非均相反應在微流道反應系統中的應用：材料世界網

楊慕震 / 工研院材化所

微流道反應系統憑藉其精確的流體控制、高效的熱/質傳遞及小型化等獨特優勢，在化學合成、生物醫藥和材料科學等領域得到了廣泛應用。非均相反應因其反應物相態的差異，通常具有較高的選擇性和效率。若將二者結合，能進一步提升反應效率，實現精細化的反應控制。本文深入探討非均相反應在微流道反應系統中的應用，涵蓋不同類型的非均相反應、微流道反應器的設計與優化，以及該技術在各領域的應用案例及未來研究方向，並介紹了工業技術研究院在此領域的技術成果，旨在為相關領域的研究和實踐提供全面的參考。

【內文精選】

非均相反應的類型及其在微流道反應系統中的應用

1. 液–液反應

液–液反應為兩種不相溶的液體反應物在微流道中混合反應，微流道可以透過微混合器等裝置，實現高效的液–液混合，提高反應效率。傳統的液–液反應中，由於兩液相的不相溶性，混合效果往往不理想，限制了反應的進行。微流道反應系統通過特殊設計的微混合器，能夠在短時間內實現兩種液體的高度分散和均勻混合。

微混合器的設計是液–液反應在微流道中高效進行的關鍵。常見的微混合器有T型混合器、Y型混合器、交錯指狀混合器等(圖二)。這些微混合器藉由不同的結構設計，實現了液體在微尺度下的快速混合。T型混合器利用兩股液體的對撞實現混合，結構簡單但混合效果較好；交錯指狀混合器則透過多個微小通道的交錯排列，增加了液體的接觸面積和混合時間，提高了混合效率。研究表明，使用微混合器後，液–液反應的混合時間可縮短至毫秒級，相比傳統攪拌式混合方式，效率提升數倍甚至數十倍。

圖二、微流道基礎構型

2. 三相反應

此為固體催化劑、液體反應物和氣體反應物在微流道中同時存在，進行三相催化反應。這種類型的反應在傳統反應器中面臨著諸多挑戰，如：氣–液–固三相的充分接觸困難、傳質阻力大等問題，導致反應效率較低。而微流道反應系統憑藉其獨特的結構和優異的傳質/傳熱性能，為三相反應提供了更有利的反應環境。

工研院微反應器技術成果

3. 高效能自動化微反應器系統的開發

為了進一步提升微反應器在工業生產中的實用性和效能，工研院設計了先進型微反應器系統。該系統創新性地結合了流體對撞與噴射原理，通過獨特的結構設計，使流體在微反應器內以高速對撞和噴射的方式進行混合，有效提高了混合效率。與傳統對撞型微反應器相比，其混合效率提升了3至8倍，為化學反應提供了更加均勻的反應物分布環境(圖五)---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。