CN107803228A - 一种自动分离水油混合液滴的装置及其分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动分离水油混合液滴的装置及其分离方法，利用水油液滴润湿性质不同，通过双基板与单基板数字微流控芯片相结合的设计，采用电场驱动方法，通过驱动装置中与控制器相连接的电极序列实现水油混合液滴的自动分离。本发明的优点在于结构简单，能够快速、高效地自动分离微升、纳升级水油混合液滴。分离过程中无需添加化学试剂，没有附加污染。适用于多种水基液滴和多种油滴的分离，适用范围广。

Description

一种自动分离水油混合液滴的装置及其分离方法

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域，具体涉及一种自动分离水油混合液滴的装置及其分离方法。

背景技术

含油废水的处理一直是环保行业关注的问题，在实践中，常常采用添加化学剂的方法，但化学试剂适用面窄，成本高，同时也会给分离后排放液的处理带来新的困难，从而增加了治理有关环境污染问题的难度。采用物理方法，则可以有效地改进和避免这些不足之处。

目前处理含油废水采用的物理方法有重力沉降、离心分离、凝聚法、电分离等，这些方法有些存在用时长、能耗高、费用高的问题，许多情况下需要多种方法组合处理才能达到理想的效果。虽然目前市面上有一些水油分离的装置，但是这些设备通常体积庞大、结构复杂、制作成本高，并且分离的效率有待提高。

数字微流控技术是一种以独立液滴为操控单元的流体控制技术。在片上实验室（Lab-on-a-Chip）的应用中，芯片上的液滴被用作功能性的媒介并实现多种流体操控，包括液滴的运输、分裂、合并和配发等。数字微流控芯片利用电润湿机理实现液滴的片上驱动，常用的数字微流控芯片具有平行双基板结构，液滴置于上下基板之间形成类似三明治的结构。此外还有单基板结构，驱动液滴的机理与平行双基板结构类似。单基板结构的高电平与接地电极都在同一个基板上。但是数字微流控芯片中的单、双基板结构都不能单独分离水油混合液滴。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动分离水油混合液滴的装置及其分离方法，可以自动实现多种水基液滴和多种油滴的分离。

本发明目的的技术解决方案为：一种自动分离水油混合液滴的装置，包括第一疏水层、导电层、上基板、介电层、下基板、控制器、第二疏水层、若干个第一方形电极和若干个第二方形电极，上基板宽度与下基板相同，上基板长度小于下基板的长度，上基板平行设置在下基板上方形成微流通道，若干个第一方形电极依次间隔设置在上基板正下方的下基板顶面，若干个第二方形电极平均分为两排，依次间隔设置在下基板顶面，且其上方无上基板；上基板底面设有导电层，介电层设置在下基板、若干个第一方形电极和若干个第二方形电极上，第一疏水层包裹导电层和上基板，介电层顶面设有第二疏水层，若干个第一方形电极和若干个第二方形电极分别与控制器相连。

一种自动分离水油混合液滴的装置的分离方法，方法步骤如下：

步骤1、通过控制器控制第二方形电极的通断电，将水油混合液滴由下基板的一端驱动至上基板边缘的刀切面部分；

步骤2、当水油混合液滴被驱动到上基板边缘的刀切面部分时，油滴会自动进入由上基板、下基板和垫片构成的微流通道中，水滴则留在微流通道外侧；

步骤3、通过控制器控制第一方形电极的通断电，将油滴驱动至油滴收集点进行回收或后续处理，同时通过控制器控制第二方形电极的通断电，将水滴驱动至水滴收集点进行回收或后续处理。

