Strategy for the improvement of mixing in microdevices

Stratégie pour l’amélioration du mélange dans les microsystèmes

Università degli Studi di Padova, Dipartimento di Scienze Chimiche, via Marzolo 1, 35131, Padova, Italy
email : ilaria.fortunati@unipd.it / nico.rossetto@gmail.com / raffaella.signorini@unipd.it / camilla.ferrante@unipd.it / silvia.carlotto@unipd.it / antonino.polimeno@unipd.it

^* Corresponding authors

Abstract

One of the most promising way to exploit microfluidic systems is as microreactors. A microreactor can be considered as a microchamber where chemical reactions take place, aimed at the synthesis of novel materials with controlled experimental conditions. The main goal is to reach the highest efficiency towards the desired output product. Mixing is usually very slow in microchannels, when laminar flow conditions characterized by low Reynolds numbers (below 3000) are applied. Many different strategies can be proposed to enhance mixing. In this work we explore and model the behavior of microreactor prototypes having different geometry and aimed at the improvement of mixing efficiency. These prototypes exploit either the hydrodynamic focusing effect or the presence of microstructuration inside the microchannel. In the first case, the focusing effect is used to reduce the diffusion distance between the molecules flowing in the reactors. In the second approach, we explore the influence of lateral steps fabricated inside the channels on the mixing efficiency. The behavior of fluid features is numerically modeled via Navier-Stokes equations coupled to convection-diffusion equations. Moreover, fluorescence based techniques are used to characterize the mixing efficiency in the experimental devices.

Résumé

Les microréacteurs sont une des applications les plus prometteuses des systèmes microfluidiques. Un microréacteur peut être considéré comme un microréservoir au sein duquel ont lieu les réactions chimiques ; il est des-tiné à synthétiser de nouveaux produits sous des conditions expérimentales contrôlées. Le but principal est d’atteindre la meilleure efficacité en fonction du produit final désiré. Le mélange est généralement très lent dans les microcanaux, du fait de conditions d’écoulement laminaire caractérisées par de faibles nombres de Reynolds (< 3000). De nombreuses stratégies peuvent être proposées pour améliorer le mélange. Dans cet article nous explorons et nous modélisons le comportement de prototypes de microréacteurs de géométries différentes et visant à améliorer l’efficacité du mélange. Ces prototypes exploi-tent soit l’effet de focalisation hydrodynamique, soit une structuration spécifique du microcanal. Dans le premier cas, l’effet de focalisation est utilisé pour réduire la distance de diffusion entre les molécules s’écoulant dans le réacteur. Dans la deuxième approche, nous étudions l’influence de marches latérales à l’intérieur des canaux sur l’efficacité du mélange. Le comportement du fluide est modélisé numériquement par les équations de Navier Stokes couplées aux équations de convection/diffusion. En outre, des techniques de fluorescence sont utilisées pour caractériser l’efficacité du mélange dans les dispositifs expérimentaux.