CN1088385C - 用于在不混溶流体之间进行扩散传递的方法与设备 - Google Patents

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Abstract

在不混溶液体之间扩散传递诸如溶质之类的物质然后在不混合的情况下分离所说的液体的方法与设备：薄板的相反侧上具有第一和第二流路，它们用于传送第一和第二不混溶的流体，其中，薄板上开孔的高度不大于200微米，在各开孔内的流体之间会形成稳定的界面，在紧邻上述界面处有显著量的流体流。在上述界面的两端进行扩散传递，然后流体在不混合的情况下流离上述区域。所述流路按垂直于薄板测量时的宽度在10至500微米之间。各开孔的壁面可以是平行的或者是呈锥形的。

Description

用于在不混溶流体之间进行扩散传递的方法与设备
本发明涉及到用于在第一与第二不混溶流体之间进行如从一种流体到另一种流体的物质传递之类处理的方法与设备。
周知在液体/液体的物质传递中使用了薄膜。EP-A-0246965和载于Journal of Memhrane Science(膜渗学杂志)第20期(1984)125至145页的Kiani等人的文章“Solvent Extraction with ImmobilisedInterfaces in a Microporous Hydrophobic Membrane”(用微孔性疏水薄膜在固定界面情况下进行溶剂萃取)均公开了在两种不混溶液体之间传递溶质，其中，液体间的分界面由一薄膜所限定。所说的物质传递实际是在薄膜的孔隙内进行的，这一处理中所使用的典型薄膜是Calgard牌(注册商标)2400型微孔性聚丙烯膜。这种薄膜一般约25微米厚并具有直径为0.02微米的有效孔隙。因此，在其中进行物质传递的孔隙基本上是非常长且薄的。Kiani公开了一种疏水薄膜。薄膜一侧的液相的压力高于薄膜另一侧的有机相，因此，在薄膜的液体一侧会使液体界面稳定住。
这种结构的问题是界面处孔隙内的液体基本上是静止的。就薄膜两侧的流体流而言，薄膜起一固体壁面的作用，因此，流体的速度在薄膜流体交界处基本为零。这就会在薄膜孔隙内的静止流体延伸用于使传递着的物质扩散的距离时为相间迁移提供不利的条件。此外，这种滞流区会聚积碎屑和不需要的反应物，它们可能会影响扩散着的溶质的相间迁移。
本发明概要
本发明基于为扩散传递过程提供一种有孔或带孔薄板这样的原理，其中，有孔薄板的开孔内会形成位于该有孔板两侧的两种难混溶流体之间的界面，所说的开孔能使得一种或两种流体中的基本上平行于所述界面的流体流在每个开孔内的界面范围内和界面处是连续的，从而在界面两端能进行快速扩散。
在第一个方面中，本发明提供了用于进行第一与第二不混溶流体之间扩散传递处理的设备，该设备包括第一和第二流体流路，它们用于相应的第一和第二流体并设置在有孔薄板装置的相反侧，其中，在使用时流体间的界面会形成在每个开孔处或每个开孔内，上述设备的特征在于，当同时垂直于流体流动方向和有孔薄板装置厚度测量时，所述各开孔在界面处的至少为较大部分的高度不大于200微米，其中，每个开孔均具有这样的形状，它能在不影响流体流出开孔的情况下使流体流进开孔，以便使流体流的有效的成分紧挨着前述界面，并且，在上述薄板装置区域的外侧，第一和第二流体流路是相分离的，以便在不相混合的情况下使相应的第一和第二流体流进和流出前述区域。
在另一个方面中，本发明提供了进行从第一流体将物质扩散传递至与第一种流体不相混溶的第二流体中这样一种处理的方法，该方法包括：
(1)提供彼此相通连的第一和第二流路，它们贯穿一有孔薄板装置，所述有孔薄板上的开孔的至少较大部分的最小高度在界面位置处沿同时垂直于流体流动方向和有孔薄板宽度的方向测量时均不大于200微米，其中，每个开孔均具有这样的形状，它能在不影响流体流出开孔的情况下使流体流进开孔；
(2)使第一和第二流体流过相应的第一和第二流路，因此，至少在有孔薄板装置的附近处，流体流基本上是分层的，并且，会在所说的界面位处于有孔薄板装置的开孔处或该开孔内形成稳定的界面，每种流体的流体流的有效的成分会紧挨着前述界面；以及
(3)扩散传递可传递物质总量的有效数量(至少1％)；以及
(4)在不使流体混合的情况下使流体在相应的流路内流至和流离有孔薄板装置区域。
因此，依照本发明，提供了这样的方法和装置，它们可在不构成使流体混合起来的危险的情况下进行两种不混溶流体间的扩散传递处理，同时能在不形成位于所述界面处的流体滞留区的情况下进行快速传递处理。