本发明与现有技术相比，其显著有点在于：

（1）可以实现微升、纳升级微小水油混合液滴的分离，大大提高了分离纯净度。

（2）装置结构简单，只有上、下两个基板和起到支撑作用的垫片，制作工艺简便。

（3）利用控制器的设置，可以自动实现水油液滴的分离，大大提高分离效率。

（4）无需添加化学试剂，没有附加污染。适用于多种水基和多种油的分离，适用范围广。

附图说明

图1是本发明一种自动分离水油混合液滴装置的侧视图，其中（a）为驱动水油混合液滴阶段，（b）为水油混合液滴分离阶段，（c）为分别驱动油滴和水滴的阶段。

图2是本发明一种自动分离水油混合液滴装置的俯视图，其中（a）为驱动水油混合液滴阶段，（b）为水油混合液滴分离阶段，（c）为分别驱动油滴和水滴的阶段。

其中1是第一疏水层、2是导电层、3是上基板、4是介电层、5是第一方形电极、6是第二方形电极、7是水滴、8是油滴、9是下基板、10是第二疏水层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细描述。

利用数字微流控技术，由控制器控制第二方形电极6将水油混合液滴驱动至上基板3的边缘的刀切面处，由于水和油的润湿性质不同，油滴8会自动进入到由上基板3、下基板9和垫片组成的微流通道中。而水滴则留在微流通道外侧，之后由控制器控制第一方形电极5和第二方形电极6将油滴8和水滴7分别驱动至油滴和水滴收集处，从而实现水油液滴的自动分离。

所述上基板3与水油混合液滴接触的一侧设有斜面，形成刀切面，这种设计的作用是减小水滴7在离开上基板3时的粘附阻力，使水滴7与上基板3顺利分离。分离后的水滴7外会残留一层油膜，但残留的体积很少，油膜厚度小于100nm。整个水油液滴的分离过程不需要化学试剂就可以实现水油液滴的精确分离，避免了化学试剂的二次污染。

本发明实现了水油混合液滴的精确分离，在含油污水处理以及原油二次提纯方面均有广泛的应用前景。

结合图1，一种自动分离水油混合液滴的装置，包括第一疏水层1、导电层2、上基板3、介电层4、下基板9、控制器、第二疏水层10、若干个第一方形电极5和若干个第二方形电极6，上基板3宽度与下基板9相同，上基板3长度小于下基板9的长度，这是将水油混合液滴成功分离的关键，上基板3平行设置在下基板9上方形成微流通道，若干个第一方形电极5依次间隔设置在上基板3正下方的下基板9顶面，上基板3、及其正下方的下基板9、若干个第一方形电极5共同构成双基板结构。若干个第二方形电极6平均分为两排，依次间隔设置在下基板9顶面，且其上方无上基板3；上基板3底面设有导电层2，介电层4设置在下基板9、若干个第一方形电极5和若干个第二方形电极6上，第一疏水层1包裹导电层2和上基板3，介电层4顶面设有第二疏水层10，若干个第一方形电极5和若干个第二方形电极6分别与控制器相连。上方没有上基板3的下基板9和第二方形电极6构成单基板结构。

所述上基板3与水油混合液滴接触的一端设有斜面，形成刀切面，这种设计的作用是减小水滴7在离开上基板3时的粘附阻力，使水滴7与上基板3顺利分离。

所述自动分离水油混合液滴的装置，还包括若干垫片，若干垫片分别设置在微流通道两侧，均与上基板3和下基板9固连。这种设计的目的是支撑上基板3同时形成微流通道，所述垫片可以是圆柱型、长方体型或其他形状，材料可以是双面胶或SU-8或其他材料。

所述第一方形电极5的面积大于第二方形电极6的面积。所述两排第二方形电极6中有一排始终接地，另外一排由控制器控制上述电极改变电信号。

结合图2，一种基于自动分离水油混合液滴的装置的分离方法，方法步骤如下：

步骤1、通过控制器控制第二方形电极6的通断电，将水油混合液滴由下基板9的一端驱动至上基板3边缘的刀切面部分。

步骤2、当水油混合液滴被驱动到上基板3边缘的刀切面部分时，油滴8会自动进入由上基板3、下基板9和垫片构成的微流通道中，水滴7则留在微流通道外侧。

步骤3、通过控制器控制第一方形电极5的通断电，将油滴8驱动至油滴收集点进行回收或后续处理，同时通过控制器控制第二方形电极6的通断电，将水滴7驱动至水滴收集点进行回收或后续处理。

