RU2806143C1 - FLOW MODULAR CONFIGURABLE CELL COMPATIBLE WITH MICROFLUIDIC SYSTEM, FOR CARRYING OUT CHEMICAL REACTION OF METHANE-METHANOL SYNTHESIS ON GOLD/PLATINUM/RUTHENIUM NANOPARTICLES AND IN SITU/IN OPERANDO DIAGNOSTICS OF PROCESS, CARRIED OUT BY X-RAY AND OPTICAL METHODS “ИК”-UV-Vis, XAS, XRD, SAXS, AND THE WAY TO MAKE IT - Google Patents
FLOW MODULAR CONFIGURABLE CELL COMPATIBLE WITH MICROFLUIDIC SYSTEM, FOR CARRYING OUT CHEMICAL REACTION OF METHANE-METHANOL SYNTHESIS ON GOLD/PLATINUM/RUTHENIUM NANOPARTICLES AND IN SITU/IN OPERANDO DIAGNOSTICS OF PROCESS, CARRIED OUT BY X-RAY AND OPTICAL METHODS “ИК”-UV-Vis, XAS, XRD, SAXS, AND THE WAY TO MAKE IT Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806143C1 RU2806143C1 RU2022134174A RU2022134174A RU2806143C1 RU 2806143 C1 RU2806143 C1 RU 2806143C1 RU 2022134174 A RU2022134174 A RU 2022134174A RU 2022134174 A RU2022134174 A RU 2022134174A RU 2806143 C1 RU2806143 C1 RU 2806143C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- window
- carrying
- operando
- xas
- xrd
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области анализа структуры материалов в контролируемых условиях с помощью источников рентгеновского излучения и к способу изготовления проточной модульной конфигурируемой ячейки для проведения гомо- и гетерогенных реакций в жидкой фазе, в том числе в агрессивных средах с низким pH, высоким давлением до 200 атм и температурами до 200°С с возможностью осуществления in situ и in operando спектральной диагностики характера протекания реакции методами ИК- UV-Vis, XAS, XRD, SAXS на источниках синхротронного излучения.The invention relates to the field of analyzing the structure of materials under controlled conditions using X-ray sources and to a method for manufacturing a flow-through modular configurable cell for carrying out homo- and heterogeneous reactions in the liquid phase, including in aggressive environments with low pH, high pressure up to 200 atm and temperatures up to 200°C with the possibility of in situ and in operando spectral diagnostics of the nature of the reaction using IR-UV-Vis, XAS, XRD, SAXS methods on synchrotron radiation sources.
Представляет собой компактный исследовательских химических реактор, который применяется в области физической химии, проводит исследования методом синхротронных методик, и отличается тем, что может выдерживать большую температуру и давление, при этом является микрофлюидной.It is a compact research chemical reactor, which is used in the field of physical chemistry, conducts research using synchrotron techniques, and is distinguished by the fact that it can withstand high temperatures and pressures, while being microfluidic.
Технический результат заключается в анализе структуры материалов в контролируемых условиях с помощью источников рентгеновского излучения с помощью проточной модульной конфигурируемой ячейки и способе изготовления проточной модульной конфигурируемой ячейки для проведения гомо- и гетерогенных реакций в жидкой фазе, в том числе в агрессивных средах с низким pH, высоким давлением до 200 атм и температурами до 200°С с возможностью осуществления in situ и in operando спектральной диагностики характера протекания реакции методами ИК- UV-Vis, XAS, XRD, SAXS на источниках синхротронного излучения.The technical result consists in analyzing the structure of materials under controlled conditions using X-ray sources using a flow-through modular configurable cell and a method for manufacturing a flow-through modular configurable cell for carrying out homo- and heterogeneous reactions in the liquid phase, including in aggressive environments with low pH, high pressure up to 200 atm and temperatures up to 200°C with the possibility of in situ and in operando spectral diagnostics of the nature of the reaction using IR-UV-Vis, XAS, XRD, SAXS methods on synchrotron radiation sources.