所述开孔的高度越大，就越难以保持稳定的界面，并且，在实践中，大于200微米的高度是无用的。业已发现，1至30微米的高度是最佳的。开孔沿流体流动方向的长度最好延续界面最大面积这样的距离，开孔可如需要的那样长。
所述薄板装置可带有开孔，所有这些开孔均具有基本上均匀的尺寸，；在这种情况下，所有的开孔均满足以上的尺寸要求。但是，当所述成形方法在开孔尺寸方面有一定的随机性时，一般不会有单个的开孔具有超过200微米最好是不超过30微米的高度。
至于横跨所述界面的开孔的宽度，就具有通常垂直于薄板和界面的内壁的开孔而言，开孔跨越薄板厚度和界面的宽度取决于开孔宽度与开孔高度的尺寸比。为了能使流体从薄板装置的两侧流进开孔并使流体流的具体成分位于前述界面处，通常要使上述尺寸比小于或等于1。因此，在开孔高度减小时，开孔宽度也必须减小，并且，在实践中有一个下限，该下限取决于薄板装置的形状。如果上述尺寸比小于1，则界面附近的流体流就会因流体流进开孔而减弱，从而会影响流体流出开孔。
在所述开孔的另一种形式中，这种形式在薄板装置形成为一蚀刻的硅板的情况是特别适用的，每个开孔的壁面均具有一定的锥度，此锥度非常宽，因此，所说的界面会形成在开孔的狭窄端部或开孔内的收缩部，并且，流体会从开孔比上述狭窄端部或收缩宽一或两个数量级的另一端流入。这种结构对便于生产来说是必要的。这种结构不受上述小于或等于1的尺寸比的限制，因为，流体的流入和流出在开孔的上游端和下游端沿锥形壁面本来就是独立的。
所述薄板装置通常形成为一平板，尽管该平板不一定设置在一个平面内，而是可形成为一个卷或一个圆柱。上述薄板部件可与其它结构例如用于第一和第二流体的流体流路的壁面成整体。
根据本发明的一个形式，还包括一第三流体流路，它用于第三流体；以及，一第二薄板装置，通过此装置，上述第三流体流路与前述第一或第二流路相通连，所述第三流体与相应的第一或第二流体不相混溶。
在某些情况下，所述薄板装置可形成为一个三维结构的整体部分。例如，该薄板可形成为薄板部分，这些薄板部分在较大的三维块之间延伸，而所说的三维块则与流体流动通道的侧壁相接合以便支承上述薄板部分。作为另外一种形式，具体如我们的共同未决申请书(PQ 12618)GB-A-2294260所述，前述薄板装置由一薄层微球例如熔接在一起的玻璃所限定，因此，微球之间的空间限定了薄板的开孔。
在一种形式中，装填在小球薄层两侧的较大球体构成了用于薄板装置的支承件并提供了流体流路，它们用于在薄板装置两侧流动的流体。作为另一种形式，所述薄板装置可由一编织纤维或非编织纤维薄层所限定，所说的纤维熔接或以其它方式粘合在一起，因此，纤维间的空间限定了薄板装置的开孔。在一种形式中，装填或编织在小纤维薄层两侧的较大纤维构成了用于薄板装置的支承件并提供了流体流路，它们用于在薄板装置两侧流动的流体。
依照本发明，会在薄板装置的开孔的两端产生显著数量的扩散传递。如下所述，为了使物质的显著扩散传递能出现在两种流体间的薄板装置的两端，要对界面区内的流体流路的宽度加以某些限制。上述第一和/或第二流体流路在薄板装置区域并垂直于该装置的宽度(1)小于一预定值，此值取决于下述不等式：l2＜D.t.x-1.其中，D是相应流体的扩散常数，t是相应流体在前述薄板装置区域的驻留时间，该时间在0.1至100秒之间，x是值为0.005或更大的常数。
时间t表示流体实际在开孔的界面区内花费的时间，在开孔于薄板装置内间隔有显著距离的情况下，流体在薄板装置附近所花费的总时间应乘以一适当的比例因子。
薄板装置可以是一网筛，即是由股线编成的薄板，股线之间有开孔。另外，薄板装置也可以是穿孔的薄片，其中，以某种形式对一薄板加以穿孔，例如，如果薄板是硅板，则通过蚀刻来形成穿孔。另外，如果可将开孔做得足够大，那么，就可将薄板装置形成为一由塑料聚合物构成的多孔薄膜。
在开孔沿流体流动方向延伸的情况下，就界面的最大面积而言，为了能有助于维持界面处的流动，只要能保持薄板装置的物理稳定性，所说的开孔就可以如需要的那么大。
本发明形成薄板部件的一种方法是对薄硅板或其它半导体基层进行蚀刻。很明显，也可以使用诸如金属或陶瓷之类其它材料，包括可支承在硅基层上的氮化硅或氧化硅薄层。也可以沿具体带有硅基层的晶体平面进行蚀刻以形成具有上述锥形内壁的开孔。
作为另一种形式，通过从硅板的两侧开始蚀刻或者通过使两个蚀刻后的薄板面对面地定位，可将沿相反方向呈锥形的壁面设置成在开孔的中心处相交以便形成开孔中点处的最小厚度。这是界面以最佳形式定位并且来自薄板装置两侧的流体会流至开孔狭窄部分的地方。