本发明所述自动分离水油混合液滴装置的制备工艺如下：

1.采用玻璃板作为下基板9，在下基板9上采用磁控溅射或者蒸镀等其他工艺制备一层金属电极，如铝电极。通过光刻及湿法刻蚀的方法形成数字微流控驱动电极，即第一方形电极5和第二方形电极6，所述第一方形电极5的面积大于第二方形电极6的面积。

2.通过化学气相沉积或者其他镀膜方法制作介质层4，优选介电常数高、抗击穿能力强的绝缘材料，如Parylene。

3.通过旋涂的方法制备第二疏水层10，材料选用Teflon-AF或者Cytop。

4.采用玻璃板作为上基板3，在上基板3上采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）或者其他镀膜工艺制备导电薄膜，优选为透光率高的薄膜层，如氧化铟锡，作为导电层2。

5. 利用打磨抛光工艺，在上基板3的边缘制作一个设有斜面，形成刀切面。

6.采用提拉镀膜的方法制作第一疏水层1，所述疏水层1不仅设置在上基板3的下表面，在其上表面和边缘斜面都涂覆第一疏水层1，这样有利于水油液滴分离过程中，水滴与上基板3的分离。

自动分离水油混合液滴装置的特点在于可以分离微升、纳升级微小液滴，所以该装置可以被用于含油污水的处理和原油的二次提纯领域。该装置不仅结构简单且可以避免在污水处理中使用化学试剂造成的二次污染。

Claims (6)

1.一种自动分离水油混合液滴的装置，其特征在于：包括第一疏水层（1）、导电层（2）、上基板（3）、介电层（4）、下基板（9）、控制器、第二疏水层（10）、若干个第一方形电极（5）和若干个第二方形电极（6），上基板（3）宽度与下基板（9）相同，上基板（3）长度小于下基板（9）的长度，上基板（3）平行设置在下基板（9）上方，形成微流通道，若干个第一方形电极（5）依次间隔设置在上基板（3）正下方的下基板（9）顶面，若干个第二方形电极（6）平均分为两排，依次间隔设置在下基板（9）顶面，且其上方无上基板（3）；上基板（3）底面设有导电层（2），介电层（4）设置在下基板（9）、若干个第一方形电极（5）和若干个第二方形电极（6）上，第一疏水层（1）包裹导电层（2）和上基板（3），介电层（4）顶面设有第二疏水层（10），若干个第一方形电极（5）和若干个第二方形电极（6）分别与控制器相连。

2.根据权利要求1所述的自动分离水油混合液滴的装置，其特征在于：上基板（3）与水油混合液滴接触的一端设有斜面，形成刀切面。

3.根据权利要求1所述的自动分离水油混合液滴的装置，其特征在于：还包括若干垫片，若干垫片分别设置在微流通道两侧，均与上基板（3）和下基板（9）固连。

4.根据权利要求3所述的自动分离水油混合液滴的装置，其特征在于：所述垫片采用任意形状。

5.根据权利要求2所述的自动分离水油混合液滴的装置，其特征在于：所述第一方形电极（5）的面积大于第二方形电极（6）的面积。

6.一种基于权利要求1至5中任意一项所述的自动分离水油混合液滴的装置的分离方法，其特征在于，利用水油液滴润湿性质不同，通过双基板与单基板数字微流控芯片相结合的设计，采用电场驱动方法实现水油混合液滴的自动分离，方法步骤如下：

步骤1、通过控制器控制第二方形电极（6）的通断电，将水油混合液滴由下基板（9）的一端驱动至上基板（3）边缘的刀切面部分；

步骤2、当水油混合液滴被驱动到上基板（3）边缘的刀切面部分时，油滴（8）会自动进入由上基板（3）、下基板（9）和垫片构成的微流通道中，水滴（7）则留在微流通道外侧；

步骤3、通过控制器控制第一方形电极（5）的通断电，将油滴（8）驱动至油滴收集点进行回收或后续处理，同时通过控制器控制第二方形电极（6）的通断电，将水滴（7）驱动至水滴收集点进行回收或后续处理。