CN104761017B - 具有水下超亲气性质的气/液分离装置的制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能材料技术领域，特别涉及具有水下超亲气性质的气/液分离装置的制备方法和用途。本发明以高密度聚乙烯薄片作为基底，使用经砂纸打磨得到的锥形不锈钢针在其表面进行阵列化打孔，再由12％(重量)聚氨酯的N，N‑二甲基甲酰胺溶液复形，通过相转化的方法即可得到聚氨酯锥形阵列，用激光打孔的方法在聚氨酯基底上制备通孔，然后再在锥形阵列表面修饰超疏水纳米二氧化硅即可得到具有水下超亲气性质的锥阵列，锥形阵列中的每一根锥形针表面及基底表面具有超疏水性质的微纳结构，由此得到可以对含气泡流体进行持续、高效分离的气/液分离装置。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，特别涉及具有水下超亲气性质的气/液分离装置的制备方法和用途。
背景技术
多相流体中的气泡不但会对人类的生产、生活造成不良的影响而且严重威胁人类的健康。例如混入机械液压系统的气泡会严重影响液压系统的正常工作并导致气蚀的发生；工业生产过程及日常生活用液体的管道运输过程中会有气阻发生，严重时会造成爆管；输液或静脉注射时进入人体的气泡可能会在人体的微血管处形成气体栓塞，危害人体健康。传统的分离方法，如US4326863、CN1981907A以及CN2881068Y中采用的离心、真空等气/液分离方法存在工艺复杂、设备昂贵、能源消耗严重等无法克服的问题，所以寻找一种经济、高效的气液分离方法，是研究人员广泛关注的课题。
发明内容
本发明的一目的在于提供具有水下超亲气性质的气/液分离装置。
本发明的再一目的在于提供一种经济、高效的具有水下超亲气性质的气/液分离装置的制备方法。
本发明的另一目的在于提供具有水下超亲气性质的气/液分离装置的用途。
本发明受仙人掌刺能在雾气中集水、疏水铜锥可以在水中集油并能单向驱动的启发，将这种锥分离系统应用于水相中的水/气/固三相系统，采用塑形模板打孔、聚氨酯溶液复形、激光打孔以及表面超疏水修饰等方法，得到了一种以聚氨酯为材质的锥形阵列，及本发明的具有水下超亲气性质的气/液分离装置。
本发明的具有水下亲油性质的气/液分离装置表面具有超疏水的微纳复合结构，本发明是以聚氨酯为材质，在聚氨酯基底上制备材质为聚氨酯的锥形阵列以及通孔(如图1a所示)，所述锥形阵列中的每一根所述的锥形针表面都具有超疏水的微纳结构(如图1b所示)，且所述的相邻的锥形针之间的间距为毫米尺度(优选为2.5～3.0mm)。
所述锥形针的高度为毫米尺度，优选为2.0～3.0mm。
所述通孔的大孔端直径、小孔端直径以及孔的深度均为毫米尺度(优选分别为0.8～1.0mm、0.2～0.3mm、5.0～7.0mm)。
所述具有水下超亲气性质的气/液分离装置在水下对气泡的接触角为0℃。
在本发明的具有水下超亲气性质的气/液分离装置中，分离装置主要通过三个步骤实现水中气泡的分离：捕获、定向驱动、导走。含有气泡的流体流经气/液分离装置时，超亲气的锥阵列会将流体中的气泡捕获；在Laplace Force的驱动下，气泡会沿着锥表面从锥的尖端运动到锥的根部；运动到根部的气泡会在聚氨酯的基底表面铺展，并通过基底的通孔进入到空气中。完成上述三个步骤后，气/液分离装置露出新鲜表面，又开始下一个气液分离的循环，从而实现连续的气/液分离。
将具有水下超亲水性质的气/液分离装置置于水相中，锥形阵列竖直向上放置，在阵列上方水平放置一块超亲水铜片(40mm×10mm×0.3mm)，将气/液多相流体以20～30cm/s的速度喷到其表面，混合物中的气泡被锥形阵列捕获、并快速地定向运输到锥形阵列的根部、通过通孔进入空气中。在分离过程中，气/液分离装置起到了类似于“筛”的功能，其将气泡从多相流体中“筛”出，得到单一的流体，从而实现了气/液分离的功能。
本发明的具有水下超亲气性质的气/液分离装置的制备方法包括以下步骤：
(1)用砂纸在锥形不锈钢针表面，沿根部至针尖方向进行打磨，制备出所需规格的钢针；
(2)利用步骤(1)所制备的不锈钢针在高密度聚乙烯薄片表面进行阵列打孔，且相邻的锥形针孔的间距为毫米尺度，每一锥形针孔的深度为毫米尺度；
(3)将步骤(2)所得到的带有锥形孔阵列的高密度聚乙烯薄片置于表面皿中，带有锥形针孔阵列的一面朝上，然后倒入12％(重量)的聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液，抽真空使溶液完全进入锥孔内，然后将整体置于异丙醇中进行高分子的相转化；