Уровень техникиState of the art
Наиболее близкими аналогами для заявляемого изобретения являются следующие патенты: KR2020002926 2 (A) от 2020.03.18 «X- Electrochemical flow cell system for in-situ/operando X-ray absorption spectroscopy using the flow cell and electrode structure used in the flow cell», также RU 173869 «Ячейка для лабораторной рентгеноспектральной диагностики» и RU 190702 «Ячейка для спектральной диагностики». Но ни одна из них не обладает важными качествами, которые присуще заявляемому изобретению - способностью выдерживать большую температуру и давление, при этом являясь микрофлюидной, а именно с возможностью осуществления in situ и in operando спектральной диагностики характера протекания реакции методами ИК- UV-Vis, XAS, XRD, SAXS на источниках синхротронного излучения в агрессивных средах с низким pH, высоким давлением до 200 атм и температурами до 200°С.The closest analogues for the claimed invention are the following patents: KR2020002926 2 (A) dated 2020.03.18 “X-Electrochemical flow cell system for in-situ/operando X-ray absorption spectroscopy using the flow cell and electrode structure used in the flow cell” , also RU 173869 “Cell for laboratory X-ray spectral diagnostics” and RU 190702 “Cell for spectral diagnostics”. But none of them has the important qualities that are inherent in the claimed invention - the ability to withstand high temperatures and pressures, while being microfluidic, namely with the ability to carry out in situ and in operando spectral diagnostics of the nature of the reaction using IR-UV-Vis, XAS methods , XRD, SAXS on synchrotron radiation sources in aggressive environments with low pH, high pressure up to 200 atm and temperatures up to 200°C.
Следующие иллюстрации наглядным образом демонстрируют изобретение:The following illustrations clearly demonstrate the invention:
Фиг. 1 - Общая схема модуля ячейки, снабженной окном, где 1 - прижимная гайка, 2 - окно из сапфира, 3 - микрофлюидный чип, 4 - фторопластовое уплотнительное кольцо, 5 - винтовая прижимая муфта, 6 - корпус ячейки, 7 - присоединительные фитинги.Fig. 1 - General diagram of a cell module equipped with a window, where 1 - a clamping nut, 2 - a sapphire window, 3 - a microfluidic chip, 4 - a fluoroplastic sealing ring, 5 - a screw clamping coupling, 6 - a cell body, 7 - connecting fittings.
Фиг. 2 - Микрофлюидные геометрические паттерны «T-junction» и «Flow-focusing», где стрелки показывают направление потока сплошной фазы, голубым цветом показана диспергируемая фаза.Fig. 2 - Microfluidic geometric patterns “T-junction” and “Flow-focusing”, where the arrows show the direction of flow of the continuous phase, the dispersed phase is shown in blue.
Фиг. 3. Микрофлюидный геометрический паттерн «Змеевик», смешивание двух смешивающихся жидких реагентов.Fig. 3. Microfluidic geometric pattern "Coil", mixing two miscible liquid reagents.
Фиг. 4. Внешний вид центральной части микрофлюидного чипа, изображен «змеевик» и места для размещения трубок подвода и отвода рабочей среды.Fig. 4. External view of the central part of the microfluidic chip, showing a “coil” and places for placing tubes for supplying and discharging the working medium.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Принцип работы изобретения заключается в следующем: жидкие и газообразные реагенты посредством дозирующих подающих систем поступают в последовательно соединенные между собой модули ячейки. Модули реализуют различные функции в соответствии с конструкцией и назначением: смешивание жидкостей, смешивание жидкостей с газом, формирование монодисперсных пузырьков одной из фаз, нагрев реакционной смеси, осуществление химической реакции, оптическая диагностика процесса, регистрация спектров, реализуемая в нескольких геометриях в различных диапазонах длин волн.The operating principle of the invention is as follows: liquid and gaseous reagents are supplied through metering feed systems into series-connected cell modules. The modules implement various functions in accordance with their design and purpose: mixing liquids, mixing liquids with gas, forming monodisperse bubbles of one of the phases, heating the reaction mixture, carrying out a chemical reaction, optical diagnostics of the process, registration of spectra, implemented in several geometries in different wavelength ranges .
Проточная модульная конфигурируемая ячейка является по сути компактным исследовательским химическим реактором и представляет собой систему последовательно соединенных между собой модулей, оснащенных внешними вспомогательными устройствами.A flow modular configurable cell is essentially a compact research chemical reactor and is a system of modules connected in series, equipped with external auxiliary devices.
Каждый модуль реализует одну или несколько функций и представляет собой планарный микрофлюидный чип, заключенный в собственный корпус, снабженный вводами и выводами реагентов и продуктов реакции в виде трубок с присоединительными фитингами на концах.Each module implements one or more functions and is a planar microfluidic chip enclosed in its own housing, equipped with inputs and outputs of reagents and reaction products in the form of tubes with connecting fittings at the ends.