尽管一种流体可以是超临界流体或气体，但只要所说的流体是相互不混溶的，它们通常也可以是液体。就气体而言，气体在界面处是基本上静止的，因为，在界面两端以扩散方式传递的物质会在气体中很快扩散离开所说的界面。
在某些应用中，本发明薄板装置一侧的液体可以是静止的以便例如形成了一储存器或者有间隔地移动以便在静止时进行预定程度的交换。
在涉及到包含有三种或更多流体的过程的情况下，可用实现上述方法的适当装置来提供至少由两个相间隔的薄板构成的层叠体，而每个薄板的侧面上均有流体层。用这种方式，可以进行并行处理，预定的物质会在选定流体之间的一个或多个界面的两端扩散。
对附图的简要说明
以下参照附图说明本发明的最佳实施例，在附图中：
图1是本发明第一实施例的概略图；
图2和图3是说明在形成两种不混溶流体间稳定界面时的条件的图；
图4、图5和图6是本发明有孔薄板中开孔结构形式的概略图；
图7是包括有电极结构的薄板中开孔的概略图；以及
图8是本发明包括在一个三维结构中的实施例的概略图。
对本发明的说明
参照图1中概略显示的第一实施例，呈通道1和2形式的两个流体流路形成为凹槽，它们切割，切削或蚀刻在相应的固体基层3、4上。区域6内的每个通道均与相应基层的端面相通连。所述基层彼此相对定位，薄板8设置在这两个基层之间，至少位于区域6内的薄板8形成为一带有开孔10的有孔薄板。薄板8由带有圆形开孔的20微米的厚硅板构成，所说的开孔具有25微米的直径，它们的中心间隔100微米。所说的开孔的壁面是平行的且垂直于所说的薄板。
使用时，由于相互不混溶的第一(液状)和第二(有机)流体在通道1和2内流动，因而会在薄板8内限定一界面，所述薄板的各开孔内均会形成一独立的界面区，在该界面区的两端，预定物质(溶解在液相中的金属)会因所述液体间的扩散迁移过程而运动。由于薄板的尺寸，所以界面处的各流体内存在有流体流的基本成分，从而具有以上所述的优点。
通道1和2沿垂直于薄板8方向的尺寸是这样的：在使流体从薄板的一端流至另一端所花费的时间内，通过扩散至和扩散自流体间界面的过程，可以在上述通道间基本上传递(至少1％，最好为50％或更多的)溶于各不混溶流体内的溶质。可按下述方式确定用于各流体流动通道1，2的适当宽度值。
就通过扩散来达到材料平衡分布的***来说，进度是主流体的扩散系数D，时间t和所述***形状及尺寸的函数，所述***的形状及尺寸可用沿扩散迁移方向的特征长度来表示。业已表明，可用一无量纲变量D.t/l2来描述扩散过程的进展(见《扩散数学》，J.Crank著1975年第二版，牛津大学出版社)。依照本发明，业已认识到，在确定流体流路或通道的宽度时可使用上述一般应用的等式。
就按着本发明所进行的显著扩散而言，应传递可传递物质的至少1％最好是50％或更多，所说的可传递物质在没有下降的边界处理的情况下可通过流体的接触来传递很长一段时间。
如果Dt/l2＞0.01，则平衡时传递量通常为最大量的1％至10％，而如果Dt/l2＞0.1，则传递量约为50％或更多。因此，可根据传递成分的扩散系数和预定传递时间来确定适当的***尺寸。所说的扩散系数取决于物质种类、介质和温度，但是，对液体介质中的小型至中等分子来说，D的值约为10-9至10-11m2S-1。对诸如某些聚合物之类高分子量的物质种类来说，液体介质中的扩散系数基本上是比较低的，例如为10-13m2S-1，而气体中的系数则通常高出几个数量级。作为一个实例，就快速(～1S)实质传递(～50％)具有扩散系数～10-10m2S-1的物质种类来说，应通过用相关值代替Dt/l2中的D和t并使该表达式等于0.1而适当地给出垂直于流体间界面的尺寸的适当长度。尽管在实践中10至100μm范围内的尺寸是适当的，但本例给出了l＝32μm。可以看出，对用于进行不混溶流体间传递的结构中的宽度尺寸而言，如就快速和实质扩散传递所述那样用表达式Dt/l2计算出的用于适当尺寸的值通常会产生在10至500μm范围内的均值。
根据图1的实施例，上述表达式可重写为：
l2＜D.t.x-1，其中，x是一数值常数，其值为0.1，0.01或0.005或更大；
D是相应第一或第二流体中传递着的物质的扩散系数；
t是流***于界面附近的时间，对有孔薄板来说，t代表穿越所述薄板时在各开孔界面附近所花费的总时间；以及
l是垂直于所述界面的相应流体流路的宽度。
