CN107313752A - 基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置和采运方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体操控技术领域，公开了一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置和采运方法，疏水润滑液浸润低表面能的微/纳米尺度多孔基底形成超润滑气体输运界面，微/纳米尺度多孔基底一端固定加热气化元件形成运输结构单元，一个运输结构单元单独设置或者多个运输结构单元间隔层状排列构成可燃冰采运装置。加热气化元件插入可燃冰层且使可燃冰采运装置以一定倾斜角度设置，原位加热气化的甲烷气泡在接触到超润滑气体输运界面之时自发被捕获，浮力作用下甲烷气泡在开放的超润滑气体输运界面上向上输运，同时泥沙、岩石等杂质被留在低层，从而实现可燃冰的原位气化采运，能够保证原位、连续、高效的收集海底可燃冰。
Description
技术领域
本发明属于流体操控技术领域，具体地说，是涉及一种具有气泡诱导生成和输运功能的可燃冰采运装置和采运方法。
背景技术
利用固体与流体间的特殊相互作用来调控流体的生成、输运、合并及分离行为，是当今科学技术研究的关键生长点。具有特殊表面浸润性的材料，因其与流体具有较强的相互作用力，被大量的应用于流体输运界面的构建之中。作为一种重要的流体，水下气体在众多自然及工业过程中发挥了极大的作用，例如自然界中的潜水钟蜘蛛利用其超亲气外壳将氧气带入水下，从而实现水下生存。工业中的暴气、增氧、以及电解过程，也是气-液作用的重要应用领域。在水下环境中，具有疏水性的界面往往对气体具有一定的捕获收集能力，这为进一步构建具有气体操控能力的功能界面提供了思路。
能源是人类发展的血液，在化石燃料大量消耗的今天，对于海底可燃冰的开采，已经成为各个国家争夺的新兴能源领域。开采可燃冰中一个重要方法就是将其加热气化，原位收集生成的甲烷气体。然而，由于深海环境中压强较大，利用管式封闭气路容易海水倒灌，同时由于可燃冰往往伴随泥沙，管路的污染与堵塞也会降低开采效率、加大开采难度。因此开发一种非管式、耐高压、可整合的气体输运界面以及对应的海底可燃冰开采系统就显得尤为重要。
发明内容
本发明要解决的是海底可燃冰开采技术中管式封闭气路存在的各种技术问题，提供了一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置和采运方法，利用低表面能的微/纳米尺度多孔基底吸附疏水润滑液形成具有超润滑气体输运界面，并在浸润有疏水润滑液的低表面能的微/纳米尺度多孔基底一端固定有加热气化元件构成运输结构单元；单个或多个运输结构单元构成开放式或通道式的可燃冰采运装置；采运时加热气化元件插入可燃冰层，低表面能的微/纳米尺度多孔基底以一定倾斜角度设置，即可用于海底可燃冰的原位气化与甲烷气泡定向运输，为海底可燃冰的原位开采提供了一种新型有效的可行方案。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置，包括低表面能的微/纳米尺度多孔基底；所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底浸润有疏水润滑液，形成超润滑气体输运界面；
浸润有疏水润滑液的所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底一端固定有加热气化元件构成运输结构单元；
一个运输结构单元单独设置或者多个运输结构单元间隔层状排列，构成能使气泡在所述超润滑气体输运界面运输的可燃冰采运装置；
可燃冰采运装置的所述加热气化元件用于插入于可燃冰层，并且所述低表面能的微/ 纳米尺度多孔基底以大于20°小于90°的倾斜角度设置。
其中，所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底由微/纳米尺度多孔基底经过低表面能处理得到，所述微/纳米尺度多孔基底为纸基板、纤维素基板、玻璃纤维板、混凝土板、氧化铝板、铜板、ABS板中的一种。
其中，所述微/纳米尺度多孔基底具有孔径为10～5000nm的微/纳米多孔结构。
其中，所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底浸润有疏水润滑液，是指所述疏水润滑液吸附于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底内部的微-纳米多孔结构中并附着于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底表面，其中附着于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底表面的所述疏水润滑液厚度为10～200微米。