Внешние вспомогательные устройства обеспечивают подачу жидких и газообразных реагентов в микрофлюидную систему ячейки и их нагрев, а также измерение некоторых параметров внутри ячейки: давление, температуру, pH.External auxiliary devices provide supply of liquid and gaseous reagents to the microfluidic system of the cell and their heating, as well as measurement of certain parameters inside the cell: pressure, temperature, pH.
К внешним устройствам изобретения относятся: жидкостные шприцевые насосы высокого давления, газовые редукторы, игольчатые клапаны, цилиндрические ТЭНы (трубчатый электронагреватель), датчики давления, температуры, pH. Жидкие реагенты подаются в систему ячейки при помощи шприцевых насосов высокого давления. Шприцевые насосы обеспечивают подачу жидких реагентов с заданной скоростью и обеспечивают заданное давление в системе. Система подачи газов под давлением позволяет осуществлять подачу газов в диапазоне давлений от 1-200 атм., включает в себя газовый редуктор, по одному на каждый газ, и игольчатый клапан, устанавливаемы после редуктора перед модулем ячейки.The external devices of the invention include: high-pressure liquid syringe pumps, gas reducers, needle valves, cylindrical heating elements (tubular electric heater), pressure, temperature, pH sensors. Liquid reagents are supplied to the cell system using high-pressure syringe pumps. Syringe pumps supply liquid reagents at a given speed and provide a given pressure in the system. Pressurized gas supply system allows the supply of gases in the pressure range from 1-200 atm., includes a gas reducer, one for each gas, and a needle valve, installed after the reducer in front of the cell module.
Состоит из следующих частей:Consists of the following parts:
Газогидравлические модулиGas-hydraulic modules
1. модуль ввода жидкости1. liquid input module
2. модуль ввода газа 2. gas input module
3. модуль смешивания жидкостей3. liquid mixing module
4. модуль смешивания жидкости и газа4. liquid and gas mixing module
5. модуль нагрева5. heating module
6. модуль проведения реакции.6. reaction module.
Модули регистрации спектровSpectrum registration modules
1. спектроскопический модуль с одним окном, для реализации флуоресцентных методик1. spectroscopic module with one window, for the implementation of fluorescence techniques
2. спектроскопический модуль с двумя окнами, для реализации методик, осуществляемых в геометрии «на просвет»2. spectroscopic module with two windows, for implementing techniques carried out in “transmission” geometry
В зависимости от назначения проточной модульной конфигурируемой ячейки - в зависимости от решаемой научной экспериментальной задачи, ее конфигурация и набор входящих в ее систему модулей может меняться.Depending on the purpose of the flow modular configurable cell - depending on the scientific experimental problem being solved, its configuration and the set of modules included in its system may change.
Модули, используемые в составе системы, подразделяются на две группы: газогидравлические и спектроскопические. Модуль, снабженный одним окном, показан на фиг. 1. Газогидравлические модули в отличие от спектроскопических не имеют окон. Под окнами понимаются элементы конструкции модулей, представляющие собой вставки в корпус модуля ячейки, выполненные из материалов, обладающих проницаемостью в некоторой диапазоне длин волн: в инфракрасном (ИК), ультрафиолетовом (УФ), видимом и рентгеновском диапазонах. В качестве материалов окон применены следующие: кварцевое стекло, искусственный сапфир, стеклоуглерод. Назначением окон является проведение диагностики протекающей внутри ячейки химической реакции оптическими методами: XAS, XRD, SAXS.The modules used as part of the system are divided into two groups: gas-hydraulic and spectroscopic. A module equipped with one window is shown in FIG. 1. Gas-hydraulic modules, unlike spectroscopic ones, do not have windows. Windows are understood as structural elements of modules, which are inserts into the body of the cell module, made of materials that are permeable in a certain range of wavelengths: in the infrared (IR), ultraviolet (UV), visible and X-ray ranges. The following window materials are used: quartz glass, artificial sapphire, glassy carbon. The purpose of the windows is to diagnose the chemical reaction occurring inside the cell using optical methods: XAS, XRD, SAXS.
