多级化学反应通常需要在不同反应阶段之间进行中间产物分离。
此外，现代化学工艺需要节能的分离和纯化步骤，以创造高质量的产品并实现可持续制造。
例如，在线分离技术可用于连续回收溶剂和催化剂，从而减少废物的产生。分离技术还可用于在线和离线分析流入合成的材料和分子。微流控分离技术最初是为此目的而率先提出的，用于微量全分析系统和芯片实验室设备 。从那时起，微流控流入式分离技术已经扩展到包括一系列用于气-液和液-液分离的常规化学工程操作，包括蒸馏 、色谱和膜分离。
除了更传统的分离单元操作外，还开发了一系列更专业的基于微流体的主动和被动微流控分离策略，专门用于流动中纳米材料的连续分离。这些方法包括离心力和惯性力驱动的分离、光电镊子、毛细管电泳和磁电泳 。
由于表面力在微米长度尺度上比重力占主导地位，因此如果没有重力辅助阻尼流体运动，就很难实现受控沸腾。此外，由于缺乏成核位点，溶液会变得过热。鉴于这些局限性，与传统的蒸馏技术不同，许多微蒸馏设备在沸点条件下运行。相反，载气可用于帮助挥发性蒸汽传输。许多微蒸馏方法使用市售的多孔膜或微加工纳米柱作为气流和液流之间的接触界面。
室温或加热气体在接触界面上的强制对流有助于蒸发和挥发性成分的去除。或者，可以使用气液段塞和段塞环流形式来实现气相和液相之间的直接接触。然后可以使用下游冷凝模块和基于气液膜的分离器来回收馏出物。这些微蒸馏设备受益于改进的液膜传质和高表面积体积比。由于这些因素，许多微汽提和微蒸馏设备可以在中等温度下实现高效分离。
尽管使用气相可以帮助蒸发、直接蒸汽流，并且在某些情况下可以控制沸腾 ，但它需要进一步进行下游气液分离以回收冷凝水。已经设计了使用毛细管力引导气-液流动的替代载气微流控蒸馏策略。
在一个例子中，Lam等人（图2）制造了一种微流体蒸馏装置，该装置由微柱衬里的通道组成，用于分配蒸汽和液体流。微流控装置的加热区和冷却区之间的压力梯度，加上底部去除注射器的负压以及毛细管驱动力，导致液体和蒸汽的共流流动。
通过液体流回有效的再沸器区域，实现了多级蒸馏。以这种方式使用毛细管力类似于零重力加热管蒸馏塔，后者使用芯吸材料将冷凝水重定向到蒸发区 。在这些微接触系统中，与传统的填充蒸馏塔相比，液态薄膜可以显著改善传质。为了以连续形式实现类似的多级蒸馏，许多概述的蒸馏策略可以串联使用。
图2 微蒸馏芯片（Chip-3至Chip-6）图片和指定位置微通道配置的放大视图（微通道长度：400 mm）
微流控蒸馏技术已经取得了长足的进步，但其应用仍然局限于挥发性和热稳定的组分。此外，许多需要对整流和剥离部分进行热分离的设备需要复杂的微纳加工设计。
微尺度连续液-液萃取 （LLE） 和相分离是有效分离非挥发性、蒸气压接近或对热敏感的物质的替代工艺。许多基于微流体的 LLE 策略都是使用经济实惠且易于获得的组件设计的，使其成为可重构流动化学系统的绝佳时间和材料效率分离策略。
与一些微蒸馏设备类似，微流控 LLE 萃取可以通过利用主要表面力和利用表面张力差异进行选择性液液相分离来实现。虽然微纳加工毛细管通道的表面能可以通过功能化来改变，但这些过程非常耗时且容易降解。
或者，可以使用市售的多孔膜（例如聚四氟乙烯（PTFE）膜（图3）来实现连续LLE，这些膜被疏水性更强的液相选择性地润湿，如几个合成示例中所述。
图3 基于毛细力和选择性润湿表面的微流控装置中的连续流液-液相分离。有效的液-液相分离是通过使用薄多孔含氟聚合物膜来实现的，该膜选择性地润湿非水溶剂，平均孔径在0.1-1µm范围内，具有高孔密度，具有高分离吞吐量。
在一个例子中，Sahoo等人使用夹在两个微通道之间的PTFE膜，通过异氰酸酯的Curtius重排来多阶段合成氨基甲酸酯。
在连续液-液相分离阶段，含有叠氮化物中间体的有机溶剂优先湿润并渗透到聚四氟乙烯膜中。使用这种在线液-液分离模块，实现了有机相和水相的完全分离，同时限制了有害叠氮化物中间体的活性体积。
在这种形式下实现了完全分离和稳健的连续操作，因为有机相不含可能堵塞微孔的悬浮固体。为了避免堵塞，可以通过使用疏水管道而不是微孔膜来实现含有微米级颗粒悬浮液的有机相的液-液分离。或者，改性的和固有的亲水性微孔膜可用于以水相为渗透物的分离。然而，仍然需要市售的、耐化学腐蚀的亲水性微孔膜来满足大多数化学工艺的要求。
最近，人们开发了采用可切换溶剂的LLE策略，可用于节能溶剂回收，这是有机/无机合成中通常至关重要但昂贵且耗能的过程。当暴露于刺激（例如，化学或热）时，可切换溶剂可以快速和可逆地改变其各种物理化学特性（例如，亲水性、挥发性或离子强度）。
因此，可切换溶剂的实际使用需要有限的传质电阻和传热电阻，这在微流控反应器中很容易实现。 使用这种策略，Han等人开发了一种连续的微流控LLE工艺，该工艺利用可切换的亲水性溶剂（SHS），该溶剂在暴露于CO2时会改变其亲水性，如图3e 所示。
图4 利用可切换的亲水性溶剂（SHS）的工艺
SHS通过一个加压的、自制的管中管微流体反应器，使用市售的流体组件暴露于CO2。管中管微流控反应器配置中透气管式膜（Teflon AF 2400）的低传质阻力和高气液界面面积提高了气液传质速率，使SHS萃取时间比间歇工艺快两个数量级。
在微观尺度上已经证明的一种更传统的分离技术是色谱法。微相色谱分离技术已经开发出来，既可以限制分析所需的溶剂分析物体积，也可以进行在线表征。微层析分离策略通常使用微加工通道作为滤芯。
在一个例子中，Broyles等人使用微加工固体分离切片与明通道电相色谱法相结合，创造了一种相当于高效液相色谱（HPLC）的高效片上样品浓缩器和分离器。其他更新颖的色谱过程也得到了证明，这些过程仅在微流控装置中实现。作为最近的一个例子，Prodromou等人开发了一种透明的微流控芯片，该芯片装载有偶氮苯环状肽包被的珠子，以高选择性捕获靶蛋白。偶氮苯的确认可以通过特定光波长的照明来改变，以实现结合亲和力的快速和可逆切换，但仅限于微流体通道中，因为它们的光程较小。
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