本發(fā)明涉及一種檢測溶液混合效率的裝置，特別是涉及一種檢測Y型紙質(zhì)微通道內(nèi)溶液混合效率的便捷裝置及檢測方法。

背景技術(shù)：

混合是化工、冶金、材料、制藥、造紙、建筑、食品加工、生物和環(huán)境等應(yīng)用領(lǐng)域必不可少的關(guān)鍵單元操作之一。在物理反應(yīng)過程中，混合主要是為了獲得混合的均勻度，而在有化學(xué)反應(yīng)參加的混合過程中則是為了優(yōu)化反應(yīng)進(jìn)程。

隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備開始采用該技術(shù)獲得內(nèi)部流場的變化情況，進(jìn)而分析其混合效果。結(jié)合先進(jìn)的測試技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)來研究混合效果。目前研究混合效果主要有以下技術(shù)：激光多普勒測速技術(shù)、粒子成像測速技術(shù)、電子過程斷層成像技術(shù)。

激光多普勒測速技術(shù)(laser Doppler velocimetry，LDV)是借助被測流體中示蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)速度反映整個(gè)流動(dòng)自身速度的點(diǎn)測量技術(shù)。

粒子成像測速技術(shù)(particle image velocimetry，PIV)的基本原理是激光束通過光學(xué)調(diào)制為片光源，在流場添加示蹤顆粒，利用兩個(gè)脈沖激發(fā)光源，獲得流場的兩次曝光圖，然后通過曝光時(shí)間和位移計(jì)算速度場。

電子過程斷層成像技術(shù)(EPT)。20世紀(jì)80年代后期，英國UMIST大學(xué)自主研發(fā)了一種稱為電子過程斷層成像的新技術(shù)，簡稱EPT(electrical process tomography)，該技術(shù)不僅可以測量透明介質(zhì)的物料混合，而且還可以測量不透明介質(zhì)的流場，是一種適用于各種多相流體系的非接觸式實(shí)時(shí)檢測和可視化技術(shù)。

以上三種現(xiàn)有技術(shù)都可以用于混合效率的檢測。但有一些局限性：三種現(xiàn)有技術(shù)的共同特點(diǎn)是設(shè)備不便攜帶，價(jià)格較昂貴。其中，LDV和PIV技術(shù)都要求被測流體要有一定的透明度，管道要有透明窗口或管道要求透明；EPT技術(shù)則算法復(fù)雜并且如果待測對象是較短的微通道，無法布置所需的多組傳感器，因此EPT技術(shù)無法檢測較短的微通道反應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述三種技術(shù)的的局限性，本發(fā)明提出了一種檢測Y型紙質(zhì)微通道混合效率的裝置及方法，技術(shù)方案如下：

技術(shù)方案

一種檢測Y型紙質(zhì)微通道混合效率的裝置，包括兩個(gè)微流注射泵、Y型紙質(zhì)微通道、兩片鋸齒形電極、單片機(jī)板6；所述兩個(gè)微流注射泵分別與所述Y型紙質(zhì)微通道的兩個(gè)入口相連通；所述兩片鋸齒形電極分別置于所述Y型紙質(zhì)微通道的主通道的上面和下面；所述單片機(jī)板通過兩根電極導(dǎo)線連接所述兩片鋸齒形電極；單片機(jī)板測量兩片鋸齒形電極之間的電導(dǎo)率，將電導(dǎo)率數(shù)據(jù)處理得到反應(yīng)率，通過混合效率與反應(yīng)率正相關(guān)得到混合效率。

進(jìn)一步，還包括恒溫板，所述恒溫板放在所述Y型紙質(zhì)微通道的主通道下面。

進(jìn)一步，所述單片機(jī)板上設(shè)有顯示屏。

進(jìn)一步，所述單片機(jī)板對電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得到擬合直線的斜率，由斜率求出反應(yīng)率。

進(jìn)一步，所述Y型紙質(zhì)微通道采用定性濾紙、定量濾紙或者硝酸纖維素膜實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步，所述兩片鋸齒形電極采用石墨電極。

