CN108287122B - 一种纳米通道中液体流动特征的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够实现亚微米‑纳米尺度下对液体流动进行实验研究、操作简便的纳米通道中液体流动特征的实验方法，解决了以往的纳米通道中的研究一般用分子动力学模拟的方法，很少采用实验的方法，而液体在纳米尺度下的受力情况远不同于宏观尺度下(1mm‑1m)，其流量或者远大于传统理论预测的流量，或者远小于传统理论预测的流量，无法进行准确测量的问题。

Description

一种纳米通道中液体流动特征的实验方法

技术领域

本发明涉及一种实验方法领域，尤其涉及一种能够实现纳米尺度下对液体流动进行实验研究、操作简便的纳米通道中液体流动特征的实验方法。

背景技术

近20年来，随着微纳技术的日渐应用，液体在纳米通道内的流动特征受到了人们的关注，以往的纳米通道中的研究一般用分子动力学模拟的方法，很少采用实验的方法。液体在纳米尺度下的受力情况远不同于宏观尺度下(1mm-1m)，其流量或者远大于传统理论预测的流量，或者远小于传统理论预测的流量。液体在纳米尺度下流动特征的明确，有利于在生物技术、污染处理、油气田开发中效率的提高。

在现有技术中用于微纳尺度的纳米管束中最多的是碳纳米管，但是由于碳纳米管一般小到单分子的直径或者单一的纳米刻蚀通道，流量太小难以检测，因此常规的实验根本无法对液体的流动特征进行测量。

发明内容

为解决以往的纳米通道中的研究一般用分子动力学模拟的方法，很少采用实验的方法，而液体在纳米尺度下的受力情况远不同于宏观尺度下(1mm-1m)，其流量或者远大于传统理论预测的流量，或者远小于传统理论预测的流量，无法进行准确预测和测量的问题，本发明提供了一种能够实现纳米尺度下对液体流动进行实验研究、操作简便的纳米通道中液体流动特征的实验方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，所述纳米通道中液体流动特征的实验方法包括以下步骤：

1)选择25～125纳米孔径的氧化铝纳米膜，并用扫描电镜测量其准确的直径和孔密度；

2)向液体罐中加入经紫外光杀菌、用25纳米孔径规格的纳米膜过滤后的去离子水；

3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；

4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将通道束薄膜夹紧密封；

5)利用高纯氮气作为动力源，对整个实验体系加压驱替，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，液体流量由光电位移检测仪测量得到；

6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的去离子水的流量，重复5～10次，取平均值；其中步骤1)所述的去离子水电导率小于10μs/cm，所述步骤5)结束后小心取下通道束薄膜，检查通道束薄膜是否破损，若通道束薄膜破损则舍弃数据，重新进行测量，若通道束薄膜无破损，则数据有效，对其进行记录并整合分析。

所述实验方法操作简便，多次测量取均值。

作为优选，步骤3)所述的上下夹具由两个夹具组成，分别称为上夹具和下夹具，上下夹具上设有一个直径为20～25mm的玻璃砂岩岩心柱。

作为优选，所述玻璃砂岩岩心柱上均匀密布有孔径为0.095～0.105mm的小通孔。

作为优选，步骤3)所述通道束薄膜包括氧化铝纳米膜。

作为优选，所述氧化铝纳米膜孔径规格为25～125nm。

作为优选，所述氧化铝纳米膜包括125nm、90nm、65nm和25nm中任意一种孔径规格的氧化铝纳米膜。

作为优选，进行步骤3)所述加压驱替步骤时，所施加的压力差为0～3500MPa/m。

作为优选，对有效数据进行整合分析，结合Hagen-Poiseuille方程与实验数据进行计算和验证，得到Hagen-Poiseuille方程的修正公式：

式中N为流经的所有通道总数量，μ_w为水的粘度系数，

为压力梯度，σ为静水边界层厚度，π为圆周率，r₀为管半径，Q_ex为修正泊肃叶理论公式后计算所得的理论流量。

利用所述纳米通道中液体流动特征的实验方法，可对液体在纳米尺度下的流量进行测量，并通过不同条件下进行实验得到不同条件的数据，对数据结合Hagen-Poiseuille方程计算和分析，可对Hagen-Poiseuille方程进行验证或修正，并明确液体在纳米尺度下的流动特征。