(4)将步骤(3)得到的聚氨酯锥阵列取出，用激光在聚氨酯基底上制备通孔；
(5)将步骤(4)得到的基底带有通孔的聚氨酯锥形阵列整体浸入超疏水纳米二氧化硅的氯仿溶液中一段时间，取出烘干即得到具有水下超亲气性质的气/液分离装置。
所述砂纸优选的自标号为600～2000#。
所述的利用步骤(1)得到的锥形不锈钢针在高密度聚乙烯薄膜上进行阵列化的打孔，是将步骤(1)得到的不锈钢针和高密度聚乙烯置于有x-y-z三维控制系统的仪器中(例如：点胶机)，利用该仪器使所述的锥形不锈钢针的针尖在高密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔。
本发明的具有水下超亲气性质的气/液分离装置可用于含气泡多相流体的气/液分离，并且可以实现多种气体的分离，如氢气、氮气、氧气、空气等。
本发明的具有水下超亲气性质的气/液分离装置具有水下超亲气的性质，每个锥形针捕获的气泡会被Laplace force驱动到锥形针的根部，并通过基底的通孔进入空气中，恢复新鲜表面的气/液装置又可以开始下一个气/液分离的循环，从而实现连续的气/液分离。
本发明的具有水下超亲气的气/液分离装置的制备成本较低，工艺简单，原料易得，可用于大范围制备。本发明的具有水下超亲气性质的气/液分离装置在进行气/液分离时，具有包括分离效果好、分离速度快、能进行连续分离、分离效率高，而且在单位时间的气/液分离装置可处理的含气泡多相流体水量大、成本低、低能耗、无需其他能量消耗。本发明特别适用于含气泡的多相流体的气/液分离，对多种气体(如氢气、氮气、氧气、空气)都具有非常好的分离效果。
附图说明
图1a.本发明实施例1制备的具有水下超亲气性质的气/液分离装置的体相显微镜照片。
图1b.本发明实施例1制备的具有水下超亲气性质的气/液分离装置的单锥表面的扫描电镜照片及其表面放大图。
图2.本发明中的具有水下超亲气性质的气/液分离装置的单锥表面的气/液分离录像截图(实施例1)以及其气泡驱动的原理。
图3.本发明实施例1中用于分离气/液的混合物的装置照片。
附图标记
1.具有水下超亲气性质的气/液分离装置
2.超亲水铜片
3.注水针头
4.注气针头
5.抽水针头
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的具有水下超亲气性质的气/液分离装置做进一步的说明。
其中，“超亲气”一般指气泡在水下，在材料表面完全铺展即气泡在材料表面的接触角为0°。“超疏水”一般指水滴在材料表面稳定接触角要大于150°，滚动接触角小于10°。
实施例1
(1)用2000#的砂纸在锥形不锈钢针表面，沿根部至针尖方向进行打磨，制备所需规格的钢针；
(2)将步骤(1)所制备的不锈钢针与高密度聚乙烯薄片(50mm×50mm×5mm)置于点胶机(Nordson EFD-PicoDot，USA)的x-y-z控制系统中，利用该点胶机使所述的锥形不锈钢针的针尖在高密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，在高密度聚乙烯薄片上得到锥形针孔阵列，且相邻的锥形针孔的间距为3.0mm，每一锥形针孔的深度为3.0mm；
(3)将步骤(2)所得到的带有锥形孔阵列的高密度聚乙烯薄片置于表面皿(90mm)中，带有锥形针孔阵列的一面朝上，然后倒入60ml聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液(wt＝12％)，抽真空30min使溶液中的气泡破裂并且使溶液完全进入锥孔内，然后将整体置于500ml的异丙醇中一周，进行高分子的相转化、沉积；
(4)将步骤(3)得到的聚氨酯锥阵列取出，用激光打标机在聚氨酯基底上制备通孔；
(5)将步骤(4)得到的基底带有通孔的聚氨酯锥形阵列整体浸入超疏水纳米二氧化硅的氯仿溶液中一段时间，取出烘干即得到具有水下超亲气性质的气/液分离装置(如图1a所示)，装置表面在水下对气泡的接触角等于0℃，所述锥形阵列中的每一根所述的锥形针表面都具有超疏水的微纳结构(如图1b所示)。
利用图3所示的实验装置进行油水分离实验。将上述得到的具有水下超亲气的气/液分离装置1置于玻璃器皿中的底部，气/液分离装置的通孔通过玻璃器皿底部的通孔与大气相连，锥形阵列上方1mm处水平固定一块超亲水铜片2，针头3水平喷射水流、针头4竖直喷射气流(其相对位置如图3所示)，气泡随水流通过气/液分离装置时，会被其锥阵列捕获、定向运输到基底表面，然后通过基底的通孔进入大气中，除去气泡的水流从抽水针头5流出实验装置，从而实现气/液分离。