通过确保所述设备中存在着层流状态，可以避免界面两端因紊流所产生的脉动压力差，所以，所说的多孔结构可以是薄且相对开放的结构。在本发明中，具有显著大于1的孔隙长度与直径的尺寸比的通常薄膜在所述尺寸比为10或更大的情况下是不实用的。为了能够进行最佳的快速传递，薄板的厚度必须小于所研究的物质种类在流体经过薄板的时间内的扩散距离。所述开孔的最大横截面尺寸取决于流体间界面的表面张力以及界面两端的压力。关键尺寸是垂直于流体流方向的各开孔的高度。尽管每个开孔的最大高度为200微米以便保持该开孔内的稳定界面，但就使用中的稳定性和生产的方便性而言，所述高度最好在1至30微米之间。
尽管根据最大压力差与横截面尺寸及最小直径之间的周知关系可用圆柱形开孔使界面的稳定性达到最大，但通过使开孔面积最大化并使连续的流体内的流体流至界面且在界面处流动，也可以增加流体间的界面传递。非圆形截面的开孔特别是在开孔沿流动方向延伸的情况下能够最佳地满足后一个条件。
为了增强薄板的物理稳定性并使流体内的流体流至界面，可将所述开孔构造成表现出有从流体通道的一个或两个至所述界面的锥形轮廓。这就可以用界面处的尺寸的相当急剧的变化来获得特别小的开孔宽度以有助于止住所说的界面。图4和图5示出了这种情况，这两个附图显示了锥形廓轮的各种结构。应该认识到，在图4和图5所示的锥形廓轮中，界面实质上位于开孔以突然的间断所限定的锥形端部处。
参照图4，它是开孔的各种图，所说的开孔是通过非均质地蚀刻{100}晶体平面内带有蚀刻壁面的壁板而形成的，而所说的蚀刻壁面则是由{111}平面所限定的。流体流动的方向不在图中。因此，图4a公开了带有开孔42的400微米宽的硅板40，开孔42带有壁面44，壁面44按与所述薄板表面成约55°角呈锥形。这就会使开孔46的一端具有50微米的垂直于界面位置处的流体流的高度，并使开孔48具有610微米的高度。
图4b和图4c示出了类似的结构，但如图所示有着略微不同的尺寸。
图4d示出了这样一种结构，其中，从相反的表面开始时对硅板进行蚀刻以给出开孔42的缩腰式截面。壁面43从开孔的上端48开始向内呈锥形，垂直于流体流的高度为150微米，壁面44从开孔的下端46开始开始向内呈锥形，高度为150微米。开孔的中点处有一高度为20微米的狭窄部分49。在这种结构中，薄板两侧的两种不混溶流体间的界面会基本上形成在狭窄部分49处。
图4e和图4f示出了硅板部分，它们既可独立地加以使用，也可以与类似的薄板相叠合以形成图4d的结构。图中示出了这些薄板的尺寸，可以看出，这些薄板的尺寸比前面图中的薄板的尺寸小很多。
参照图5，图5a是通过在硅板上进行蚀刻而形成的开孔50的概略三维图，其中，所述开孔具有通常为矩形的结构，该开孔的一端52形成为矩形，边长为600微米。所述硅板为400微米厚并具有按55°角延伸的锥形壁面，开孔54在硅板另一表面处的端部也为矩形，边长40微米宽。因此，所述开孔在界面位置54处垂直于该开孔表面两端的流体流的高度为50微米。
在图5b中，示出了与图5a略有类似的结构，但该结构沿平行于预定流体流方向的一个方面延伸。开孔在界面位置处垂直于流体流的高度为50微米。开孔沿这一方面的长度可以如需要的那么长并且仅受这样的限制即：最终的硅板不会在结构上减弱到能产生过度弯曲的程度。可以看出，上游和下游端的锥形壁面50能在使液体在开孔中的流进和流出相分离方面起到作用，从而使开孔的尺寸不再受上述尺寸比的限制。平行于流体流的锥形侧面50可防止对沿该侧壁的粘性曳力所导致的流体流的任何限制。
参照图6，此图示出了疏水和亲水表面的各种结构以便如以下参照图2所述那样提供不混溶流体间界面的稳定性。
在图6a中，有孔薄板60包括两层62、64金属和聚合物或者金属和陶瓷及玻璃，它们放置在一起或者粘合或以某种方式层叠在一起，层62为亲水物质，而层64则为疏水物质。开孔66限定在薄板66内，两种流体间的界面基本上位于标号68所示的两种材料间的接合处。所述开孔的尺寸如以上参照图1所述。
另外，可以用适当的处理或对通常薄膜的一个表面进行涂敷例如对疏水聚合物薄膜的一个表面进行电晕放电来形成上述双表面式薄板。因此，在图66所示的另一种结构中，提供了一种由亲水材料62构成的薄板，它的一个表面上带有以某种方式附着的一层疏水材料。在这种结构中，两种不混溶的流体间的界面基本上会形成在与开孔66的表面64相邻的端部65处。
在图6c的结构中，有孔薄板60具有带第二薄层65的第一和第二薄层62、64，薄层65由很薄且脆性材料构成，这种材料具有与薄层62和64不同的表面性质(薄层62、64可均为疏水或亲水物质)。在这种结构，界面可于开孔66内形成在标号68所示的薄层65的接合处。
