乳液分离是石油提取、化工制造、食品加工和废水处理等行业中的关键技术步骤[1]、[2]、[3]、[4]。乳液是由表面活性剂稳定的两种不相容液体组成的多相系统，由于其高稳定性和细小液滴的特性，给传统脱乳技术带来了挑战[5]、[6]、[7]。传统脱乳方法通常存在效率低、运行成本高、可能造成二次污染以及与连续工艺不兼容等局限性[8]。这些限制共同阻碍了它们的广泛应用，推动了新型脱乳技术的发展[9]、[10]、[11]。此外，工业乳液系统（如多重乳液、纳米乳液）的复杂性增加进一步加剧了传统方法的不足。例如，在页岩气开采中，回流水常含有高度稳定的纳米乳液[12]。传统技术在处理这些乳液时面临成本效益低的挑战，导致水资源浪费和环境风险。随着工业规模的扩大和环境标准的提高，开发高效、节能和环保的连续流脱乳技术已成为学术界和工业界关注的焦点[13]。
近年来，微流控技术因其精确的微尺度流体控制能力而受到广泛关注[14]、[15]、[16]。微通道内的流体行为与宏观尺度有根本不同，为开发先进的脱乳方法提供了新的途径[17]、[18]、[19]、[20]。例如，袁等人使用毫米级螺旋管柱实现了微米级液桥流动，脱乳效率达到52.94%[21]；王等人开发了一种利用离心力和微尺度效应的微型离心脱乳装置（MCDD），脱乳效率达到99.99%[22]。目前，微流控技术在乳液处理中的应用主要集中在液滴生成、液滴操控和液滴聚合方面[23]、[24]、[25]。然而，传统的微通道设计往往由于液滴在通道内的停留时间不足而无法实现高效的连续流脱乳。虽然复杂的微通道几何结构可以延长液滴停留时间[26]，但会大幅增加制造复杂性和成本。值得注意的是，通过设计具有特定亲水性图案的微通道可以创建交替的超亲水和疏水表面区域[27]，这种策略通过多种设计得以实现，如仿生图案表面[28]、嵌入亲水微区域的表面[29]和多功能辐射图案[30]。利用这种亲水性对比产生的毛细力梯度可以有效地捕获和聚合乳液液滴[31]、[32]、[33]，并且已成功应用于纳米流体乳液的被动破坏[34]。在我们之前的工作中[19]，设计了一种箭头形图案化亲水性微通道（APM），单次通过脱乳效率高达70%。这一结果表明微通道亲水性分布对脱乳性能有显著影响。因此，优化几何结构简单微通道内的亲水性图案以实现绿色、高效、连续流脱乳是一个亟待解决的科学挑战。
在这项工作中，我们提出了创新的纺锤形图案化亲水性微通道（SPM）的设计和制造方法，以增强连续流脱乳效果。通过化学蚀刻和掩模引导的喷涂涂层，精确工程化了铝板表面，成功在其内表面创建了具有空间可控亲水性图案的微通道。此外，通过结合实验研究和数值模拟，系统研究了关键参数（包括表面亲水性、微通道尺寸、图案线宽、线数和流速）对SPM装置脱乳性能的影响，从而确定了最佳工艺条件。有限元模拟用于研究微观液滴聚合动力学和两相流动状态，这些现象在实验中难以捕捉。这种综合方法不仅确定了最佳操作条件，更重要的是，从流体力学和界面作用的角度阐明了SPM设计如何增强液滴聚合并提高脱乳效率。