流量与压力的关系式Hagen-Poiseuille方程(又称泊肃叶理论公式、泊肃叶方程)：

上述式中，π为圆周率，r为流速计算点至管轴心的距离，r₀为管半径，p为压力，l为管长度，τ为剪切力，d为微分符号，v为流速，μ为剪切变形速率，式(10)中

为压力梯度，Δp为管长度为l时所产生的压力差，π为圆周率，l为管长度，μ为剪切变形速率，d为孔径。

本发明的有益效果是：

1)解决了现有技术中无法对液体在纳米尺度下的受力情况进行准确测量的问题，提供了一种可对液体在纳米尺度下的受力情况进行准确测量的实验方法；

2)本实验方法操作简单，仪器设备较简单，具有测量高效快速、成本低的优点；

3)采用氧化铝纳米膜作为通道束薄膜替代了传统碳纳米管，提高了液体流量，使得测量更加准确并降低了一定的实验要求。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为在孔径125nm通道内实验流量与压力梯度的关系；

图3为在孔径90nm通道内实验流量与压力梯度的关系；

图4为在孔径65nm通道内实验流量与压力梯度的关系；

图5为在孔径25nm通道内实验流量与压力梯度的关系；

图6为在孔径125nm通道内实验流量与泊肃叶理论公式计算得到理论流量的对比图；

图7为在孔径90nm通道内实验流量与泊肃叶理论公式计算得到理论流量的对比图；

图8为在孔径65nm通道内实验流量与泊肃叶理论公式计算得到理论流量的对比图；

图9为在孔径25nm通道内实验流量与泊肃叶理论公式计算得到理论流量的对比图；

图10为液体在孔径125nm通道内边界粘附层的厚度占孔径的比例随驱替压力的变化关系图；

图11为液体在孔径90nm通道内边界粘附层的厚度占孔径的比例随驱替压力的变化关系图；

图12为液体在孔径65nm通道内边界粘附层的厚度占孔径的比例随驱替压力的变化关系图；

图13为液体在孔径25nm通道内边界粘附层的厚度占孔径的比例随驱替压力的变化关系图；

图14为液体在所有纳米孔径条件下的边界层厚度占孔径比例随压力梯度的变化关系图；

图中，1液体罐，2压力测量仪，3温度测量仪，401上夹具，402下夹具，5通道束薄膜，6耐高压的塑料软管，7光电位移检测仪，Q_hp表示由传统泊肃叶理论公式计算所得的理论流量，Q_exp表示实验流量。

具体实施方式

下面结合本发明实施例和附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

搭建如图1所示的装置示意图。

实施例1

一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，所述纳米通道中液体流动特征的实验方法包括以下步骤：

1)选择125纳米孔径的氧化铝纳米膜，并用扫描电镜测量其准确的直径和孔密度；

2)向液体罐中加入经紫外光杀菌、用25纳米孔径规格的纳米膜过滤后的去离子水；

3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；

4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将孔径规格为125nm的氧化铝纳米膜夹紧密封；

5)利用高纯氮气作为动力源，对整个实验体系加压驱替，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，液体流量由光电位移检测仪测量得到；

6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的去离子水的流量，重复10次，取平均值；

其中步骤1)所述的去离子水电导率小于10μs/cm，所述步骤5)结束后小心取下孔径规格为125nm的氧化铝纳米膜，对孔径规格为125nm的氧化铝纳米膜进行检查，孔径规格为125nm的氧化铝纳米膜无破损，数据有效并对其记录。

实施例2

一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，所述纳米通道中液体流动特征的实验方法包括以下步骤：

1)选择90纳米孔径的氧化铝纳米膜，并用扫描电镜测量其准确的直径和孔密度；

2)向液体罐中加入经紫外光杀菌、用25纳米孔径规格的纳米膜过滤后的去离子水；

3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；

4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将孔径规格为90nm的氧化铝纳米膜夹紧密封；

5)利用高纯氮气作为动力源，对整个实验体系加压驱替，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，液体流量由光电位移检测仪测量得到；

6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的去离子水的流量，重复10次，取平均值；

其中步骤1)所述的去离子水电导率小于10μs/cm，所述步骤5)结束后小心取下孔径规格为90nm的氧化铝纳米膜，对孔径规格为90nm的氧化铝纳米膜进行检查，孔径规格为90nm的氧化铝纳米膜无破损，数据有效并对其记录。

实施例3

一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，所述纳米通道中液体流动特征的实验方法包括以下步骤：

1)选择65纳米孔径的氧化铝纳米膜，并用扫描电镜测量其准确的直径和孔密度；

2)向液体罐中加入经紫外光杀菌、用25纳米孔径规格的纳米膜过滤后的去离子水；

3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；

4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将孔径规格为65nm的氧化铝纳米膜夹紧密封；

5)利用高纯氮气作为动力源，对整个实验体系加压驱替，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，液体流量由光电位移检测仪测量得到；