图6所示的具有疏水/亲水表面的结构能如将要参照图2所述那样提供有所改进的界面稳定性。与此相似，如将要参照图3所说明的那样，图4和图5的锥形结构能因以尺寸间断方式定位的界面而提高界面的稳定性。
图2示出了经由垂直于图纸平面流动的两种流体22、24的界面20并由平行壁面所限定的截面，其中，壁面材料或表面26、28在预定界面位置20的两侧是不同的(例如是亲水/疏水的)。在图2中，两种流体分别具有压力P1和P2，界面20具有曲率半径r。压力差ΔP＝(P1-P2)与所述曲率半径成反比，对两种流体间沿流动方向延长的界面来说，上述压力差可表示为：
ΔP＝γ/r，其中，γ为两种流体的界面张力。
就图4至图6所示的情形而言，其中界面形成在粘合于所有侧面上的开孔内，就垂直方向上的两种曲率半径而言，可将上述等式更一般地表示为：
ΔP＝γ/(r1+r2)
此外，可以看出，就图2的情形而言，按间隔d限定在壁面间的两种流体之间的静态界面的状态在流体界面与壁面材料之间的平衡接触角为θ的情况下可表示成如下：
ΔP＝γd/(2cosθ)
因此，存在着仅为单个值的压力差ΔP，就该压力差而言，如果壁面间隔d和接触角θ固定为单个值，那么，所说的界面就会是静止的。在这种情况下，很难将界面的位置固定到任何所希望的地方。在实践中，尽管在最需要的情况下通常不是这样，但实际***的接触角的值的滞后现象会使所述界面固定在适当位置处。
参照图2，θA和θB表示两种流体与表面26和28的平衡接触角。在材料26的表面之间(图2所示界面位置的左侧)，界面会移动，除非压力差是ΔPA＝γd/(2cosθA)。与此相似对除ΔPB＝γd(2cosθB)以外的所有压力差来说，在材料28的表面之间，界面会移动。但是，在材料26和28之间的接合处存在着接触角的变化，因此，存在着接触角与压力差的差异，就这种差异而言，与界面固体表面接触位置不会改变。当不同类型表面接合处的接触角θj位于θA与θB之间并对应于有限压力差时，就可以满足上述止动条件。因此，当界面两端的压力差P1-P2满足表达式ΔPA＜(P1-P2)＜ΔPB时，就会存在有被止动了的界面。
在许多情况中，就如图2所述其中带有开孔的薄板而言，实践中会在所述隔板的一个表面处稳住界面。在这种情况下，一种物相会填满隔板的开孔但会因第二物相所施加的过量压力而避免弄湿开孔的最外侧表面。这种情况多少是有限制的，因为它需要：在使用中实际只用为了稳定而由开孔尺寸所限定并沿穿过开孔的方向所施加的压力差范围的一部分。例如，可呈这样的状态，其中，有机相会优先弄湿有孔隔板并具有比液相高的粘性。在这种情况下，液相需按较高的压力运动以防止有机相弄湿隔板。但是，根据通道的尺寸，为了获得两种物相相同的流速，有机相需在某些区域内按高于液相的压力运动以使它有较大的粘性。因此，可导致所需要的运动参数方面的冲突。尽管可以通过选择优先被液相弄湿的隔板来克服上述问题，但是，在选择适当的材料方面仍存在问题，在某些情况下，特别是在存在有显著相间材料传递的情况下，压力差的方向和最佳薄板的类型会以接触点的一个区域到另一个区域而有所不同。在这种情况下，一种改进方式是如图6所示形成或对薄板加以处理以便使该薄板的一侧是亲水的从而该侧能优先被液相弄湿并且使薄板的另一侧是疏水的从而该侧能优先被非液相弄湿。这就能通过使液间界面定位于两种表面类型之间的接合处而提高界面的稳定性，从而能为任何选定的开孔尺寸提供最大范围的界面压力差。
参照图3，该图示出了尺寸间断(参见图4、图5)对界面稳定性的效果。图3示出了经由不同宽度dA，dB的两个通道30、32之间接合处的截面，其中，将所有的壁面均看作是同样的材料，平衡接触角θ不会改变，流体34、36的压力差ΔPA和ΔPB是指宽阔和狭窄部分内用于不流动性的单个值。在狭窄部分的入口处，用于止动的压力差由下式给出：
ΔPA＝γdA/(2cosθ)＜(P1-P2)＜ΔPB＝γdB/(2cosθ)
除了用于圆形开孔的不流动性压力差公式ΔPB＝2γdB/(2cosθ)以外，图3所示的状态及上述用于两种平行流的公式均可在进入薄膜的开孔的入口处加以应用。
因此，就图4和图5的结构而言，可以看出，所述锥形开口狭窄端部的界面对一定范围的压力差来说是稳定的。
可以存在这样的状态，其中，就改进离子迁移而言，在上述有孔薄板内或该有孔薄板的两端存在有电场可能是有优点的，从而能以电化学的方式改变正在迁移的物质种类，例如改变正相互交换的金属离子的氧化状态或者改变前述界面的性质。利用本发明，所述薄板包括例如位于含有金属或碳纤维的网筛内的导电体或者呈一有孔薄片的形式，该薄片可由上述导电体构成或者覆盖或层压在一非导电薄板材料上。在所述导电体被限定为位于两个非导电薄层之间的薄层的情况下，可将电化学作用限定在开孔内非常靠边界面的位置处。
