一种界面化学反应的原位监测系统及方法

本发明涉及一种界面化学反应的原位监测系统及方法，属于化学分析系统及方法设计领域。

背景技术：

1、随着对微观结构的深入了解，人们越来越逐渐将材料界面及界面的微观结构的设计、开发联系于材料在生产生活上的实际应用。对于以液基为基础的材料，不同于固基材料，其界面是随时间动态变化的，甚至也会因一些界面化学反应而发生巨大界面行为变化。这些动态变化的原位检测将实际影响于材料乳化、界面成膜、原油提取、均相催化、液流电池、微流控等领域的应用。当前，现有原位监测系统主要有以下两类：光谱分析方法(包括分光光度法、紫外-可见光谱、二次谐波、时间分辨小角中子散射、拉曼等)、成像-形状测量方法(包括高速相机-快速微粒子图像测速仪、高速粒子图像测速、荧光共聚焦显微镜成像等)。而这些方法或依靠大型仪器设备，或依靠专业操作人员，甚至需要真空等极端操作条件，主要关注于界面现象而仅有少量关注于发生在界面上的化学反应过程，尤其是动力学过程。基于此，迫切需要开发一种新型的、简单的、原位的直接监测整个界面变化过程动力学甚至是化学反应过程中的界面化学反应动力学的简单新方法化学。

技术实现思路

1、本发明为解决现有监控界面化学反应动力学过程需要依靠大型仪器设备、专业操作人员、极端操作条件且少量关注反应过程等问题，提供一种界面化学反应的原位监测系统及方法。

2、为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

3、一种界面化学反应的原位监测系统，包括反应腔室和监测通道，反应腔室和监测通道密封连接并被孔道材料隔开；反应腔室用于容纳发生界面反应的液体反应系统，且液体填充所述孔道材料的孔道形成监测信号单元；监测通道设有流体供给系统和数据监测系统，流体供给系统用于向监测通道提供流体并使流体跨孔道传输，数据监测系统通过监测所述监测通道内的流体的流量、压力信息来反馈监测信号单元内的流体跨孔道传输行为。

4、可选的，所述孔道材料位于所述反应腔室的一侧，所述反应腔室的液体深度大于10nm。孔道材料是多孔膜，这里的深度可以指垂直多孔膜的表面方向上的深度。

5、可选的，还包括反应物添加系统，所述反应腔室设有反应物加入口，所述反应物添加系统用于按预设反应进程控制添加反应刺激物。

6、可选的，所述反应腔室于横向的两侧还具有流入口和流出口，于所述流入口和所述孔道材料之间还设有反应物加入口。

7、所述反应腔室位于孔道材料的一侧，反应腔室中的液体填充所述孔道材料的孔道中，反应腔室的液体深度大于10nm。所述孔道材料中的孔道存在发生界面化学反应的界面，界面化学反应的反应速率及反应进程可因反应刺激物通过反应物加入口控制。

8、可选的，所述孔道材料包括但不限于尼龙多孔膜、水系混合纤维素膜、聚四氟乙烯膜、聚偏二氟乙烯膜、多孔玻璃膜、金属多孔膜等一种。

9、可选的，所述孔道材料的孔径范围在0.45-10μm。

10、可选的，所述压力控制系统包括恒流给压系统或变压系统等一种。

11、可选的，所述跨孔道输运的流体包括但不限于空气、氧气、氮气、氩气、二氧化碳、一氧化碳等一种。

12、可选的，所述液体系统是含有表面活性物质的反应系统，所述的化学反应包括但不限于酸碱反应、氧化还原反应、光热化学反应、磁响应反应等一种。

13、一种基于上述原位监测系统的界面化学反应的监测方法，包括以下步骤：

14、1)将液体基础系统注入反应腔室，液体填充所述孔道材料的孔道形成监测信号单元；

15、2)通过流体供给系统向监测通道通入流体且使流体通过监测信号单元，通过数据监测系统反馈得到初始压力或流量信号值；

16、3)向液体基础系统中加入反应刺激物形成发生界面反应的液体反应系统，通过数据监测系统记录监测通道内的反馈信号变化。

17、可选的，包括以下步骤：将发生界面化学反应的液体基础系统注入反应腔室，液体填充所述孔道材料的孔道形成监测信号单元；压力控制系统供给压力以让内部流体通过信号单元，数据监测系统反馈得到初始压力或流量信号值；反应刺激物直接进入或通过外部通道控制进入液体系统，与表面活性物质发生反应，进而影响流体的跨膜行为；数据监测系统记录上述过程的时间-信号(压力或流量的反馈信号)变化，最终得到整个界面化学反应过程的动力学信息。

