figure BDA0001212437690000051
作图，拟合得到一条直线，如图2，则直线斜率为
Figure BDA0001212437690000052
的值，从而求得此温度下的反应速率常数k。混合的效率η与k正相关，k越大代表混合效率越高。
本发明实施例的具体操作过程如下：
1、调节恒温板
调节恒温板温度为室温温度(以室温25℃为例)。同时提前打开单片机板启动程序。
2、κ0的测定：分别取100ml蒸馏水和100ml NaOH标准溶液加到微流注射泵A1a和微流注射泵B1b，并以2毫升/分钟的速度注射到通道入口A2a和微通道入口B2b中，在主微通道3内混合4分钟后。用单片机板6测定两齿状石墨电极间的电导率κ0。
3、kt的测定及线性回归：测完电导率κ0后，微流注射泵A1a和微流注射泵B1b停止注射，把微流注射泵B1b中蒸馏水换为90ml CH3COOC2H5标准溶液后，微流注射泵A1a和微流注射泵B1b又开启注射，又过4分钟后，用单片机板6测定两齿状石墨电极间的电导率κt及时间t。4min，6min，8min，10min，12min，14min，16min，18min,20min，22min，24min，26min，28min，30min时测其电导率。数据如表1所示。
表1电导率kt与(k0-kt)/t关系表
Figure BDA0001212437690000053
室温：25℃ 大气压：100.50Kpa
4、混合效率测定：k＝1/(mc0)＝1/(4.35*2.125*0.5*10-2)mol·L-1·min＝20.76L/(mol·min)；
η＝50+k＝70.76，即本具体实施例中的混合效率为70.76。
5、将测量数据通过单片机显示屏7进行显示。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置，其特征在于，包括两个微流注射泵、Y型纸质微通道、两片锯齿形电极、单片机板( 6) ；所述两个微流注射泵分别与所述Y型纸质微通道的两个入口相连通；所述Y型纸质微通道的两个入口注入的溶液能够在Y型纸质主微通道内发生混合反应，此反应能够导致所述两片锯齿形电极之间的电导率发生变化；所述两片锯齿形电极分别置于所述Y型纸质微通道的主通道的上面和下面；所述单片机板通过两根电极导线连接所述两片锯齿形电极；单片机板测量两片锯齿形电极之间的电导率，将电导率数据处理得到反应率，通过混合效率与反应率正相关得到混合效率；
还包括恒温板，所述恒温板放在所述Y型纸质微通道的主通道下面。
2.根据权利要求1所述的一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置，其特征在于，所述单片机板上设有显示屏。
3.根据权利要求1所述的一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置，其特征在于，所述单片机板对电导率数据进行线性回归得到拟合直线的斜率，由斜率求出反应率。
4.根据权利要求1所述的一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置，其特征在于，所述Y型纸质微通道采用定性滤纸、定量滤纸或者硝酸纤维素膜实现。
5.根据权利要求1所述的一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置，其特征在于，所述两片锯齿形电极采用石墨电极。
6.根据权利要求1所述的一种检测Y型纸质微通道混合效率的装置，其特征在于，所述Y型纸质微通道的长度在2～3cm。
7.一种使用权利要求1-6任一项所述装置检测NaOH和CH3COOC2H5混合效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、调节恒温板，同时打开单片机板启动程序；
步骤2、0时刻电导率κ0的测定：分别取100ml蒸馏水和100ml NaOH标准溶液加到微流注射泵A和微流注射泵B，并以2毫升/分钟的速度注射到微通道入口A和微通道入口B中，在主微通道内混合4分钟后，用单片机板( 6) 测定两齿状石墨电极间的电导率κ0；
步骤3、t时刻电导率κt的测定及线性回归：测完电导率κ0后，微流注射泵A和微流注射泵B停止注射，把微流注射泵B中蒸馏水换为90ml CH3COOC2H5标准溶液后，微流注射泵A和微流注射泵B又开启注射，过4分钟后，用单片机板测定两齿状石墨电极间的电导率κt及时间t；
设置若干个时间点，并在若干个时间点时测其电导率，根据反应速率的线性方程进行回归分析；
步骤4、混合效率测定：由回归分析得到的直线斜率
Figure FDA0002458559320000021
的值，计算得到反应速率k的值，混合效率η与反应速率k呈正相关，由此得出混合效率值；C0表示CH3COOC2H5或NaOH的初始浓度。
8.根据权利要求7所述的检测NaOH和CH3COOC2H5混合效率的方法，其特征在于，
所述反应速率的线性方程为：
Figure FDA0002458559320000022
κ0、κt和κ∞分别为0、t和∞时刻的电导率；C0表示CH3COOC2H5或NaOH的初始浓度。
9.根据权利要求7所述的检测NaOH和CH3COOC2H5混合效率的方法，其特征在于，还包括步骤5：将测量的混合效率通过显示屏进行显示。
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