[发明专利]一种小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件及方法

说明书

本发明的一种小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件，适用于细微粒径粉煤灰精细分选使用。其包括微流控芯片，微流控芯片内设有顶部带突扩结构的螺旋流道，螺旋流道的首尾两端分别设有与微流控芯片外界连通的入口连接器和出口连接器；其中螺旋流道入口连接器处为圆柱空间的入口，出口连接器出为圆柱空间的出口。其结构简单，创新性地提出在螺旋流道中多向诱导并耦合Dean流的方法，克服现有螺旋结构仅能在截面横向方向上诱导生成Dean流的不足，可大幅提升螺旋流道对微纳米粒子的惯性操控效率，为极细小粉煤灰微粒的精细尺寸分选提供有力工具。

技术领域：

本发明专利涉及一种螺旋流道微流控器件及方法，尤其适用于一种小粒径粉煤灰颗粒尺寸细分领域中使用的小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件及方法。

背景技术：

粉煤灰是燃煤在锅炉内燃烧过程中产生的未燃尽的细小颗粒，随烟气的流动离开炉膛并由除尘系统捕捉收集到的一种无机残渣。粉煤灰可以和水泥一起（取代一部分水泥）作为混凝土的胶结料，从而大幅降低混凝土生产成本并提升其性能。混凝土的反应速率及强度等早期性能唯一取决于胶结料性能，而胶结料本身是胶凝性矿物颗粒和水的混合物，因此胶凝性矿物颗粒的物理、化学特征对混凝土早期性能起到直接决定作用。

粉煤灰作为胶结料的重要组分，在物理特征方面，主要表现为类球形的颗粒形态，尺寸分布在0.1-100 μm范围内。一般来说，粉煤灰细度越细，比表面积越大，受激活反应能力越强，需水量越小，改善混凝土的和易性越明显，对混凝土的强度贡献越大，同时还能起到细化孔尺寸、改善孔结构、减少干缩变形、提高抗裂性和抗冻性的作用；但同时亦有研究指出，粉煤灰粒径和细度过小过细，需水量会重新增加，影响粉煤灰性能的发挥。在化学特征方面，煤粉燃烧生成粉煤灰的相组成与微粒尺寸关系密切，尽管两者间的确切关系仍有待研究且可能因材料而异。由此可见，粉煤灰颗粒自身的物理、化学特征均与尺寸密切相关，不同尺寸的粉煤灰微粒对混凝土早期性能影响重大。然而，目前关于粉煤灰尺寸对混凝土性能的研究仍较为粗糙，其关键技术瓶颈在于粉煤灰颗粒尺寸细小且呈多分散性，分离获得特定尺寸区间的粉煤灰颗粒存在较大挑战。

传统的微粒分离方法多采用筛分、密度分级、场流萃取、超声沉降等方法，然而这些方法存在耗时长、设备笨重、分离精度低、微粒回收率低等不足，难以满足高效、精确的粉煤灰分离需求。如现阶段粉煤灰细度分级即通过45μm方孔筛的筛分评定，GB/T 1596-2017中规定Ⅰ级粉煤灰45μm方孔筛筛余量不超过12%，Ⅱ级筛余量不超过30%，Ⅲ级筛余量不超过45%。但显而易见，该方法只能将粉煤灰微粒分离为大于45μm和小于45μm的两部分，对尺寸小于45μm极细颗粒的进一步细分难以实现，且分离需要烘干、负压等步骤，操作繁琐，设备笨重。相较而言，兴起于20世纪90年代的微流控(Microfluidic)技术，通过微米级流道精确操控微升、毫升级别样品，得益于其特征尺寸与粉煤灰颗粒尺寸刚好匹配，这些微流控器件具有操控精度高的先天优势，其中又尤以惯性微流控这一操纵手段，因流道结构简单、无需借助外场力及处理通量高等显著优势，在对粒径小于45μm极细粉煤灰颗粒进一步尺寸精分应用方面潜力巨大。

发明内容：

发明专利目的：针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用效果好，能够对45μm方孔筛筛分所得极细粉煤灰颗粒的进一步尺寸精分的小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的小粒径粉煤灰颗粒分选螺旋流道微流控器件，其特征在于：它包括微流控芯片，微流控芯片内设有螺旋流道，螺旋流道有首端和尾端、位于螺旋内的一端为首端、位于螺旋流道外的一端为尾端，螺旋流道包括矩形截面螺旋通道结构的主流道，主流道的顶部间隔设有与主流道等宽的突扩阵列，突扩阵列包括多个间隔设置并与主流道等宽的凸块，螺旋流道的首端通过主流道设有位于螺旋中心的入口，入口上设有入口连接器，螺旋流道的尾端通过与螺旋流道相切的直线型出口通道，出口通道的末端分别设有内侧出口、中间出口和外侧出口，内侧出口上设有内侧出口连接器，中间出口上设有中间出口连接器，外侧出口上设有外侧出口连接器。