CN106587286B - 一种基于微流控沟道系统的海水净化装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流控沟道系统的海水净化装置及其制备方法，该装置包含：衬底，设置在衬底上的液体沟道，以及设置在液体沟道上用于定义并密封液体沟道的上盖板。液体沟道包含：去离子沟道，设置在去离子沟道两侧的电极对，设置在去离子沟道与电极对之间的介质层，以及与去离子沟道相连通的进口沟道和出口沟道。本发明的装置能够持续、稳定、低能耗、高效能净化海水，同时又能够与现有微流控技术相兼容的集成化微流控芯片，进而在改进现有电容式净水功能器件的基础上扩大微流控技术的应用范围。

Description

一种基于微流控沟道系统的海水净化装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及电容式液体去离子原理的微流控技术及液体的净化过程，具体涉及一种基于微流控沟道系统的海水净化装置及其制备方法。

背景技术

芯片实验室可简单定义为能够完成生物化学处理的各个过程、能自动完成传统实验室功能的微小化、集成化微电子机械系统，其目标是在单个器件上集成完全的分析过程，具有高集成度、高精度、低消耗、智能化等优点，在生物、化学等许多领域具有非常好的前景。

作为芯片实验室的动力部分，微流控技术起着重要作用。介质上电润湿技术通过电压改变液滴在介质表面的润湿性能，以对液滴进行操控，具有驱动方式简单、驱动力强、自动化程度高等许多优点，但存在功能单一、集成度低等不足。

近些年来，电容式去离子技术因其性能可靠、能量效率高、器件结构简单及净水成本低等优势，在较低盐浓度水净化领域备受瞩目，被认为是一种可有效缓解世界淡水资源危机的重要手段。但现有电容式去离子技术存在如多孔碳电极材料无法自动化生产组装、电极电导率低、功耗大、无法持续稳定工作、尺寸大等问题，极大地限制了其进一步地发展与推广。

因此，通过微流控技术克服现有电容式去离子技术的种种缺点对于净水技术的大规模集成与实用推广有着极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微流控沟道系统的海水净化装置及其制备方法，该装置能够持续、稳定、低能耗、高效能净化海水，同时又能够与现有微流控技术相兼容的集成化微流控芯片，进而在改进现有电容式净水功能器件的基础上扩大微流控技术的应用范围。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于微流控沟道系统的海水净化装置，该装置包含：衬底，设置在衬底上的液体沟道，以及设置在液体沟道上用于定义并密封液体沟道的上盖板。

其中，所述的液体沟道包含：去离子沟道，设置在去离子沟道两侧的电极对，设置在去离子沟道与电极对之间的介质层，以及与去离子沟道相连通的进口沟道和出口沟道。

所述的出口沟道包含：净水出口沟道，阴离子出口沟道，以及阳离子出口沟道；所述的净水出口沟道用于净化后的液体流出；所述的阴离子出口沟道用于富含阴离子的废液流出；所述的阳离子出口沟道用于富含阳离子的废液流出。

所述的净水出口沟道设置在阴离子出口沟道和阳离子出口沟道之间。

所述的介质层覆盖在电极对的外壁上。

所述的电极对包含正极和负极；所述的正极和负极之间电气隔离。

所述的正极与所述的阴离子出口沟道相邻，所述的负极与所述的阳离子出口沟道相邻。

所述的衬底采用绝缘材料。

所述的介质层采用高介电常数材料，该高介电常数材料包括：硅、五氧化二钽和二氧化硅中的任意一种或两种以上。

本发明还提供了一种上述的基于微流控沟道系统的海水净化装置的制备方法，该制备方法包含：

步骤1：制备所述的液体沟道：在衬底上制备包含入口沟道、去离子沟道、出口沟道的液体沟道；

步骤2：在去离子沟道的两侧制备所述的介质层；

步骤3：制备所述的电极对，电极对之间电气隔离，电极对与去离子沟道之间通过介质层隔离；

步骤4：将制备完成的液体沟道与盖板结合，获得基于微流控沟道系统的海水净化装置。

较佳的，步骤2中制备所述的介质层时，在去离子沟道的两侧制备用以放置电极对的沟槽，该沟槽与去离子沟道中间预留残余衬底材料为介质层；步骤3中所述的电极对放置于所述的沟槽内。