18、可选的，所述反应刺激物包括但不限于酸、碱、金属离子、氧化物质、还原物质、光照、磁场、电场、温度等一种或几种。

19、可选的，所述刺激物与表面活性物质作用包括但不限于范德华力、氢键、静电力、亲疏水作用等一种。

20、可选的，所述反应刺激物通过反应腔室内设的反应物加入口进入反应体统，且反应物添加系统可以按照反应进程控制添加反应刺激物，包括时间、用量等。

21、可选的，所述刺激物与表面活性物质作用，改变控制单元内的液体性质如液体的表界面张力、浊度、粘度、状态或表面活性物质的有效浓度等，从而影响流体通过孔道时的临界压强阈值。

22、可选的，所述时间-信号信息包括但不限于时间-电流，时间-电压，时间-电阻，时间-压力等一种或几种。

23、本发明的有益效果为：

24、1.本发明的监测信号单元可依据需求组成，只需通过选择和搭配发生界面化学反应的液体系统和孔道材料。

25、2.反应的进程的控制简单，灵活易调整，适用范围广泛。控制反应过程中的热力学和动力学信息均可通过系统以压力信号输出，以供分析反应机理。

26、3.本发明提供了通过压力信号来观察整个界面化学反应动力学的过程的系统和方法。具有原理简单，仪器设计不复杂，易操作等优势。

技术特征：

1.一种界面化学反应的原位监测系统，其特征在于：包括反应腔室和监测通道，反应腔室和监测通道密封连接并被孔道材料隔开；反应腔室用于容纳发生界面反应的液体反应系统，且液体填充所述孔道材料的孔道形成监测信号单元；监测通道设有流体供给系统和数据监测系统，流体供给系统用于向监测通道提供流体并使流体跨孔道传输，数据监测系统通过监测所述监测通道内的流体的流量或压力信息来反馈监测信号单元内的流体跨孔道传输行为。

2.根据权利要求1所述的界面化学反应的原位监测系统，其特征在于：所述孔道材料包括尼龙多孔膜、水系混合纤维素膜、聚四氟乙烯膜、聚偏二氟乙烯膜、多孔玻璃膜、金属多孔膜中的一种，孔道孔径范围为0.45-10μm。

3.根据权利要求1所述的界面化学反应的原位监测系统，其特征在于：所述流体至少包括空气、氧气、氮气、氩气、二氧化碳、一氧化碳中的一种。

4.根据权利要求1所述的界面化学反应的原位监测系统，其特征在于：所述孔道材料位于所述反应腔室的一侧，所述反应腔室内的液体深度大于10nm。

5.根据权利要求1所述的界面化学反应的原位监测系统，其特征在于：还包括反应物添加系统，所述反应腔室设有反应物加入口，所述反应物添加系统用于按预设反应进程控制添加反应刺激物。

6.根据权利要求4所述的界面化学反应的原位监测系统，其特征在于：所述反应腔室于横向的两侧还具有流入口和流出口，于所述流入口和所述孔道材料之间还设有反应物加入口。

7.根据权利要求1所述的界面化学反应的原位监测系统，其特征在于：所述流体供给系统为恒流给压系统或变压系统。

8.根据权利要求1所述的界面化学反应的原位监测系统，其特征在于：所述发生界面反应的液体反应系统是含有表面活性物质的反应体系。

9.一种基于权利要求1～8任一项所述的原位监测系统的界面化学反应的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于：采用恒定流速的流体通入所述监测通道，按照预设反应程序向所述反应腔室中加入至少一种反应刺激物，通过数据监测系统监测所述监测通道内的流量/压力-时间的变化，得到整个界面化学反应过程的动力学信息。

技术总结
本发明公开了一种界面化学反应的原位监测系统，其包括反应腔室和监测通道，反应腔室和监测通道密封连接并被孔道材料隔开；反应腔室用于容纳发生界面反应的液体反应系统，且液体填充孔道材料的孔道形成监测信号单元；监测通道设有流体供给系统和数据监测系统，流体供给系统用于向监测通道提供流体并使流体跨孔道传输，数据监测系统通过监测监测通道内的流体的流量或压力信息来反馈监测信号单元内的流体跨孔道传输行为。基于上述系统的界面化学反应的监测方法将成为原位示踪反应动力学过程的新技术。

技术研发人员：侯旭,樊漪,陈泽敏,郑靖
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12