進(jìn)一步，所述Y型紙質(zhì)微通道的長度在2-3cm。

利用上述裝置，本發(fā)明還提出了一種檢測NaOH和CH3COOC2H5反應(yīng)的混合效率的方法，包括如下步驟：

步驟1、調(diào)節(jié)恒溫板，同時(shí)打開單片機(jī)板啟動(dòng)程序；

步驟2、0時(shí)刻電導(dǎo)率κ₀的測定：分別取100ml蒸餾水和100ml NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液加到微流注射泵A和微流注射泵B，并以2毫升/分鐘的速度注射到微通道入口A和微通道入口B中，在主微通道內(nèi)混合4分鐘后，用單片機(jī)板6測定兩齒狀石墨電極間的電導(dǎo)率κ₀；

步驟3、t時(shí)刻電導(dǎo)率κ_t的測定及線性回歸：測完電導(dǎo)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中蒸餾水換為90ml CH3COOC2H5溶液標(biāo)準(zhǔn)溶液后，微流注射泵A和微流注射泵B又開啟注射，過4分鐘后，用單片機(jī)板測定兩齒狀石墨電極間的電導(dǎo)率κ_t及時(shí)間t；

設(shè)置若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)，并在若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)測其電導(dǎo)率，根據(jù)反應(yīng)速率的線性方程進(jìn)行回歸分析；

步驟4、混合效率測定：由回歸分析得到的直線斜率的值，計(jì)算得到反應(yīng)速率k的值，混合效率η與反應(yīng)速率k呈正相關(guān)，由此得出混合效率值。

進(jìn)一步，所述反應(yīng)速率的線性方程為：κ₀、κ_t和κ_∞分別為0、t和∞時(shí)刻的電導(dǎo)率。

進(jìn)一步，還包括步驟5：將測量的混合效率通過顯示屏進(jìn)行顯示。

本發(fā)明的有益效果：

1、采用齒狀石墨電極來測量通道內(nèi)液體的電導(dǎo)率，可以充分地降低通道兩側(cè)表面粗糙帶來的誤差。

2、采用簡單的線性性回歸方法來處理電導(dǎo)率數(shù)據(jù)得到斜率，由斜率求得反應(yīng)率，再由反應(yīng)率求得混合效率。

3、發(fā)明設(shè)計(jì)的裝置，便于攜帶、價(jià)格便宜，能實(shí)時(shí)檢測Y型紙質(zhì)微通道內(nèi)溶液混合效率。不需要求被測流體要有一定的透明度，也不需要求管道要有透明窗口或管道透明。待測對象是較短的微通道，不需要布置傳感器，所以本發(fā)明還可以檢測較短的微通道反應(yīng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例t時(shí)刻電導(dǎo)率k_t與之間的回歸關(guān)系擬合圖。

圖3單片機(jī)板的程序流程圖。

圖1中的標(biāo)記：1a-微流注射泵A；1b-微流注射泵B；2a-Y型紙質(zhì)微通道入口A；2b-Y型紙質(zhì)微通道入口B；3-Y型紙質(zhì)主微通道；4a-齒狀電極A；4b-齒狀電極B；5a-電極導(dǎo)線A；5b-電極導(dǎo)線B；6-單片機(jī)板；7-顯示屏；8-恒溫板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種檢測Y型紙質(zhì)微通道混合效率的裝置，包括恒溫板8、兩個(gè)微流注射泵、Y型紙質(zhì)微通道(微通道長度在2-3cm)、兩片鋸齒形電極、帶顯示屏的單片機(jī)板6。微流注射泵A1a向Y型紙質(zhì)微通道入口A2a注射溶液；同時(shí)微流注射泵B1b向Y型紙質(zhì)微通道入口B2b注射溶液；兩種溶液在Y型紙質(zhì)主微通道3混合反應(yīng)；將齒狀電極A4a與齒狀電極B4b分別通過電極導(dǎo)線A5a、電極導(dǎo)線B5b與單片機(jī)板6相連；測量齒狀電極A4a和齒狀電極B4b之間的電導(dǎo)率；單片機(jī)板6將電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸得到斜率，由斜率求出反應(yīng)率，混合效率與反應(yīng)率正相關(guān)，最后將得到是混合效率顯示在顯示屏7上。