实施例2
(1)用2000#的砂纸在锥形不锈钢针表面，沿根部至针尖方向进行打磨，制备所需规格的钢针；
(2)将步骤(1)所制备的不锈钢针与高密度聚乙烯薄片(50mm×50mm×5mm)置于点胶机(Nordson EFD-PicoDot，USA)的x-y-z控制系统中，利用该点胶机使所述的锥形不锈钢针的针尖在高密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，在高密度聚乙烯薄片上得到锥形针孔阵列，且相邻的锥形针孔的间距为2.8mm，每一锥形针孔的深度为2.8mm；
(3)将步骤(2)所得到的带有锥形孔阵列的高密度聚乙烯薄片置于表面皿(90mm)中，带有锥形针孔阵列的一面朝上，然后倒入60ml聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液(wt＝12％)，抽真空30min使溶液中的气泡破裂并且使溶液完全进入锥孔内，然后将整体置于500ml的异丙醇中一周，进行高分子的相转化、沉积；
(4)将步骤(3)得到的聚氨酯锥阵列取出，用激光打标机在聚氨酯基底上制备通孔；
(5)将步骤(4)得到的基底带有通孔的聚氨酯锥形阵列整体浸入超疏水纳米二氧化硅的氯仿溶液中一段时间，取出烘干即得到具有水下超亲气性质的气/液分离装置(如图1a所示)，装置表面在水下对气泡的接触角等于0℃，所述锥形阵列中的每一根所述的锥形针表面都具有超疏水的微纳结构(如图1b所示)。
利用图3所示的实验装置进行油水分离实验。将上述得到的具有水下超亲气的气/液分离装置1置于玻璃器皿中的底部，气/液分离装置的通孔通过玻璃器皿底部的通孔与大气相连，锥形阵列上方1mm处水平固定一块超亲水铜片2，针头3水平喷射水流、针头4竖直喷射气流(其相对位置如图3所示)，气泡随水流通过气/液分离装置时，会被其锥阵列捕获、定向运输到基底表面，然后通过基底的通孔进入大气中，除去气泡的水流从抽水针头5流出实验装置，从而实现气/液分离。
实施例3
(1)用2000#的砂纸在锥形不锈钢针表面，沿根部至针尖方向进行打磨，制备所需规格的钢针；
(2)将步骤(1)所制备的不锈钢针与高密度聚乙烯薄片(50mm×50mm×5mm)置于点胶机(Nordson EFD-PicoDot，USA)的x-y-z控制系统中，利用该点胶机使所述的锥形不锈钢针的针尖在高密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，在高密度聚乙烯薄片上得到锥形针孔阵列，且相邻的锥形针孔的间距为2.6mm，每一锥形针孔的深度为2.6mm；
(3)将步骤(2)所得到的带有锥形孔阵列的高密度聚乙烯薄片置于表面皿(90mm)中，带有锥形针孔阵列的一面朝上，然后倒入60ml聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液(wt＝12％)，抽真空30min使溶液中的气泡破裂并且使溶液完全进入锥孔内，然后将整体置于500ml的异丙醇中一周，进行高分子的相转化、沉积；
(4)将步骤(3)得到的聚氨酯锥阵列取出，用激光打标机在聚氨酯基底上制备通孔；
(5)将步骤(4)得到的基底带有通孔的聚氨酯锥形阵列整体浸入超疏水纳米二氧化硅的氯仿溶液中一段时间，取出烘干即得到具有水下超亲气性质的气/液分离装置(如图1a所示)，装置表面在水下对气泡的接触角等于0℃，所述锥形阵列中的每一根所述的锥形针表面都具有超疏水的微纳结构(如图1b所示)。
利用图3所示的实验装置进行油水分离实验。将上述得到的具有水下超亲气的气/液分离装置1置于玻璃器皿中的底部，气/液分离装置的通孔通过玻璃器皿底部的通孔与大气相连，锥形阵列上方1mm处水平固定一块超亲水铜片2，针头3水平喷射水流、针头4竖直喷射气流(其相对位置如图3所示)，气泡随水流通过气/液分离装置时，会被其锥阵列捕获、定向运输到基底表面，然后通过基底的通孔进入大气中，除去气泡的水流从抽水针头5流出实验装置，从而实现气/液分离。
实施例4
(1)用2000#的砂纸在锥形不锈钢针表面，沿根部至针尖方向进行打磨，制备所需规格的钢针；
(2)将步骤(1)所制备的不锈钢针与高密度聚乙烯薄片(50mm×50mm×5mm)置于点胶机(Nordson EFD-PicoDot，USA)的x-y-z控制系统中，利用该点胶机使所述的锥形不锈钢针的针尖在高密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔，在高密度聚乙烯薄片上得到锥形针孔阵列，且相邻的锥形针孔的间距为2.4mm，每一锥形针孔的深度为2.4mm；