为了能使电化学偏流作用于包括或由导电体构成的有孔薄板的全部或一部分，所使用的设备包括独立的计数器和/或参考电极。以离子方式传导的成分必须将有孔薄板的电极与计数器和/或参考电极联结起来，上述成分最一般地说包括一种或多种不混溶流体，具体地说包括液状溶液。以离子方式传导的固体特别是以离子方式传导的聚合物可包括在所说的设备内并可构成有孔薄板的一部分且可将独立的导电元件连接起来，所说的导电元件的一个或多个可以是有孔薄板的组成部分。只要不混溶的流体是以离子方式传导的并且与有孔薄板电极相接触，所述计数器或参考电极就可作为诸如导线或网筛之类的结构定位在一种或多种不混溶的流体内或者构成了液体流过的通道的一部分或包含在该通道内，或者包含在附加的相连通道内，这些附加通道含有不需要流动的以离子方式传导的流体。有孔薄板可具有复合结构，它包括独立的导电的有孔部件，这些部件因一不导电组件或以离子方式传导的材料而彼此电绝缘，所说的不导电组件可包括有孔或多孔绝缘体，而所说的以离子方式传导的材料则可包含有一种或多种与前述有孔薄板相接触的流体。
所述电极***可用于实现多种对前述设备的操作有影响的功能。这些功能包括：
改变溶质的氧化还原状态，从而会影响不混溶流体相之间的溶质的分配系数；
改变局部酸或碱浓度，从而影响溶质的种类形成，因而会影响溶质在不混溶流体相之间的分配或溶质在上述流体相内及界面两端的流动性；
改变有孔薄板表面的电化学状态，因此而改变该表面的变湿性质、控制或导致流体间界面位置的变化，从而影响溶质传递的效率；
提供跨越流体间界面的偏流，从而影响互相间溶质传递的动能和选择率；
通过提供用于离子迁移的驱力而改变溶质迁移至和迁移自所述界面的迁移率，以便作用于溶质的种类和在没有所施加的电偏压情况下进行的扩散过程；
通过电渗透过程改变流体流；
提供用于检测上述流体流内以电化学方式活动的物质种类的浓度以及用于对物质种类进行电化学滴定的装置；
提供这样的装置，它通过以电化学方式改变、清除或破坏因氧化还原反应、表面变湿/粘合性质的变化而产生的污垢种类或分解物、通过产生在化学上活跃的物质种类以便与污垢或分解物进行反应或清除它们，通过产生气泡以便在物理上扰动和移动污垢或分解物，从而在现场对所述设备中包括有孔薄板、有孔薄板的开孔、通道及通道表面在内的组件进行清洁。
在导电组件包括或构成了有孔薄板与以离子方式传导的流体相接触的一个或多个表面的情况下，所说的组件可用于进行对贯穿与前述电极相邻的分层流动通道的流体产生影响的处理，例如逐步改变整个流体流中的物质种类的氧化还原状态。另外，电化学作用最好限定于开孔内的流体间界面区。这一点例如可通过如下方式来实现：利用有孔薄板的复合结构提供导电相以便与仅位于开孔之内的以离子方式传导的流体相接触，从而，具有与导电体中开孔相接续的开孔的非导电材料构成了有孔薄板的一部分，以便阻止不在微孔或开孔之内的电与离子导体之间的接触。如果有孔薄板一侧的流体不具有以离子方式传导的性质，那么，上述非导电层可位于有孔薄板的另一侧，或者，该非导电层可位于前述导电层的两侧，因此，所有与流体接触的有孔薄板电极均被限定于所述开孔或微孔的边缘。其中电化学作用被限定于与流体间界面相邻的微孔处的有孔薄板的优点是：在所有延伸的扩散距离和迁移至所述界面的时间范围以外，以电化学方式产生的物质种类可迅速地包括到相间传递过程中。这在以电化学方式产生的物质种类在一种流体相中不稳定或受副作用的影响但在另一种流体相中是稳定的或能迅速地溶解进有效生成物的情况下特别有用。
参照图7，它示出了体现上述某些考虑并具有沉积在有孔薄板上的导电电极材料的结构。在图7a中，有孔薄板70具有基层72，该基层的一个表面上沉积有电极材料74，它用于与上述有孔板这一侧上的不混溶流体相配合或检测所说的不混溶流体，上述有孔薄板上带有开孔76。所述基层和开孔的尺寸如参照图1所述。
在图7b中，薄板70由硅板构成，它带有用以上参照图4所述的方法形成的锥形开孔75，并且，上述硅板的两侧及开孔75的壁面上带有一层约1微米厚的氮化硅Si3N4 76。薄层76的下表面上沉积有起电极作用的金属层78。
在图7c中，示出了这样一种结构，其中，薄板70包括带有第二薄层77的由绝缘材料构成的第一和第三薄层72，所述第二薄层77设置在上述第一与第三薄层之间并由金属或导电的碳构成。由于所述材料具有不同的表面性质，所以，界面79基本上在开孔75之内位于金属层77附近，从而，所述电极起控制和影响界面79的作用。在图7c中，概略地示出了计数器和参考电极77R，77C。它们包括在流体流路(未示出)的壁面内。
