液珠型微反應器

在液珠型反應器中，期望藉由生成出尺寸均勻的微小液珠以增加其間的反應 介面，並令連續相甲醇及分散相大豆油順流而下，在流道內直接反應。由於會使 得轉酯化反應過後所生成的生質柴油無法順利地燃燒使用而不加入界面活性劑，

因而導致了液珠生成的技術問題；由轉酯化反應標準的化學式關係計算，欲將反 應物的三酸甘油酯及甲醇完全反應掉，其油、醇的莫耳比需為 1 比 3，若換算成體 積比則為 10 比 1，因此實驗首先以大豆油為連續相，甲醇則為分散相進行測試，

結果如圖 4-4 所示，固定分散相甲醇的流率為 1 L/min，並調整連續相大豆油的流 率來進行探討，結果得出在醇/油流率比介於 0.1 到 1 之間時，皆呈現如圖 4-4-(a)、

(b)的情況，雖有油相夾擠醇相的情形，但無法順利生成出液珠。因此試著再將大 豆油流率往上調升，直到醇/油流率比小於或等於 0.1 時，如圖 4-4-(c)，雖偶爾可 切出液珠，但流場卻異常的不穩定，不僅是生成出的液珠大小非常不均勻，還常 有油相將醇相推擠回入口處，甚至呈現出沿著鐵弗龍管逆流的情況。再經由詳細 觀察可發現雖然未經改質的 PDMS 流道應為疏水性表面，但卻會看到醇相附著在 壁面流動的情況，因此可推斷大豆油與甲醇間性質的差異與流道表面的親疏水性 質將會是此實驗是否能夠順利生成液珠的最大問題。而大豆油與甲醇常溫下的黏 度比例大約有 134：1，因此在醇/油流率比較小，即大豆油流率較高的情況下，甲 醇會被大豆油逆推回去並呈現此一不穩定狀態的可能性非常高。

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(a)

(b)

(c)

圖 4-4 液珠型微反應器之液珠生成情形(連續相為大豆油，分散相為甲醇)：(a)醇/

油流率比：1, (b)醇/油流率比：0.2, (c)醇/油流率比：0.1。

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由於無法藉由調控參數的方式來改善甲醇逆流的情況，因此實驗改用連續相 為甲醇，分散相為大豆油來進行測試，結果如圖 4-5 所示，左邊入口導入的分散相 為固定流率為 1 L/min 的大豆油，上、下的連續相則為甲醇，這部分實驗首先探 討的是醇/油流率比與液珠生成的關係，從醇/油流率比為 1 開始向上調升，在圖 4-5-(a)、(b)中為醇/油流率比分別為 1 及 5 的時候，雖有順利生成液珠的情況，但 由於醇/油流率比較低，生成液珠的速度較為緩慢且不穩定，偶爾還會有生成較為 大顆液珠的情況出現。圖 4-5-(c)、(d)、(e)則為醇/油流率比分別為 10、20 及 40 的 時候，在此三種情況下所觀察到的液珠生成情況皆非常穩定、快速，且生成出來 的液珠尺寸也相對較小又均勻，在這邊可觀察到從醇/油流率比在 10 以上的時候，

其所生成出來的液珠大小皆非常相近，改變的僅有液珠生成的頻率。而圖 4-5-(f) 中則為試著將醇/油流率比調至 80 的時候所得到的影像，可以看到其液珠生成的速 度非常快，儘管將拍攝的速度調整到最高的 1040 Hz 還是無法看到其液珠完整的樣 子。綜合這第一部分醇/油流率比及液珠生成的實驗，為了能穩定生成尺寸均勻且 較小的液珠，並避免使用過多的甲醇以致浪費，因此選擇在醇/油流率比為 10 的情 況下探討後續總流率與液珠生成的關係，以利後續與反應轉化率關係的研究。

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圖 4-5 醇/油流率比與液珠生成情形(連續相為甲醇，分散相為大豆油)：(a)醇/油流 率比：1, (b)醇/油流率比：5, (c)醇/油流率比：10, (d)醇/油流率比：20, (e)醇/油流率 比：40, (f)醇/油流率比：80。

實驗的第二部分則是探討在固定醇/油流率比為 10 時，調整總流率並觀察其液 珠生成情形，如圖 4-6 所示，在總流率於 5.5 L/min 以下時(如圖 4-6-(a)、(b))，生 成出的液珠尺寸較大，且由於總流率較低，液珠生成速度非常緩慢。總流率稍微 提高至 11 L/min 時(圖 4-6-(c))，所生成出的液珠與低總流率相比有變小的趨勢且 穩定、迅速，直到將總流率提高至 27.5 L/min 時(圖 4-6-(e))，立即呈現出如圖中 醇、油平行往下游流動的情形，判斷是因為大豆油及甲醇兩流體間表面張力及黏 度差較大，使得甲醇夾擠不斷大豆油，因而無法順利地繼續生成尺寸更小的液珠。

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圖 4-6 總流率與液珠生成情形(連續相為甲醇，分散相為大豆油)：(a)總流率：1.1, (b) 總流率：5.5, (c)總流率：11, (d)總流率：22, (e)總流率：27.5。(流率單位：L/min)

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總結在調整醇/油流率比以及總流率對液珠生成的影響後，第三部分的實驗將 選擇以甲醇為連續相、大豆油為分散相，而醇/油流率比為 10、總流率則選用 11

L/min 的情況下來探討反應轉化率。由於轉酯化反應本來就是個較為耗時的化學 反應，因此在液珠型晶片的下游處將額外設計一螺旋形流道結構(圖 4-7)，目的是 讓大豆油液珠可以在生成後繼續往下游處流動並與連續相甲醇進行反應。圖 4-8 為液珠生成後流至下游螺旋流道進行反應時所觀察到的情況。

圖 4-7 液珠型晶片下游處之螺旋型流道結構

(a)

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(b)

圖 4-8 液珠生成後於後續流道進行反應之情形(連續相為甲醇，分散相為大豆油；

醇/油流率比值為 10)：(a)總流率：1.1 L/min, (b)總流率：11 L/min。