6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的去离子水的流量，重复10次，取平均值；

其中步骤1)所述的去离子水电导率小于10μs/cm，所述步骤5)结束后小心取下孔径规格为65nm的氧化铝纳米膜，对孔径规格为65nm的氧化铝纳米膜进行检查，孔径规格为65nm的氧化铝纳米膜无破损，数据有效并对其记录。

实施例4

一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，所述纳米通道中液体流动特征的实验方法包括以下步骤：

1)选择25纳米孔径的氧化铝纳米膜，并用扫描电镜测量其准确的直径和孔密度；

2)向液体罐中加入经紫外光杀菌、用25纳米孔径规格的纳米膜过滤后的去离子水；

3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；

4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将孔径规格为25nm的氧化铝纳米膜夹紧密封；

5)利用高纯氮气作为动力源，对整个实验体系加压驱替，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，液体流量由光电位移检测仪测量得到；

6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的去离子水的流量，重复10次，取平均值；

其中步骤1)所述的去离子水电导率小于10μs/cm，所述步骤5)结束后小心取下孔径规格为25nm的氧化铝纳米膜，对孔径规格为25nm的氧化铝纳米膜进行检查，孔径规格为25nm的氧化铝纳米膜无破损，数据有效并对其记录。

对实施例1～4所得到并记录的有效数据进行整合和分析。

流量与压力的关系式(1)Hagen-Poiseuille方程(又称泊肃叶理论公式、泊肃叶方程)：

式(1)中

为压力梯度，Δp为管长度为l时所产生的压力差，π为圆周率，l为管长度，μ为剪切变形速率，d为孔径。

根据泊肃叶方程，在温度一定的条件下，孔径d、管长度l和粘度μ都是定值，所以流量Q和压力差Δp成正比关系，而且是过原点的一条直线，而水的粘度μ随温度变化的计算公式(2)为：

μ＝0.001·(1787.4957-56.6645×T+1.1764×T²-0.0105×T²式(2)：

所以根据测量的温度，可以计算液体的粘性μ，从而计算得到理论泊肃叶的流量Q_HP。根据测量所得的位移和时间计算流速v，以及由扫描电镜测量得到的纳米孔数量，可计算出实际单根管中的流量Q_exp如式(3)和式(4)：

对比实验流量与传统经典理论流量之间的差异，进一步分析实验数据，利用上述实施例1～4所得数据利用Origin8.0软件构建通道内实验流量与压力梯度的关系并作出拟合线如图4～7所示，得到以下结论：

1)当孔径降低到纳米级别时，根据实验结果获得的数据都可以拟合成二次方程式，且拟合相关系数都高达0.98～0.99，实验数据具有较高的准确性；

2)流动特征随压力的变化表现出明显的非线性流动特征，且基本表现出随着孔径的降低，非线性程度增大。

再将实验流量与泊肃叶公式(1)计算得到的理论流量进行比对，同样利用Origin8.0软件构建模型如图6～9所示，分析去离子水的微纳米尺度效应，从图6～9中可以看出当去离子水在在纳米管中流动时，随着孔径降低到纳米级别，表现出纳米孔径越小，实验流量的曲线与泊肃叶理论预测的流量偏离程度越高，纳米尺度下，去离子水的流量比理论流量低约1个数量级。

引入静水边界层理论，由于水分子的强极性特征，它与固体表面分子之间的取向、诱导的固液界面相互作用力会将水分子吸附在固体的表面上，形成边界粘附层，在静态条件下，亦被称为静水边界层，根据实验流量和理论流量，假设边界层厚度为σ，利用泊肃叶公式(1)，纳米孔径减去静水边界层厚度，可以得到有效孔径，进而得到有效流量表达式(5)：

通过比较去离子水的实验流量和理论流量，得到静水边界层厚度为σ，其表达式(6)为：

根据上式(6)及实验结果可以得到静水边界层的厚度占孔径的比例随驱替压力的变化关系图，如图10～13所示，通过比较有效边界层厚度占管径的比例与驱替压力的关系，分析边界层对去离子水流动的影响，如图10～13所示，当压力较小时，边界层厚度占孔径的比例高，说明此时有大量的水分子被吸附在固壁表面，这就相当于流动的管道变窄，导致流量较低。而随着驱替压力的增大，边界层厚度占孔径的比例不断降低，这就相当于流动的管道变宽，说明随着驱替压力的增加，纳米孔中的流体被不断驱替出来，更多的流体参与流动，导致流量快速增加。