其中，所述疏水润滑液为全氟硅油、二甲基硅油、石蜡油中的一种。
其中，所述疏水润滑液的沸点为150℃-300℃。
其中，每个运输结构单元的宽度为0.1-1m，多个运输结构单元间隔层状排列的间距为 5-50mm。
其中，所述加热气化元件在所述运输结构单元的一端与所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底相接触且螺旋排列或多层排列。
一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运方法，该方法按照以下步骤进行：
(1)制备微/纳米尺度多孔基底，并对所述微/纳米尺度多孔基底进行低表面能处理，得到低表面能的微/纳米尺度多孔基底；
(2)将所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底在所述疏水润滑液中浸泡0.5-2小时后取出，水洗去除表面多余的所述疏水润滑液，所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底浸润有所述疏水润滑液形成超润滑气体输运界面；
(3)在浸润有所述疏水润滑液的所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底的一端固定加热气化元件，形成运输结构单元；
(4)一个运输结构单元单独设置或者多个运输结构单元间隔层状排列，构成能使气泡在所述超润滑气体输运界面运输的可燃冰采运装置；
(5)将可燃冰采运装置的所述加热气化元件插入可燃冰层，并且使低表面能的微/纳米尺度多孔基底以大于20°小于90°的倾斜角度设置；所述加热气化元件原位加热气化可燃冰层中的甲烷成分，溢出的甲烷气泡在接触到所述超润滑气体输运界面之时自发被捕获，浮力作用下甲烷气泡在所述超润滑气体输运界面上向上输运，同时泥沙、岩石等杂质被留在低层，从而实现可燃冰的原位气化采运。
其中：
所述微/纳米尺度多孔基底为纤维素板、混凝土板、氧化铝板、铜板、ABS板中的一种；
所述微/纳米尺度多孔基底具有孔径为10～5000nm的微/纳米多孔结构；
所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底浸润有疏水润滑液，是指所述疏水润滑液吸附于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底内部的微-纳米多孔结构中并附着于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底表面，其中附着于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底表面的所述疏水润滑液厚度为10～200微米；
所述疏水高沸点润滑液为全氟硅油、二甲基硅油、石蜡油中的一种；
所述疏水润滑液的沸点为150℃-300℃；
每个运输结构单元的宽度为0.1-1m，多个运输结构单元间隔层状排列的间距为5-50mm；
所述加热气化元件在所述运输结构单元的一端与所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底相接触且螺旋排列或多层排列。
本发明的有益效果是：
本发明的基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置和采运方法，可原位气化海底可燃冰等气体源，并使气化后的气体在加热溢出之后快速被气体输运界面所捕获，实现良好的甲烷气泡快速定向运输功能，保证原位、连续、高效的收集海底可燃冰。本发明制备成本低廉，原料广泛易得，材料可选性强，生产工艺简单，适合大规模生产和推广应用，可以在高压力及高温下实现气体输运，并且可以应用深海等严酷环境；对于可燃冰气化、收集及输运的作用明显，可以实现在开放界面下的实现气体定向传输，保证高效、快速、安全的气体生产及传输过程，不仅为海底可燃冰开采提供了新思路，也适用于其他类型的水下原位气泡的原位开采和收集运输。
附图说明
图1是本发明提供的可燃冰采运装置的结构示意图；
图2是本发明提供的可燃冰采运装置中超润滑气体输运界面的结构示意图；
图3是本发明提供的可燃冰采运装置的使用状态示意图；
图4是本发明超润滑气体输运界面的水下气泡输运的摄像机拍摄截图。