На фиг. 1 показан модуль ячейки проточной модульной конфигурируемой ячейки, снабженный окном и предназначенный для регистрации спектра в процессе прохождения химической реакции. Герметичность модуля обеспечивается фторопластовым кольцевым уплотнением и плотным обжимом, осуществляемым прижимной гайкой и прижимной муфтой, собираемых друг с другом по резьбе. Со стороны регистрации спектра микрофлюидный модуль накрыт окном из искусственного сапфира, выступающего в качестве окна, прозрачного для излучения в определенном диапазоне длин волн. В зависимости от метода исследования, окно может быть выполнено из различных материалов: искусственный сапфир, плавленый кварц, стеклоуглерод, проницаем в рентгеновском диапазоне длин волн, искусственный алмаз. Названные материалы обладают механической прочностью, термостойкостью, химической инертностью, проницаемостью в соответствующем диапазоне - материалы подобраны в соответствии с их пропускной способностью в соответствующих диапазонах. В корпус ячейки вварены трубки для подачи рабочей среды, снабженные присоединительными фитингами. Стрелки показывают движение рабочей среды ячейки. Модули регистрации спектров собираются на резьбе и с применением полимерных уплотнений, газогидравлические модули выполняются цельнометаллическими, герметичность в них обеспечивается аргонно-дуговой сваркой корпуса снаружи, способ изготовления описан ниже.In fig. Figure 1 shows the cell module of a flow-through modular configurable cell, equipped with a window and designed to record the spectrum during a chemical reaction. The tightness of the module is ensured by a fluoroplastic ring seal and tight crimping carried out by a clamping nut and a clamping coupling, assembled with each other along the thread. On the spectrum recording side, the microfluidic module is covered with a window made of artificial sapphire, which acts as a window transparent to radiation in a certain wavelength range. Depending on the research method, the window can be made of various materials: artificial sapphire, fused quartz, glassy carbon, transparent in the X-ray wavelength range, artificial diamond. The named materials have mechanical strength, heat resistance, chemical inertness, permeability in the appropriate range - the materials are selected in accordance with their throughput in the appropriate ranges. Tubes for supplying the working medium, equipped with connecting fittings, are welded into the cell body. The arrows show the movement of the cell's working environment. Spectrum recording modules are assembled on threads and using polymer seals, gas-hydraulic modules are made of all-metal, their tightness is ensured by argon-arc welding of the housing from the outside, the manufacturing method is described below.
Для проведения химических реакций, протекающих с применением катализатора в условиях повышенного давления и высоких температур, и диагностики характера протекания реакций оптическими методами необходимо, чтобы конструкция исследовательского ячейки отвечала ряду требований: прочностных, оптических, химических, геометрических.To carry out chemical reactions that occur with the use of a catalyst under conditions of high pressure and high temperatures, and to diagnose the nature of the reactions using optical methods, it is necessary that the design of the research cell meet a number of requirements: strength, optical, chemical, geometric.
Прочностные требования сводятся к выполнению условия сохранения герметичности при условии приложенного повышенного внутреннего давления до 200 атм при температуре до 200°С. Нужно отметить, что миниатюризация, помимо известных физико-химических преимуществ, связанных с лучшим качеством перемешивания реагентов и высокой скоростью протекания химической реакции, позволяет предъявлять менее жесткие требования к прочности конструкции корпуса ячейки, поскольку, абсолютное значение силы, действующей на единицу внутренней поверхности ячейки, зависит от площади, к которой прикладывается давление.Strength requirements are reduced to fulfilling the condition of maintaining tightness under the condition of applied increased internal pressure of up to 200 atm at a temperature of up to 200°C. It should be noted that miniaturization, in addition to the well-known physicochemical advantages associated with better quality of mixing of reagents and a high rate of chemical reaction, makes it possible to impose less stringent requirements on the strength of the cell body structure, since the absolute value of the force acting on a unit of the internal surface of the cell depends on the area to which pressure is applied.
К оптическим требованиям относится наличие окон, оптически прозрачных в некоторых диапазонах длин волн.Optical requirements include having windows that are optically transparent in certain wavelength ranges.
Химические требования представляют собой требования к коррозионной стойкости элементов исследовательского реактора, контактирующих химически агрессивной средой с низким pH. Наличие требований к химической стойкости значительно сужает круг материалов, которые могут быть использованы в конструкции ячейки. Металлические элементы ячейки могут быть выполнены из специальных коррозионностойких сталей, например, из стали AISI 316, российским аналогом является 07Х18Н13М2. В качестве материалов для окон могут быть использованы: искусственный сапфир, плавленый кварц, стеклоуглерод искусственный алмаз. В качестве материалов уплотнений могут быть использованы некоторые пластики, например, пластики из группы полиимидов, полиэтилентерефталат и некоторые другие. Таким образом, в составе конструкции ячейки могут использоваться только материалы, обладающие комбинацией свойств химической устойчивости к агрессивным средам с низким pH, термической стойкостью и механической прочностью.Chemical requirements are requirements for the corrosion resistance of research reactor components exposed to a chemically aggressive low pH environment. The presence of requirements for chemical resistance significantly narrows the range of materials that can be used in the cell design. The metal elements of the cell can be made of special corrosion-resistant steels, for example, AISI 316 steel, the Russian equivalent is 07Х18Н13М2. The following materials can be used for windows: artificial sapphire, fused quartz, glassy carbon, artificial diamond. Some plastics can be used as sealing materials, for example, plastics from the polyimide group, polyethylene terephthalate and some others. Thus, only materials that have a combination of chemical resistance to aggressive environments with low pH, thermal resistance and mechanical strength can be used in the cell design.