为分析不同孔径下，边界层占纳米孔径的比例，将所有纳米孔径条件下的边界层厚度占孔径比例随压力梯度的变化关系绘制在同一张图中，如图14所示。

从图14中可以看出：孔径越小，边界层流体占管径的比例越大，说明尺度越小，固液界面相互作用力越大，导致吸附在壁面上的水分子越多，所以边界层厚度占孔径的比例越大，而随着驱替压力的增加，在相同压力梯度条件下，小孔径的有效边界层厚度占孔径比例也是越大，说明在驱替压力的作用下，固液界面相互作用力仍然具有重要作用，导致液体流量低于理论值。

有效边界层厚度随驱替压力非线性的变化关系特征，是导致液体在小压力时，流量低，而当驱替压力不断增加，边界层厚度降低，流量增大，所以边界层厚度随压力梯度非线性减小是纳米管中流体非线性流动产生的原因。

对上述边界层厚度随驱替压力的变化关系图14中，可以得到对边界层厚度随驱替压力变化的拟合方程，将实验得到的拟合方程汇总如下表所示：

从上表可以看到，去离子水的边界层厚度可以表示为式(7)：

因此，对传统的泊肃叶理论公式进行修正，得到去离子水在纳米尺度通道中的流动方程可以表示为式(8)：

式(2)～(8)中，μ为流体粘度系数，T为温度，Q_exp为实际流量，v

为流体流速，A为流经的所有通道的孔面积和，N为流经的所有通道总数量，L为单位时间t内流体流过的距离，t为单位时间，π为圆周率，r为流经通道的孔半径，r₀为管半径，Re为雷诺数，ρ为流体密度，d为一特征长度，Δp为所流经通道内L段长度两端的压力差，

为压力梯度，σ为静水边界层厚度，Q_ex为修正泊肃叶理论公式后计算所得的理论流量，μ_w为水的粘度系数，σ₀为如上表拟合方程所示的拟合系数A，β为如上表拟合方程所示的拟合系数B。

从以上实施例1～4、数据和结论可以看出，本发明所提供的一种纳米通道中液体流动特征的实验方法具有非常大的实际意义，能够对纳米尺度内液体的流动特征进行准确的检测，通过测量其流量可对其进行多方面的分析，对其在纳米尺度内的流动特征进行研究，除实施例所述的对泊肃叶理论公式进行修正外，还可对液体在纳米尺度内的滑移影响和流动的阻力系数等多方面研究，填补了现有技术中尚未有该类实验方法的空白，对纳米尺度内的液体研究具有非常大的意义和价值。

Claims (8)

1.一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，所述纳米通道中液体流动特征的实验方法包括以下步骤：

1)选择25～125纳米孔径的氧化铝纳米膜，并用扫描电镜测量其准确的直径和孔密度；

2)向液体罐中加入经紫外光杀菌、用25纳米孔径规格的纳米膜过滤后的去离子水；

3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；

4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将通道束薄膜夹紧密封；

5)利用高纯氮气作为动力源，对整个实验体系加压驱替，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，液体流量由光电位移检测仪测量得到；

6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的去离子水的流量，重复5～10次，取平均值；其中步骤2)所述的去离子水电导率小于10μs/cm，所述步骤5)结束后小心取下通道束薄膜，检查通道束薄膜是否破损，若通道束薄膜破损则舍弃数据，重新进行测量，若通道束薄膜无破损，则数据有效，对其进行记录并整合分析。

2.根据权利要求1所述的一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，步骤4)所述的上下夹具由两个夹具组成，分别称为上夹具和下夹具，上下夹具上设有一个直径为20～25mm的玻璃砂岩岩心柱。

3.根据权利要求2所述的一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，所述玻璃砂岩岩心柱上均匀密布有孔径为0.095～0.105mm的小通孔。

4.根据权利要求1所述的一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，步骤4)所述通道束薄膜包括氧化铝纳米膜。

5.根据权利要求4所述的一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，所述氧化铝纳米膜孔径规格为25～125nm。

6.根据权利要求5所述的一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，所述氧化铝纳米膜包括125nm、90nm、65nm和25nm中任意一种孔径规格的氧化铝纳米膜。

7.根据权利要求1所述的一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，进行步骤5)所述加压驱替步骤时，所施加的压力梯度为0～3500MPa/m。

8.根据权利要求1所述的一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，对有效数据进行整合分析，结合Hagen-Poiseuille方程与实验数据进行计算和验证，得到Hagen-Poiseuille方程的修正公式：

式中N为流经的所有通道总数量，μ_w为水的粘度系数，

为压力梯度，σ为静水边界层厚度，π为圆周率，r₀为管半径，Q_ex为修正泊肃叶理论公式后计算所得的理论流量。

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