上述图1和图中：1-低表面能的微/纳米尺度多孔基底；2-疏水润滑液；3-加热气化元件。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述：
以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图1和图2所示，本发明提供了一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置，该装置首先包括一个低表面能的微/纳米尺度多孔基底1，低表面能的微/纳米尺度多孔基底 1浸润有疏水润滑液2，形成超润滑气体输运界面。超润滑气体输运界面是指水下环境中表面吸附有疏水润滑液层的界面。
低表面能的微/纳米尺度多孔基底1由微/纳米尺度多孔基底制备而成，微/纳米尺度多孔基底具有孔径为10～5000nm的微/纳米多孔结构，这些微/纳米多孔结构形成互通的网络结构。微/纳米尺度多孔基底可选用纤维素板、混凝土板、氧化铝板、铜板、ABS板等能加工能改性的基地材料制成，其形状通常为长条状的平板结构，也可以将其截面变形为弧形、折线形、波浪形等开放式结构，以使气泡可沿长条形开放式界面向上进行输运而同时固体杂质不向上运输；微/纳米尺度多孔基底的长度根据工况任意设定，宽度一般在0.1-1m范围内，此宽度条件下能够较好的保证气泡可以被界面捕获并且稳定输运。
低表面能的微/纳米尺度多孔基底1由微/纳米尺度多孔基底经过低表面能处理得到，微/纳米尺度多孔基底在进行低表面能处理后，与疏水性润滑液2具有较强的相互作用，使其在水下环境可以稳定于材料表面。低表面能处理是指利用化学或物理手段形成水滴接触角大于120°的界面的方法，其具体实现手段有很多且均为成熟的现有技术，此处不再一一列举。
如图2所示，低表面能的微/纳米尺度多孔基底1浸润有疏水润滑液2，经过疏水润滑液2浸润的表面具有可滑动的接触表面，可使气泡在界面上更容易滑动。疏水润滑液可选用全氟硅油、二甲基硅油、石蜡油等高沸点且具有疏水特性的润滑液，其沸点一般在 150℃-300℃范围内。疏水润滑液2吸附于低表面能的微/纳米尺度多孔基底1内部的微- 纳米多孔结构中，并附着于低表面能的微/纳米尺度多孔基底表面1，其中附着于低表面能的微/纳米尺度多孔基底1表面的疏水润滑液厚度一般为10～200微米。
低表面能的微/纳米尺度多孔基底1一端固定有加热气化元件3，加热气化元件3可以是电热丝、电热板、热电偶等利用焦耳效应加热的电热元件制成。加热气化元件3用于原位气化可燃冰并帮助气体在溢出后快速被超润滑气体输运界面捕获，因此加热气化元件3应与低表面能的微/纳米尺度多孔基底1相接触，如嵌装或粘贴于低表面能的微/纳米尺度多孔基底1，此时低表面能的微/纳米尺度多孔基底1可通过数控加工、3D打印和激光雕刻等微加工工艺预设安装槽。加热气化元件3以在低表面能的微/纳米尺度多孔基底1的端部螺旋排列或多层排列为佳，这样可以使加热气化的小气泡更快速、稳定的被超润滑气体输运界面所捕获，从而实现可燃冰原位气化-捕获-输运的全过程。
如图3和图4所示，浸润有疏水润滑液2的低表面能的微/纳米尺度多孔基底1安装加热气化元件3后构成运输结构单元。可燃冰采运装置可以由一个运输结构单元单独设置构成开放式结构，也可以由多个运输结构单元以5-50mm的间隔层状排列构成通道式结构，从而使气体在可燃冰采运装置表面或层间快速运输。使用时，可燃冰采运装置的加热气化元件3插入于可燃冰层，并且低表面能的微/纳米尺度多孔基底1以大于20°小于90°的倾斜角度设置，该角度范围能够保证气体在超润滑气体输运界面上以浮力为驱动进行输运。加热气化元件3原位加热气化可燃冰层中的甲烷成分，溢出的甲烷气泡在接触到超润滑气体输运界面之时，会自发被超润滑气体输运界面所快速捕获(甲烷气泡与超润滑气体输运界面接触后可在50毫秒之内被稳定吸附)，甲烷气泡进而富集并长大。在浮力的作用下，甲烷气泡会在开放的或通道内的超润滑气体输运界面上向上输运。输运速度在30°倾斜角时可以达到20mm/s，输运速度随着倾斜角度的增大而增大，随着气泡大小的变化而发生一定变化，最大速率可以达到1m/s。最终，泥沙、岩石等杂质会被留在低层，从而实现可燃冰的原位气化和开采运送。
本发明还提供了上述基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置的采运方法，具体按照如下步骤进行：
(1)制备微/纳米尺度多孔基底，并对微/纳米尺度多孔基底进行低表面能处理，得到低表面能的微/纳米尺度多孔基底1；
(2)将低表面能的微/纳米尺度多孔基底1在疏水润滑液中浸泡0.5-2小时后取出，水洗5分钟去除表面多余的疏水润滑液，此时低表面能的微/纳米尺度多孔基底1浸润有疏水润滑液2形成超润滑气体输运界面；