К геометрическим требованиям относятся требования к форме, размерам, аспектным отношениям элементов ячейки. Геометрические требования к системе проточной модульной конфигурируемой ячейки можно отнести к разряду конструктивных - для обеспечения эффективного управления смешиванием гидрофильных и гидрофобных жидких реагентов, а также смешивания жидкостей с газами, и протекания химической реакции с достаточной скоростью, внутренняя структура реакционного объема ячейки должна представлять собой систему сообщающихся каналов сложной планарной геометрии. Примерами типичных планарных геометрических форм, характерными для функциональной геометрии каналов микрофлюидных систем, являются, например, широко используемые, так называемые «Flow-focusing» и «T-junction» паттерны, а также паттерн «змеевик», см. фиг. 2, фиг. 3.Geometric requirements include requirements for the shape, size, and aspect ratios of cell elements. The geometric requirements for a flow-through modular configurable cell system can be classified as constructive - to ensure effective control of the mixing of hydrophilic and hydrophobic liquid reagents, as well as the mixing of liquids with gases, and the occurrence of a chemical reaction at a sufficient speed, the internal structure of the reaction volume of the cell must be a system of communicating channels of complex planar geometry. Examples of typical planar geometric shapes characteristic of the functional geometry of channels of microfluidic systems are, for example, the widely used so-called “Flow-focusing” and “T-junction” patterns, as well as the “serpentine” pattern, see Fig. 2, fig. 3.
Паттерн Flow-focusing представляет собой пересечение двух взаимно-перпендикулярных каналов, на пересечении которых осуществляется взаимодействие двух несмешивающихся жидких фаз реагентов. Этот микрофлюидный паттерн служит для формирования монодисперсных капель одной из двух несмешивающихся между собой фаз. При взаимодействии потоков двух несмешивающихся жидких реагентов диспергируемая фаза, поступающая из центрального канала, разбивается на отдельные капли на пересечении с потоком сплошной фазы из двух боковых каналов, перпендикулярных основному каналу. В результате такого рода взаимодействия формируется поток монодисперсных капель одного из реагентов в потоке сплошной фазы другого. Паттерн T-junction служит той же цели, он является аналогом паттерна Flow-focusing. Также описанные выше паттерны могут применяться для формирования серии отдельных пузырьков в потоке жидкости. Паттерн змеевик служит для осуществления процесса смешивания двух смешивающихся между собой жидких реагентов.The Flow-focusing pattern represents the intersection of two mutually perpendicular channels, at the intersection of which two immiscible liquid phases of reagents interact. This microfluidic pattern serves to form monodisperse droplets of one of two immiscible phases. When the flows of two immiscible liquid reagents interact, the dispersed phase coming from the central channel is broken into separate droplets at the intersection with the flow of the continuous phase from two side channels perpendicular to the main channel. As a result of this kind of interaction, a flow of monodisperse droplets of one of the reagents is formed in the flow of the continuous phase of the other. The T-junction pattern serves the same purpose; it is an analogue of the Flow-focusing pattern. The patterns described above can also be used to form a series of individual bubbles in a fluid stream. The coil pattern is used to carry out the process of mixing two mutually miscible liquid reagents.
Ширина канала, характерная для микрофлюидных устройств, исследовательских микрофлюидных чипов составляет 500-50 мкм. При этом ширина канала может быть значительно больше высоты. Другими словами, аспектное отношение высоты к ширине канала реактора может быть значительно меньше единицы ≈1/10. Малое сечение канала и соответствующее аспектное отношение имеет значение для прохождения реакции с достаточной скоростью, а также влияет на качество перемешивания исходных реагентов. Также имеют значение хорошие показатели шероховатости поверхности стенок каналов, для обеспечения соответствующего режима течения реагентов и их смесей.The channel width typical for microfluidic devices, research microfluidic chips, is 500-50 µm. In this case, the width of the channel can be significantly greater than the height. In other words, the aspect ratio of the height to the width of the reactor channel can be significantly less than unity ≈1/10. The small cross-section of the channel and the corresponding aspect ratio are important for the reaction to proceed at a sufficient speed, and also affects the quality of mixing of the starting reagents. Good indicators of the surface roughness of the channel walls are also important to ensure the appropriate flow of reagents and their mixtures.