参照图8，它示出了一个三维结构，其中，包括有孔薄板。所述结构包括一200微米宽的硅板80，它是蚀刻的以提供栅条82，这些栅条在截面上为四边形并垂直于薄板的平面延伸，以便支承由硅构成的非常薄的薄层86，此薄层10微米宽并限定了多个有孔薄板部分且带有蚀刻在其上用于限定界面区的开孔88。栅条84用于支承薄板部分86并贴靠在周围流体流动通道(未示出)的壁面上。

Claims (30)

1.用于进行第一与第二不混溶流体之间扩散传递处理的设备，该设备包括第一(1)和第二(2)流体流路，它们用于相应的第一和第二流体并设置在有孔薄板装置(8)的两侧，其中，在使用时流体间的界面会形成在各开孔处或各开孔内，其特征在于，当同时垂直于流体流动方向和簿板装置厚度测量时，至少大部分开孔(10)的最狭窄部分小于200微米，其中，每个开孔均具有这样的形状，它能在不影响流体流出开孔的情况下使流体流进开孔，以便使流体流的有效成分紧挨着前述界面，并且，在上述薄板装置区域的外侧，第一和第二流路是相分离的，以便在不相混合的情况下使相应的第一和第二流体流进和流出前述区域。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，各开孔(10)的内壁基本上平行于所述薄板装置的宽度，所述开孔横贯薄板装置厚度的宽度与该开孔高度的尺寸比小于或等于1，从而使各流体的流体流的有效成分能紧挨着前述界面。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，各开孔的壁面(44)沿流体流的方向呈锥形，从而能使流体流进开孔至所述界面并使流体离开所述界面流出开孔，因而能使流体的流体流的有效成分紧挨着所述界面。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所说孔的高度在1至30微米之间。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，上述第一和/第二流体流路在薄板装置区域(6)并垂直于该装置的宽度(l)在10至500微米之间。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，上述第一和/或第二流体流路在薄板装置区域并垂直于该装置的宽度(1)小于一预定值，此值取决于下述不等式：
l2＜D.t.x-1
其中，D是相应流体的扩散常数，t是相应流体在前述薄板装置区域的驻留时间，该时间在0.1至100秒之间，x是值为0.005或更大的常数。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，x的值为0.01或更大。
8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，x的值为0.1或更大。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备包括：一第三流体流路，它用于第三流体；以及，一第二薄板装置，通过此装置，上述第三流体流路与前述第一或第二流路相通连，所述第三流体与相应的第一或第二流体不相混溶。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述薄板装置形成并包含在一个三维结构内。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所说的结构包括一系列块状部件(82)，它们被构成前述薄板装置的薄板部分(86)所分隔，上述块状部件构成了用于前述薄板部分的支承件。
12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述薄板装置形成为一网筛、有孔薄板或多孔薄膜。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述薄板由固体平板构成，而所述平板则由蚀刻成能提供相间隔的开孔的材料构成。
14.如权利要求11或12所述的设备，其特征在于，所述薄板(60)由第一和第二薄板层(62，64；72，74)构成，一个薄层具有不同于第二薄层的表面特性或导电性或其它整体特性。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述第一薄层是亲水的，而第二薄层则是疏水的，或者，第一薄层是电绝缘的，而第二薄层是导电的。
