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气溶胶液滴中胶体悬浮液的干燥提供的颗粒是许多工业应用的基本基石，包括食品加工、药品喷雾剂、化妆品、陶瓷等等。喷雾干燥允许在气溶胶相中连续产生粉末、颗粒或团聚形式的干固体，并包括通过与干燥室中的热载气接触来控制气溶胶液滴的干燥。虽然已经有许多成功的报道，从基础研究和工业扩大，喷雾干燥技术的优化仍然存在许多挑战，而Jonathon P.Reid教授对于气溶胶干燥后颗粒呈现状态进行了深入研究。

首先在理论研究方面，Jonathon P.Reid教授引入Pe数的概念。Pe数是物理学和工程学中用于描述传质过程的一个无量纲数，最终干燥的微粒形态的性质可以通过无量纲参数Péclet数（Pe）的分析来描述。在研究中，Pe数被用于描述气相气溶胶液滴干燥过程的条件。Pe数的值与液滴的干燥速率有关，快干燥的液滴具有较高的Pe数，而慢干燥的液滴具有较低的Pe数。快干燥的液滴会导致干燥的微粒形成薄而坚硬的外壳，而慢干燥的液滴则会导致干燥的微粒形成较厚且容易变形的外壳。因此，通过调整干燥速率，可以控制干燥微粒的形态和特性。

其次，在设计实验方面，用于液滴干燥动力学测量的EDB是在受控的气相大气条件下运行的（TG=240−340K，0−95%RH）。可重复初始尺寸（半径为=28± 3μm）和浓度（0.10−0.60%v/v硅NP悬浮液）的单个气溶胶液滴由MicroFab喷头（MJ-ABP-01, 30μm）分配。液滴进入振荡电场的一个区域（零点），该振荡电场是由交流电压施加到形成EDB的上下同心圆柱形电极对上所产生的，如图1所示。

▲ 图1 气溶胶液滴干燥动力学测量的EDB实验装置

▲ 图2 MicroFab喷头发生皮升级液滴图示

▲ 图3 蒸发曲线

如图3所示，不同浓度的胶体硅溶胶在相同干燥条件下蒸发的干燥曲线。图中a显示了0.10%、0.25%和0.50%体积浓度的亲水性胶体硅溶胶蒸发的曲线，与纯水（黑线）相比。b则展示了通过拟合蒸发初始阶段满足“R平方定律”得到的归一化半径平方。该图表明，在相同的干燥条件下，不同浓度的胶体硅溶胶的蒸发速率基本相同，遵循相同的蒸发规律。

▲ 图4 在温度恒定干燥条件下，从0.40% v/v的胶体二氧化硅液滴中获得干燥的二氧化硅微粒的扫描电镜显微图。(a) Pe（Td=284K，RH=64%）=23.8，(b) Pe（Td=286 K，RH=21%）=77.7，(c) Pe（Td=288 K，RH=8%）=116.7，(d) Pe（Td=292 K，RH=5%）=135.3，(e) Pe（Td=293K，RH=4%）=153.2，和 (f) Pe（Td=291K，RH=0%）=180.0。

▲ 图5 概念机理图示意图，说明了不同Péclet数的干燥过程，基于液滴干燥速率（锁定点时间）的表面可能壳厚度的富集程度，以及干燥过程后最终干燥的二氧化硅微粒的预测形态。对应的SEM图像（a、b、c、e、f）为图4（a、b、c、e、f）所示的FDC干燥实验的样本图像。

液滴在受控温度RH条件下（如EDB上）在其自由下落到柱的过程中被干燥。使用扫描电子显微镜离线分析收集的最终干燥的二氧化硅NP微粒，如图4所示，显示了在选定液滴温度RH干燥条件对的干燥过程后获得的二氧化硅微粒的SEM显微照片。显然，SEM显微照片显示干燥的二氧化硅微粒具有不同但受控的表面性质和形态发展；图5中的图片突出了控制气相干燥条件的重要性，该图说明了锁定点（时间和半径）和液滴表面富集对干燥微粒形态发展的影响。由于薄壳最容易屈曲，我们预计在较短的LPT、较大的相对半径（RL/R0）和较高的Péclet数（较快的干燥速率）下获得的干燥微粒会导致弯曲、褶皱或萎缩的结构，如图5（E）所示。

研究提高了气相干燥条件、温度和相对湿度，以及气溶胶液滴特性对干燥微粒的单液滴实验中的干燥动力学和形态影响的理解。使用单粒子悬浮仪器和MicroFab微液滴发生系统，提供了一种可能的方法来精确研究温度和RH及Péclet数（4<Pe<185）对气雾滴干燥动力学的影响。这使得研究团队对于液滴干燥后溶质残留状态有了系统性的认识，同时也展示了其可控性来完成团队最终需要的残留形态。基于实验结果，可以得出结论，干燥的微粒形态和表面性质可以利用单液滴测量的先验动力学数据进行设计，可用于扩大食品和制药行业中大多数中试喷雾干燥器应用的设计和参数优化。