Нужно отметить, что в мире разработано множество микрофлюидных чипов и устройств, изготовленных из целого ряда материалов, разнообразной конструкции и назначения, применяющихся в различных областях физики, химии, биологии, медицины и пр. Большинство из существующих разработок не отвечает сформулированным выше прочностным, оптическим, химическим, геометрическим требованиям, соответствие которым необходимо для применения системы в качестве ячейка для проведения гомо- и гетерогенных реакций в жидкой фазе, с возможностью введения газофазных реагентов, в том числе в агрессивных средах с низким pH, высоким давлением до 200 атм и температурами до 200°С, с возможностью осуществления in situ и in operando спектральной диагностики характера протекания реакции методами ИК- UV-Vis, XAS, XRD, SAXS на источниках синхротронного излучения.It should be noted that many microfluidic chips and devices have been developed in the world, made from a number of materials, of various designs and purposes, used in various fields of physics, chemistry, biology, medicine, etc. Most of the existing developments do not meet the strength, optical, chemical, geometric requirements, compliance with which is necessary for the use of the system as a cell for carrying out homo- and heterogeneous reactions in the liquid phase, with the possibility of introducing gas-phase reagents, including in aggressive environments with low pH, high pressure up to 200 atm and temperatures up to 200 °C, with the possibility of in situ and in operando spectral diagnostics of the nature of the reaction using IR-UV-Vis, XAS, XRD, SAXS methods on synchrotron radiation sources.
Таким образом, исходя из сформулированных выше требований к конструкции, возникает производственная задача формирования непрямых планарных паттернов в материалах обладающих одновременно комбинацией свойств химической устойчивости к агрессивным средам, термической стойкостью и механической прочностью. А также, в некоторых зонах реактора, и оптической прозрачностью для определенных диапазонов длин волн.Thus, based on the design requirements formulated above, the production task arises of forming indirect planar patterns in materials that simultaneously possess a combination of properties of chemical resistance to aggressive environments, thermal resistance and mechanical strength. And also, in some areas of the reactor, and optical transparency for certain wavelength ranges.
Способ изготовленияPreparation method
Предложено техническое решение и способ производства проточной модульной конфигурируемой ячейки, совместимой с микрофлюидной системой, для проведения химической реакции синтеза метан-метанол на наночастицах золота/платины/рутения и in situ/in operando диагностики протекания процесса, осуществляемой рентгеновскими и оптическими методами ИК- UV-Vis, XAS, XRD, SAXS, удовлетворяющий сформулированным выше требованиям и соответствующий заявленному назначению. A technical solution and method for producing a flow-through modular configurable cell, compatible with a microfluidic system, for carrying out a chemical synthesis reaction of methane-methanol on gold/platinum/ruthenium nanoparticles and in situ/in operando diagnostics of the process, carried out by X-ray and optical methods IR-UV- Vis, XAS, XRD, SAXS, meeting the requirements stated above and corresponding to the stated purpose.
В основе предложенного технического решения лежит способ изготовления центральной части микрофлюидного чипа методом электроэрозионной проволочно-вырезной обработки. Этот метод обработки является способом формирования формы вертикальных стенок - формы в плане планарного канала непрямой геометрии с малыми размерами канала и соответствующим аспектным отношением в металлическом тонколистовом материале. Современные проволочно-вырезные электроэрозионные станки используют для процесса обработки материала проволоку толщиной 30 мкм и более, что позволяет формировать прорези в листовом металлическом материале шириной около 40 мкм и более. Таким образом, данный метод обработки позволяет формировать микрофлюидные каналы шириной 40 мкм и более в листовом металлическом материале, толщина которого ограничивается лишь прочностью металлического листа и, на практике, может составлять от 10 мкм и более. Электроэрозионная технология обработки позволяет обрабатывать практически любые проводящие материалы, независимо от их твердости, среди них металлы и сплавы, проводящие керамические материалы, поликристаллический алмаз, проводящие углеродные материалы.The proposed technical solution is based on a method for manufacturing the central part of a microfluidic chip using wire-cut electrical discharge machining. This processing method is a method of forming a vertical wall shape - a planar channel shape of indirect geometry with small channel dimensions and corresponding aspect ratio in a metal sheet material. Modern wire-cut electrical discharge machines use wire with a thickness of 30 microns or more for the material processing process, which makes it possible to form slots in sheet metal material with a width of about 40 microns or more. Thus, this processing method makes it possible to form microfluidic channels with a width of 40 μm or more in a sheet metal material, the thickness of which is limited only by the strength of the metal sheet and, in practice, can range from 10 μm or more. Electroerosive machining technology makes it possible to process almost any conductive materials, regardless of their hardness, including metals and alloys, conductive ceramic materials, polycrystalline diamond, and conductive carbon materials.