進(jìn)一步，采用的紙質(zhì)微通道的材料為定性濾紙、定量濾紙、或硝酸纖維素膜。

進(jìn)一步，采用的兩片齒狀電極為齒狀石墨電極。

進(jìn)一步，所述恒溫板8是放在紙質(zhì)通道的下方，目的是使皂化反應(yīng)盡量在溫度恒定的條件下進(jìn)行。

本發(fā)明以乙酸乙酯皂化反應(yīng)為例，對本發(fā)明的檢測方法進(jìn)行說明，本發(fā)明的方法同樣適用于其他化學(xué)反應(yīng)。

本發(fā)明檢測乙酸乙酯皂化反應(yīng)混合效率的總體思路是：先求乙酸乙酯皂化的反應(yīng)速率常數(shù)k，利用混合效率η與反應(yīng)速率常數(shù)k成正相關(guān)得到混合效率η的值。

乙酸乙酯皂化反應(yīng)式：

建立速率方程式積分并整理得速率常數(shù)k的表達(dá)式為：

假定此反應(yīng)在稀溶液中進(jìn)行，且CH3COONa全部電離。則參加導(dǎo)電離子有Na+、OH－、CH3COO－，而Na+反應(yīng)前后不變，OH－的遷移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CH3COO－，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，OH－不斷減小，CH3COO－不斷增加，所以體系的電導(dǎo)率不斷下降，且體系電導(dǎo)率的下降和產(chǎn)物CH3COO－的濃度成正比。

令κ₀、κ_t和κ_∞分別為0、t和∞時(shí)刻的電導(dǎo)率，則：

t＝0時(shí)，κ₀＝A*C₀； ②

t＝∞時(shí)，κ_∞＝B*C₀； ③

t＝t時(shí)，κ_t＝A*C_t+B(C₀-C_t) ④

其中A、B為常數(shù)，C₀、C_t分別表示CH3COOC2H5或NaOH的初始濃度，和t時(shí)刻的濃度。

由②、③、④三式得：

(C₀-C_t)＝[(κ₀-κ_t)/(κ₀-κ_∞)]C₀ ⑤

或

C_t＝C₀-[(κ₀-κ_t)/(κ₀-κ_∞)]C₀ ⑤

⑤式帶入①式，得：k＝(κ₀-κ_t)/[(κ_t-κ_∞)tC₀]，整理得：

可見，即已知起始濃度C₀，在恒溫條件下，在若干時(shí)刻點(diǎn)測得κ₀和κ_t，并以κ_t對作圖，擬合得到一條直線，如圖2，則直線斜率為的值，從而求得此溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)k。混合的效率η與k正相關(guān)，k越大代表混合效率越高。

本發(fā)明實(shí)施例的具體操作過程如下：

1、調(diào)節(jié)恒溫板

調(diào)節(jié)恒溫板溫度為室溫溫度(以室溫25℃為例)。同時(shí)提前打開單片機(jī)板啟動(dòng)程序。

2、κ₀的測定：分別取100ml蒸餾水和100ml NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液加到微流注射泵A1a和微流注射泵B1b，并以2毫升/分鐘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內(nèi)混合4分鐘后。用單片機(jī)板6測定兩齒狀石墨電極間的電導(dǎo)率κ₀。

3、k_t的測定及線性回歸：測完電導(dǎo)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中蒸餾水換為90ml CH3COOC2H5標(biāo)準(zhǔn)溶液后，微流注射泵A1a和微流注射泵B1b又開啟注射，又過4分鐘后，用單片機(jī)板6測定兩齒狀石墨電極間的電導(dǎo)率κ_t及時(shí)間t。4min，6min，8min，10min，12min，14min，16min，18min,20min，22min，24min，26min，28min，30min時(shí)測其電導(dǎo)率。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1電導(dǎo)率k_t與(k₀-k_t)/t關(guān)系表

室溫：25℃ 大氣壓：100.50Kpa

4、混合效率測定：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，即本具體實(shí)施例中的混合效率為70.76。

5、將測量數(shù)據(jù)通過單片機(jī)顯示屏7進(jìn)行顯示。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實(shí)施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。