本发明提供的基于微流控沟道系统的海水净化装置及其制备方法，具有以下优点：

（1）本发明的基于微流控沟道系统的海水净化装置的制备能与微纳电子自动化加工工艺相兼容；

（2）本发明的基于微流控沟道系统的海水净化装置能够持续稳定的进行净水过程；

（3）本发明的基于微流控沟道系统的海水净化装置的电极采用金属电极，其易于制备且导电率高，可降低能耗与发热量；

（4）本发明的基于微流控沟道系统的海水净化装置的电极对与去离子沟道间设有介质层，避免了电极接触污染与电化学效应产生有害副产物等问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于微流控沟道系统的海水净化装置的俯视图。

图2为本发明提供的一种基于微流控沟道系统的海水净化装置的纵向剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1和图2所示，分别为本发明提供的一种基于微流控沟道系统的海水净化装置的俯视图和纵向剖视图，该装置包含：衬底500，设置在衬底500上的液体沟道，以及设置在液体沟道上用于定义并密封液体沟道的上盖板600。该液体沟道包含：去离子沟道300，设置在去离子沟道300两侧的电极对400，设置在去离子沟道300与电极对400之间的介质层700，以及与去离子沟道300相连通的进口沟道100和出口沟道200。其中，衬底500采用绝缘材料，介质层700采用高介电常数材料。

上述高介电常数材料应当选用具有一定介电常数与抗击穿能力的不导电物质，优选介电常数高且抗击穿能力强的物质，其包括（但不限于）：硅、五氧化二钽和二氧化硅中的任意一种或两种以上。介质层700的选择还应根据其制备的复杂程度，考虑到制备的简化优选易于在衬底500上制备或其本身可做介质层700的材料，如硅等。

上述出口沟道200包含：净水出口沟道202，阴离子出口沟道201，以及阳离子出口沟道203，净水出口沟道202设置在阴离子出口沟道201和阳离子出口沟道203之间。其中，净水出口沟道202用于净化后的液体流出，阴离子出口沟道201用于富含阴离子的废液流出，阳离子出口沟道203用于富含阳离子的废液流出。

上述电极对400的外壁上覆盖有介质层700，其为立体电极。该电极对400包含正极402和负极401，该正极402和负极401之间电气隔离。其中，正极402与阴离子出口沟道201相邻，负极401与阳离子出口沟道203相邻。电极对400的材料原则上可以由任何导电材料组成，但为了简化制作工艺并与微纳加工技术相兼容，优选为常用电极材料。电极对400的大小、形状、内部组成等在满足功能的前提下并不限定，本说明书仅以一定数目及规格的电极为例，附图只为原理性示意图，并不精确反应器件各部分的位置、排布及尺寸比例，允许在不影响其功能性的前提下对各部件结构及用途进行改进或拓展。

上述微纳加工工艺指的是传统的硅基微电子加工工艺，由于本发明中涉及以光刻等手段进行的图形定义、沟槽刻蚀、金属淀积以及可能存在的介质层薄膜淀积制备等，受加工难易、材料性能、材料间的相互作用等的限制，电极对400的材料包括（但不限于）：重掺杂硅或/和金属，上述金属包括（但不限于）：铝、铜和金中的任意一种或两种以上。

本发明的基于微流控沟道系统的海水净化装置的使用方法如下：

通过机械方法等将液体沟道的入口沟道100与出口沟道200分别引出并与压力设备相连，并将本发明的装置与其他微流控器件相结合，采用微流控操作方法即可自动化实现溶液的各种操作及传感。在使用时，对电极对400施加电压（加电），即电压被置成不为0，在电压作用下通过控制微流控芯片内部的电信号使液体内部离子发生移动，阴离子向正极402方向移动，阳离子向负极401方向移动，对液体进行去离子操作，富含阴离子的废液最终从靠近正极402的阴离子出口沟道201流出，富含阳离子的废液最终从靠近负极401的阳离子出口沟道203流出，净化的水从净水出口沟道202流出，实现了海水的净化。

本发明还提供了基于微流控沟道系统的海水净化装置的制备方法，该制备方法包含（但不限于）：

步骤1：制备液体沟道：通过光刻刻蚀或机械方法等在衬底500上制备包含入口沟道100、去离子沟道300、出口沟道200的液体沟道；

步骤2：制备介质层700：通过光刻刻蚀或机械方法等在去离子沟道300两侧制备用以放置电极对400的沟槽，该沟槽与去离子沟道300中间预留一定厚度的残余衬底材料为介质层700；