(3)在浸润有疏水润滑液2的低表面能的微/纳米尺度多孔基底1的一端固定加热气化元件3，形成运输结构单元；
(4)一个运输结构单元单独设置或者多个运输结构单元间隔层状排列，构成能使气泡在超润滑气体输运界面运输的可燃冰采运装置；
(5)将可燃冰采运装置的加热气化元件3插入可燃冰层，并且使低表面能的微/纳米尺度多孔基底1以大于20°小于90°的倾斜角度设置；加热气化元件3原位加热气化可燃冰层中的甲烷成分，溢出的甲烷气泡在接触到超润滑气体输运界面之时自发被捕获，浮力作用下甲烷气泡在超润滑气体输运界面上向上输运，同时泥沙、岩石等杂质被留在低层，从而实现可燃冰的原位气化采运。
实施例1：
将疏水二氧化硅纳米粒子(一次粒子直径7～10nm，表面由疏水性基团覆盖)与聚二甲基硅氧烷预聚物(热固型硅橡胶)分散于低级性有机溶剂之中(如正己烷、环己烷或石油醚)，二者质量比1：2到2：1之间。将商品化滤纸、纤维素板或ABS板浸泡于上述溶液之中10分钟，后将处理后的板材在烘箱中80度加热固化1小时，得到具有低表面能的微/纳米尺度多孔基底1。利用全氟硅油浸润所得低表面能的微/纳米尺度多孔基底1，得到超润滑气体输运界面。利用激光刻蚀方法在商品化滤纸、纤维素板或ABS板一端雕刻出通孔阵列，进而将细电热丝以编制方法穿过通孔阵列，固定于低表面能的微/纳米尺度多孔基底1，电热丝两端利用焊锡与导线相连。将制备的装置置于水下后通低压直流电，在电热作用下水下低沸点有机相被气化，生成的小气泡被气体输运界面捕获并沿着气体输运界面快速传递，实现水下有机相的原位气化+输运过程。
实施例2
将商品化混凝土板、氧化铝板、玻璃纤维板等表面利用疏水硅烷偶联剂(正十二烷基三甲氧基硅烷、正辛烷基三甲氧基硅烷、正十二烷基三氯硅烷等)进行处理(所用醇溶液的质量分数在1～10％之间)。后利用二甲基硅油(50cp)对改性的板材进行浸润。在混凝土板、氧化铝板、玻璃纤维板等一端进行微加工雕刻，按照电热丝尺寸进行开槽，将螺旋状电热丝置于一端的槽中。电热丝两段接电，用于电热丝加热。将两片功能化的混凝土板叠层组装，中间间隙小于50mm。所制备得到的可燃冰开采装置可以简单在开放水环境下进行测试，将装置通电，在电热作用下，水下低沸点有机相气化，生成的小气泡在两片混凝土气体输运界面之间连续收集并滑动输运，实现水下有机相原位气化+输运过程。
实施例3
将商品化的紫铜板浸泡于氢氧化钠/过硫酸铵的混合溶液之中，反应5～60分钟，使其表面形成氧化铜-氢氧化铜的微纳米复合多孔结构。将所得的紫铜板浸入疏水性硫醇溶液之中(全氟化硫醇、烷基硫醇、烷基酸等，醇溶液浓度在1～20毫摩尔每升)，处理3～24小时。反应后的紫铜板利用组装方法得到多层结构，并将组合紫铜板浸入石蜡油之中浸润10～30 分钟后取出。利用粘结方法将电热丝及导线固定在组合紫铜板的一端，得到开采装置。将制备的装置置于水下后通电，在电热作用下水下低沸点有机相被气化，生成的小气泡被气体输运界面捕获并沿着气体输运界面快速传递，实现水下有机相的原位气化+输运过程。
尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置，其特征在于，包括低表面能的微/纳米尺度多孔基底；所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底浸润有疏水润滑液，形成超润滑气体输运界面；
浸润有疏水润滑液的所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底一端固定有加热气化元件构成运输结构单元；
一个运输结构单元单独设置或者多个运输结构单元间隔层状排列，构成能使气泡在所述超润滑气体输运界面运输的可燃冰采运装置；
可燃冰采运装置的所述加热气化元件用于插入于可燃冰层，并且所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底以大于20°小于90°的倾斜角度设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置，其特征在于，所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底由微/纳米尺度多孔基底经过低表面能处理得到，所述微/纳米尺度多孔基底为纸基板、纤维素基板、玻璃纤维板、混凝土板、氧化铝板、铜板、ABS板中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置，其特征在于，所述微/纳米尺度多孔基底具有孔径为10～5000nm的微/纳米多孔结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置，其特征在于，所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底浸润有疏水润滑液，是指所述疏水润滑液吸附于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底内部的微-纳米多孔结构中并附着于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底表面，其中附着于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底表面的所述疏水润滑液厚度为10～200微米。