После того, как центральная часть микрофлюидного чипа в виде паттерна вертикальных стенок микрофлюидного канала методом проволочно-вырезной электроэрозионной обработки сформирована в тонколистовом металлическом материале (в рассматриваемом случае это специальная коррозионностойкая сталь AISI 316-07Х18Н13М2) - вырезана планарная форма, необходимо замкнуть канал сверху и снизу. Для этого центральная часть микрофлюидного чипа помещается между двух пластин - верхней и нижней, выполненных из того же материала. Пластины имеют толщину, значительно превосходящую толщину центральной части микрофлюидного чипа и типично составляет около 10 мм, при габаритных размерах чипа около 30х30 мм. Центральная часть микрофлюидного чипа обязательно имеет замкнутую внутреннюю геометрическую форму - фиг.4.After the central part of the microfluidic chip in the form of a pattern of vertical walls of a microfluidic channel using wire-cut electrical discharge machining is formed in a thin-sheet metal material (in this case, this is a special corrosion-resistant steel AISI 316-07Х18Н13М2) - a planar shape is cut out, it is necessary to close the channel from the top and bottom . To do this, the central part of the microfluidic chip is placed between two plates - upper and lower, made of the same material. The plates have a thickness that significantly exceeds the thickness of the central part of the microfluidic chip and is typically about 10 mm, with the overall dimensions of the chip being about 30x30 mm. The central part of the microfluidic chip necessarily has a closed internal geometric shape - Fig.4.
Одна из пластин является сплошной и не имеет отверстий, в другой выполнены отверстия, совпадающие по расположению с расположением соответствующих мест в геометрии микрофлюидного чипа. В отверстия пластины вварены, внешним диаметром 1/8 дюйма, на концах снабженные трубными обжимными фитингами, допускающие эксплуатацию при заданном давлении и температуре. Трубки служат для подачи отведения рабочей среды через исследовательскую ячейку. Трубные обжимные фитинги предназначены для присоединения к исследовательской ячейке запорно-регулирующей трубопроводной арматуры, внешних вспомогательных устройств, например, таких как шприцевой жидкостный насос высокого давления, система подачи газов под давлением, включающая в себя газовый редуктор и игольчатый клапан на каждую линию подачи газа, а также датчиков и измерительных систем, например, манометров. Также трубные обжимные фитинги позволяют соединять отдельные модули ячейки между собой, образуя, таким образом, составную ячейку, образованную последовательным соединением отдельных модулей, выполняющих отдельные функции.One of the plates is solid and has no holes, the other has holes that coincide in location with the location of the corresponding places in the geometry of the microfluidic chip. The plates are welded into the holes, with an outer diameter of 1/8 inch, equipped at the ends with pipe compression fittings, allowing operation at a given pressure and temperature. The tubes serve to supply the working medium through the research cell. Tube fittings are designed for connection to the research cell of pipeline shut-off and control valves, external auxiliary devices, for example, such as a high pressure syringe liquid pump, a pressurized gas supply system including a gas reducer and a needle valve for each gas supply line, and also sensors and measuring systems, such as pressure gauges. Also, pipe compression fittings allow you to connect individual cell modules to each other, thus forming a composite cell formed by the serial connection of individual modules that perform separate functions.