步骤3：制备电极对400：通过旋涂、蒸发、溅射成膜等方法在步骤2中制备的沟槽内嵌入电极对400（优选金属电极），电极对400之间电气隔离，电极对400与去离子沟道300之间通过介质层700隔离；

步骤4：通过粘附层、等离子体处理等方式将制备完成的液体沟道与盖板600结合，获得基于微流控沟道系统的海水净化装置。

若上述介质层700的材料选用不同于衬底500的材料时，步骤2制备介质层700的方法为：制备去离子沟道300以及与去离子沟道300直接接触的电极对400，在电极对400的表面通过PVD（物理气相沉积）或CVD（化学气相沉积）等薄膜淀积方式生长一层介质层700。

综上所述，本发明提供的基于微流控沟道系统的海水净化装置能够连续、稳定、可控调节的净化海水，同时又能够与现有微流控技术相兼容的集成化微流控芯片，实现自动化净化海水。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于微流控沟道系统的海水净化装置，其特征在于，该装置包含：

衬底（500），

设置在衬底（500）上的液体沟道，以及

设置在液体沟道上用于定义并密封液体沟道的上盖板（600）；

所述的液体沟道包含：

去离子沟道（300），

设置在去离子沟道（300）两侧的电极对（400），

设置在去离子沟道（300）与电极对（400）之间的介质层（700），以及

与去离子沟道（300）相连通的进口沟道（100）和出口沟道（200）；

所述的出口沟道（200）包含：净水出口沟道（202），阴离子出口沟道（201），以及阳离子出口沟道（203）；所述的净水出口沟道（202）用于净化后的液体流出；所述的阴离子出口沟道（201）用于富含阴离子的废液流出；所述的阳离子出口沟道（203）用于富含阳离子的废液流出。

2.根据权利要求1所述的基于微流控沟道系统的海水净化装置，其特征在于，所述的净水出口沟道（202）设置在阴离子出口沟道（201）和阳离子出口沟道（203）之间。

3.根据权利要求1所述的基于微流控沟道系统的海水净化装置，其特征在于，所述的介质层（700）覆盖在电极对（400）的外壁上。

4.根据权利要求1所述的基于微流控沟道系统的海水净化装置，其特征在于，所述的电极对（400）为立体电极，其包含正极（402）和负极（401）；所述的正极（402）和负极（401）之间电气隔离。

5.根据权利要求4所述的基于微流控沟道系统的海水净化装置，其特征在于，所述的正极（402）与所述的阴离子出口沟道（201）相邻，所述的负极（401）与所述的阳离子出口沟道（203）相邻。

6.根据权利要求1所述的基于微流控沟道系统的海水净化装置，其特征在于，所述的衬底（500）采用绝缘材料。

7.根据权利要求6所述的基于微流控沟道系统的海水净化装置，其特征在于，所述的介质层（700）采用高介电常数材料，该高介电常数材料包括：硅、五氧化二钽和二氧化硅中的任意一种或两种以上。

8.一种根据权利要求1-7中任意一项所述的基于微流控沟道系统的海水净化装置的制备方法，其特征在于，该制备方法包含：

步骤1：制备所述的液体沟道：在衬底（500）上制备包含进口 沟道（100）、去离子沟道（300）、出口沟道（200）的液体沟道；

步骤2：在去离子沟道（300）的两侧制备所述的介质层（700）；

步骤3：制备所述的电极对（400），电极对（400）之间电气隔离，电极对（400）与去离子沟道（300）之间通过介质层（700）隔离；

步骤4：将制备完成的液体沟道与上盖板（600）结合，获得基于微流控沟道系统的海水净化装置。

9.根据权利要求8所述的基于微流控沟道系统的海水净化装置的制备方法，其特征在于，步骤2中制备所述的介质层（700）时，在去离子沟道（300）的两侧制备用以放置电极对（400）的沟槽，该沟槽与去离子沟道（300）中间预留残余衬底材料为介质层（700）；

步骤3中所述的电极对（400）放置于所述的沟槽内。

Images