5.根据权利要求1所述的一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置，其特征在于，所述疏水润滑液为全氟硅油、二甲基硅油、石蜡油中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置，其特征在于，所述疏水润滑液的沸点为150℃-300℃。
7.根据权利要求1所述的一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置，其特征在于，每个运输结构单元的宽度为0.1-1m，多个运输结构单元间隔层状排列的间距为5-50mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运装置，其特征在于，所述加热气化元件在所述运输结构单元的一端与所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底相接触且螺旋排列或多层排列。
9.一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运方法，其特征在于，该方法按照以下步骤进行：
(1)制备微/纳米尺度多孔基底，并对所述微/纳米尺度多孔基底进行低表面能处理，得到低表面能的微/纳米尺度多孔基底；
(2)将所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底在所述疏水润滑液中浸泡0.5-2小时后取出，水洗去除表面多余的所述疏水润滑液，所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底浸润有所述疏水润滑液形成超润滑气体输运界面；
(3)在浸润有所述疏水润滑液的所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底的一端固定加热气化元件，形成运输结构单元；
(4)一个运输结构单元单独设置或者多个运输结构单元间隔层状排列，构成能使气泡在所述超润滑气体输运界面运输的可燃冰采运装置；
(5)将可燃冰采运装置的所述加热气化元件插入可燃冰层，并且使低表面能的微/纳米尺度多孔基底以大于20°小于90°的倾斜角度设置；所述加热气化元件原位加热气化可燃冰层中的甲烷成分，溢出的甲烷气泡在接触到所述超润滑气体输运界面之时自发被捕获，浮力作用下甲烷气泡在所述超润滑气体输运界面上向上输运，同时泥沙、岩石等杂质被留在低层，从而实现可燃冰的原位气化采运。
10.根据权利要求9所述的一种基于超润滑气体输运界面的可燃冰采运方法，其特征在于，
所述微/纳米尺度多孔基底为纤维素板、混凝土板、氧化铝板、铜板、ABS板中的一种；
所述微/纳米尺度多孔基底具有孔径为10～5000nm的微/纳米多孔结构；
所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底浸润有疏水润滑液，是指所述疏水润滑液吸附于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底内部的微-纳米多孔结构中并附着于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底表面，其中附着于所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底表面的所述疏水润滑液厚度为10～200微米；
所述疏水高沸点润滑液为全氟硅油、二甲基硅油、石蜡油中的一种；
所述疏水润滑液的沸点为150℃-300℃；
每个运输结构单元的宽度为0.1-1m，多个运输结构单元间隔层状排列的间距为5-50mm；
所述加热气化元件在所述运输结构单元的一端与所述低表面能的微/纳米尺度多孔基底相接触且螺旋排列或多层排列。
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