(3)将步骤(2)所得到的带有锥形孔阵列的高密度聚乙烯薄片置于表面皿(90mm)中，带有锥形针孔阵列的一面朝上，然后倒入60ml聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液(wt＝12％)，抽真空30min使溶液中的气泡破裂并且使溶液完全进入锥孔内，然后将整体置于500ml的异丙醇中一周，进行高分子的相转化、沉积；
(4)将步骤(3)得到的聚氨酯锥阵列取出，用激光打标机在聚氨酯基底上制备通孔；
(5)将步骤(4)得到的基底带有通孔的聚氨酯锥形阵列整体浸入超疏水纳米二氧化硅的氯仿溶液中一段时间，取出烘干即得到具有水下超亲气性质的气/液分离装置(如图1a所示)，装置表面在水下对气泡的接触角等于0℃，所述锥形阵列中的每一根所述的锥形针表面都具有超疏水的微纳结构(如图1b所示)。
利用图3所示的实验装置进行油水分离实验。将上述得到的具有水下超亲气的气/液分离装置1置于玻璃器皿中的底部，气/液分离装置的通孔通过玻璃器皿底部的通孔与大气相连，锥形阵列上方1mm处水平固定一块超亲水铜片2，针头3水平喷射水流、针头4竖直喷射气流(其相对位置如图3所示)，气泡随水流通过气/液分离装置时，会被超亲气锥阵列捕获、定向运输到基底表面，然后通过基底的通孔进入大气中，除去气泡的水流从抽水针头5流出实验装置，从而实现气/液分离。
Claims (10)
1.一种具有水下超亲气性质的气/液分离装置的制备方法，其特征是：所述的制备方法包括以下步骤：
(1)用砂纸在锥形不锈钢针表面，沿根部至针尖方向进行打磨，制备出所需规格的不锈钢针；
(2)利用步骤(1)所制备的不锈钢针在高密度聚乙烯薄片表面进行阵列打孔，且相邻的锥形针孔的间距为毫米尺度，每一锥形针孔的深度为毫米尺度；
(3)将步骤(2)所得到的带有锥形针孔阵列的高密度聚乙烯薄片置于表面皿中，带有锥形针孔阵列的一面朝上，然后倒入聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液，抽真空使溶液完全进入锥形针孔内，然后整体置于异丙醇中进行高分子的相转化；
(4)将步骤(3)得到的聚氨酯锥阵列取出，用激光在聚氨酯基底上制备通孔；
(5)将步骤(4)得到的基底带有通孔的聚氨酯锥形阵列整体浸入超疏水纳米二氧化硅的氯仿溶液中，取出烘干即得到具有水下超亲气性质的气/液分离装置。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述的利用步骤(1)得到的不锈钢针在高密度聚乙烯薄膜表面进行阵列打孔，是将步骤(1)得到的不锈钢针与高密度聚乙烯薄片置于有x-y-z三维控制系统的仪器中，该仪器利用所述的不锈钢针的针尖在高密度聚乙烯薄片上进行阵列化的打孔。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述的相邻的锥形针孔的间距为2.5～3.0mm。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征是：所述锥形针孔的深度为2.3～2.7mm。
5.一种使用根据权利要求1所述的方法制备的具有水下超亲气性质的气/液分离装置，其特征是：在具有通孔的聚氨酯基底表面构筑材质为聚氨酯的具有气/液分离作用的锥形阵列，所述的锥形阵列中的每一根锥形针及基底表面具有超疏水性质的微纳结构，且相邻的锥形针之间的间距为毫米尺度，所述的锥形针的高度为毫米尺度；所述通孔大孔端的直径、小孔端的直径以及通孔的高度均为毫米尺度。
6.根据权利要求5所述的具有水下超亲气性质的气/液分离装置，其特征是：所述的锥形针及基底表面在水下对气泡的接触角为0°。
7.根据权利要求5所述的表面具有水下超亲气性质的气/液分离装置，其特征是：所述的相邻的锥形针之间的间距为2.5～3.0mm。
8.根据权利要求5所述的表面具有水下超亲气性质的气/液分离装置，其特征是：所述的锥形针的高度为2.0～3.0mm。
9.根据权利要求5所述的表面具有水下超亲气性质的气/液分离装置，其特征是：所述通孔大孔端的直径为0.8～1.0mm，小孔端的直径为0.2～0.3mm，高度为5.0～7.0mm。
10.一种根据权利要求5～9任意一项所述的具有水下超亲气性质的气/液分离装置用于含气泡流体的气/液分离的用途。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |