Contributions to process intensification in microfluidic devices

Abstract

Abstract : In this work, answers to some gaps found in the literature on the field of process intensification in microfluidic devices were proposed. The behavior of a carbon-based composite photocatalyst, specifically a composite of TiO2 and graphene, immobilized on the inner walls of a microchannel reactor, was evaluated and compared with a system containing pristine TiO2. Additionally, a comprehensive computational simulation was performed, based on fundamental physics of semiconductors and considering the coupling of radiation distribution, fluid flow, mass transport and chemical reactions. Moreover, a numerical study was carried out aiming to determine optimal photocatalytic film thicknesses for different illumination mechanisms (backside illumination, BSI, and front-side illumination, FSI) as a function of relevant operational variables and parameters, namely the incident irradiation, the apparent first-order reaction constant, the effective diffusivity and the absorption coefficient. Finally, the possibility of numerically predict the effect of wall wettability on gas-liquid flow pattern developed in microfluidic devices was investigated.<br>

Dispositivos microfluídicos são baseados em microcanais nos quais o diâmetro efetivo é da ordem de centenas de micrômetros, resultando em elevada razão área/volume. Embora um considerável avanço tenha sido observado nessa área nas últimas décadas, resultando, inclusive, em aplicações industriais comercialmente disponíveis, ainda há importantes questões em aberto. Neste trabalho, respostas a algumas dessas questões foram propostas. Em particular, procurou-se determinar o comportamento de dispositivos microfluídicos aplicados à intensificação de processos fotocatalíticos considerando um fotocatalisador compósito (especificamente um compósito de dióxido de titânio e grafeno) imobilizado nas paredes internas. Tal sistema foi, então, comparado a um equivalente no qual dióxido de titânio puro foi imobilizado. As partículas de dióxido de titânio e do compósito de dióxido de titânio-grafeno foram depositadas por meio de um método térmico. Suspensões de TiO2 e TiO2- grafeno foram preparadas e injetadas ao longo de microcanais de chips microfluídicos comerciais construídos com vidro borossilicato. Os dispositivos foram, então, tratados termicamente para promover a evaporação do solvente (água) e a deposição do fotocatalisador nas paredes internas. O processo foi realizado ciclicamente para promover a formação de múltiplas camadas. A evolução da deposição foi avaliada pelo monitoramento dos perfis óticos dos sistemas. Azul de metileno foi usado como reagente modelo em ensaios de fotodegradação. Ensaios preliminares permitiram determinar o efeito dos fenômenos de adsorção e fotólise sobre o comportamento global. Nos experimentos de reação fotocatalisada observou-se que uma maior velocidade de reação inicial foi obtida no microrreator contendo fotocatalisador composto (TiO2-GR) imobilizado nas paredes internas, mas ambos os sistemas (TiO2 e TiO2- GR) exibiram velocidades de reação similares quando o estado estacionário foi alcançado. Verificou-se que a taxa de descolorização do azul de metileno no chip microfluídico foi, aproximadamente, uma ordem de magnitude maior que aquela reportada em sistemas macroscópicos equivalentes em condições experimentais similares. Além disso, investigou-se, neste trabalho, a possibilidade de avaliar teoricamente o comportamento de sistemas microfluídicos aplicados a processos fotocatalíticos com base na física fundamental de semicondutores, bem como a possibilidade de modelar computacionalmente os fenômenos acoplados (distribuição de intensidade luminosa, escoamento, transporte de massa e reação química) que ocorrem em reatores de microcanais (provendo uma estimativa para o desempenho do reator, dos pontos de vista global e local). O modelo computacional foi validado com os resultados experimentais. Na sequência, o modelo computacional foi aplicado para a predição da melhor espessura para o filme fotocatalítico imobilizado nas paredes internas de dispositivos microfluídicos em diferentes condições de iluminação (backside illumination, BSI, e front- side illumination, FSI) como função de variáveis operacionais e parâmetros relevantes, nomeadamente a irradiação incidente, a constante de velocidade de reação aparente de pseudo-primeira ordem, a difusividade efetiva e o coeficiente de absorção do fotocatalisador. Finalmente, a possibilidade de predizer numericamente o efeito da molhabilidade da parede sobre padrões de escoamento multifásicos desenvolvidos em microcanais foi avaliada. Tal modelo computacional pode ser utilizado como fonte de informação prévia sobre o impacto de diferentes propriedades do filme fotocatalítico na morfologia interfacial de escoamento gás-líquido em microrreatores fotoquímicos. Em particular, escoamentos gás-líquido isotérmicos (Taylor e estratificado) foram avaliados através do modelo volume of fluid (VOF). Microcanais com condições limites de hidrofilicidade e hidrofobicidade foram investigados tomando-se como base um referencial experimental disponível na literatura. Um estudo preliminar detalhado foi conduzido para a determinação da malha computacional ótima, capaz de permitir modelagem adequada do filme líquido formado entre as cavidades de gás e a parede sólida, no caso de Taylor flow. Os resultados numéricos foram comparados com dados experimentais (comprimento máximo de cavidade e área de cavidade, para o caso de Taylor flow, e espessura do filme gasoso no caso de escoamento estratificado) e algumas correlações disponíveis (comprimento máximo de cavidade e perda de carga por cavidade) e boa concordância foi observada. Nas mesmas condições de alimentação, o modelo foi capaz de captar os diferentes padrões de escoamento gás-líquido esperados quando o ângulo de contato da parede foi variado. Portanto, tal modelo computacional pode ser utilizado em estudos de scale out com o objetivo de projetar e otimizar reatores compactos modulares baseados na tecnologia de microcanais nos quais escoamento multifásico, particularmente gás e líquido, é estabelecido. Discussões acerca das limitações e de propostas futuras referentes ao desenvolvimento deste trabalho também são apresentadas.