После изготовления микрофлюидного чипа, верхней и нижней пластин, перечисленные элементы собираются вместе в «сэндвич», который целиком помещается в гидравлический пресс, сжимается при давлении около 1 т при размерах устройства 30×30 мм. В таком состоянии производится аргонно-дуговая сварки места смыкания слоев элементов устройства: верхняя пластина-чип-нижняя пластина.After manufacturing the microfluidic chip, the upper and lower plates, the listed elements are assembled together into a “sandwich”, which is entirely placed in a hydraulic press and compressed at a pressure of about 1 ton with device dimensions of 30x30 mm. In this state, argon-arc welding is performed at the junction of the layers of the device elements: upper plate-chip-bottom plate.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2806143C1 true RU2806143C1 (en) | 2023-10-26 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6097786A (en) * | 1998-05-18 | 2000-08-01 | Schlumberger Technology Corporation | Method and apparatus for measuring multiphase flows |
US6713023B2 (en) * | 2001-06-29 | 2004-03-30 | Agilent Technologies, Inc. | Flow cell for chemical reactions |
RU195095U1 (en) * | 2019-10-18 | 2020-01-15 | федеральное государственное автономное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | FLOW CELL FOR CHEMICAL REACTIONS |
KR20200029262A (en) * | 2018-09-10 | 2020-03-18 | 한국과학기술연구원 | Electrochemical flow cell, system for in-situ/operando X-ray absorption spectroscopy using the flow cell, and electrode structure used in the flow cell |
US20200316552A1 (en) * | 2017-04-06 | 2020-10-08 | Sri International | Modular systems for performing multistep chemical reactions, and methods of using same |
RU211014U1 (en) * | 2021-10-21 | 2022-05-18 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | FLOW CELL FOR CHEMICAL REACTIONS |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6097786A (en) * | 1998-05-18 | 2000-08-01 | Schlumberger Technology Corporation | Method and apparatus for measuring multiphase flows |
US6713023B2 (en) * | 2001-06-29 | 2004-03-30 | Agilent Technologies, Inc. | Flow cell for chemical reactions |
US20200316552A1 (en) * | 2017-04-06 | 2020-10-08 | Sri International | Modular systems for performing multistep chemical reactions, and methods of using same |
KR20200029262A (en) * | 2018-09-10 | 2020-03-18 | 한국과학기술연구원 | Electrochemical flow cell, system for in-situ/operando X-ray absorption spectroscopy using the flow cell, and electrode structure used in the flow cell |
RU195095U1 (en) * | 2019-10-18 | 2020-01-15 | федеральное государственное автономное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | FLOW CELL FOR CHEMICAL REACTIONS |
RU211014U1 (en) * | 2021-10-21 | 2022-05-18 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | FLOW CELL FOR CHEMICAL REACTIONS |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5394743B2 (en) | Multi-purpose flow module and method of use | |
US9446366B2 (en) | Modular flow reactor | |
US7829039B2 (en) | Mixer system, reactor and reactor system | |
US7507387B2 (en) | Microreactor | |
JP4613062B2 (en) | Fluid reactor | |
EP1067320A2 (en) | Compliant high temperature seals for dissimilar materials | |
WO1995026796A1 (en) | Integrated chemical synthesizers | |
KR102285276B1 (en) | Reactor system for high throughput applications | |
RU2806143C1 (en) | FLOW MODULAR CONFIGURABLE CELL COMPATIBLE WITH MICROFLUIDIC SYSTEM, FOR CARRYING OUT CHEMICAL REACTION OF METHANE-METHANOL SYNTHESIS ON GOLD/PLATINUM/RUTHENIUM NANOPARTICLES AND IN SITU/IN OPERANDO DIAGNOSTICS OF PROCESS, CARRIED OUT BY X-RAY AND OPTICAL METHODS “ИК”-UV-Vis, XAS, XRD, SAXS, AND THE WAY TO MAKE IT | |
US4594903A (en) | Dip tube sampling means for chemical reactors | |
US4160714A (en) | Measuring chamber unit | |
CN109070041B (en) | Microreactor, chemical production system, and method for producing microreactor | |
JP5990750B2 (en) | Hydrogenation reactor | |
US7758814B2 (en) | Microfluidic fluid distribution manifold for use with multi-channel reactor systems | |
US20220339598A1 (en) | Device And Method For Investigating Chemical Processes | |
US7413713B2 (en) | Reaction apparatus and mixing system | |
JP2004105962A (en) | Apparatus and method for operating microreactor at high pressure | |
CN114146663B (en) | Flow tube reactor based on gas phase catalysis | |
US20200316555A1 (en) | Reactor system for continuous flow reactions | |
JP2017113706A (en) | Microreactor | |
RU207370U1 (en) | A device with a microchannel structure made in volume | |
US20070212268A1 (en) | Laboratory-scale hydrogenation cartridge reactor for hydrogenating an inflowing multi-component fluid composition | |
CN217473484U (en) | Catalytic micro-reaction column and catalytic micro-reaction system | |
CN214288009U (en) | Fluid distribution device | |
CN109718876B (en) | Controllable micro-fluidic chip of tube pass |