16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，该设备包括一第三薄层(65，77)，所述第二薄层介于第一与第三薄层之间。
17.如权利要求3所述的设备，其特征在于，各开孔的壁面(43，44)从各端部(46，48)开始呈向内的锥形，从而在该开孔的中心区域内提供了一个具有最小开孔高度的区域(49)。
18.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述开孔沿通道内流动的方向延伸以便使流体跨越前述薄板的表面。
19.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述薄板装置包括用于监测或影响第一和第二流体的电极装置(77)，并且，所述设备包括计数器和/或参考电极装置(77c，r)。
20.进行从第一流体中将物质扩散传递至与第一流体不相混溶的第二流体中的处理方法，该方法包括：
(1)提供彼此相通连的第一和第二流路(1，2)，它们贯穿一有孔薄板装置(8)，当在界面位置处沿同时垂直于流体流动方向和薄板装置宽度的方向测量时，至少有孔薄板的大部分开孔(10)的最狭窄部分均小于200微米，其中，每个开孔均具有这样的形状，它能在不影响流体流出开孔的情况下使流体流进开孔；
(2)使第一和第二流体流过相应的第一和第二流路，因此，至少在有孔薄板装置的区域，流体流基本上是分层的，并且，会在所说的界面位置处于有孔薄板装置的开孔处或该开孔内形成稳定的界面，每种流体的流体流的有效成分会紧挨着前述界面；
(3)扩散传递可传递物质总量的有效数量(至少1％)；以及
(4)在不使流体混合的情况下使流体在相应的流路内流至和流离有孔薄板装置区域。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，各开孔(10)的内壁基本上平行于所述薄板装置的宽度，所述开孔横贯薄板装置的宽度与该开孔高度的尺寸比小于或等于1，因此，各流体流的有效成分会紧挨着上述界面。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，各开孔的壁面(44)沿流体流方向呈锥形，从而，流体会流进开孔至所述界面，并且，流体会离开所述界面流出开孔，流体的流体流的有效成分会紧挨着上述界面。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所说孔的高度在1至30微米之间。
24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，上述第一和/或第二流体流路在薄板装置区域(6)并垂直于该装置的宽度(1)在10至500微米之间。
25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，上述第一和/或第二流体流路在薄板装置区域(6)并垂直于该装置的宽度(l)小于一预定值，此值取决于下述不等式：
l2＜D.t.x-1
其中，D是相应流体的扩散常数，t是相应流体在前述薄板装置区域的驻留时间，x是值为0.005或更大的常数。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，x的值为0.01或更大。
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，x的值为0.1或更大。
28.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法包括：一第三流体流路，它用于传送第三流体；以及，一第二薄板装置，通过此装置，上述第三流体流路与前述第一或第二流路相通连，所述第三流体与相应的第一或第二流体不相混溶。
29.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述开孔沿流路内流动的方向延伸以便使流体跨越前述薄板的表面。
30.如权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法包括通过电极装置(77)及计数器和/或基准电极装置(77C，r)来监测或影响前述第一和第二流体。
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