CN108404456A - 超疏或超亲气体铜网及其制备方法及去除或收集水下气泡的装置 - Google Patents

超疏或超亲气体铜网及其制备方法及去除或收集水下气泡的装置 Download PDF

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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/20—Treatment of water, waste water, or sewage by degassing, i.e. liberation of dissolved gases

Abstract

本发明提出一种超疏或超亲气体铜网及其制备方法及去除或收集水下气泡的装置。通过处理铜网，在铜网表面形成一层纳米针层，形成超疏气体铜网，进一步处理，形成超亲气体铜网，去除气泡的装置首先利用超疏气体铜网将气泡隔离在管体一侧，并在此侧管体打孔并覆盖超亲气体铜网，气泡通过铜网，排出管体外。但是对于液体中的毒性或者有使用价值的气体，可以使用气体收集装置。圆柱体容器底部所覆盖的超亲气体铜网只允许气泡通过，因此在容器上方收集气泡即可。这两种装置价格低廉，可以大面积使用生产，并且适用于各种气体。

Description

超疏或超亲气体铜网及其制备方法及去除或收集水下气泡的 装置
技术领域
本发明涉及一种可以实现去除或收集水下气泡的装置，具体涉及一种超疏或超亲气体铜网及其制备方法及具有该超疏或超亲气体铜网用于去除或收集水下气泡的装置。
背景技术
液体中经常会产生气泡，在某些领域中产生的气泡会带来诸多不利的影响如，静脉注射时，从针头进入的气体会随注射液体进入人体血管中，严重时会发生气体栓塞，引起心衰，甚至会导致死亡；在有气体生成的电化学反应中，粘附在电极的气泡会影响电极与反应物之间的接触，从而大大降低了电化学反应的速率；微流控装置中的气泡，会增大液体之间的流动损耗，降低流动速度，甚至会堵塞微流控装置；水下作业时，粘附在潜水镜上的气泡，会引起人视觉模糊；因此，在这些相关领域中往往需要将液体中的气泡去除，以减少气泡带来的不良影响。
也可以将液体中的有些气体收集起来加以利用。如，制取氢气的一个主要方法就是从水中分解出氢气，此时，就需要从水中高效地、大面积的收集氢气。再如，海底经常会泄漏甲烷气体，并释放到气体中，但是甲烷气体会引起温室效应，造成环境污染，同时，甲烷又是一种优质的气体燃料，也是制造许多化工产品的重要原料。因此，收集海底泄漏的甲烷气体，不仅抑制了环境污染，还可以解决能源问题。
发明内容
为了去除或收集水下或水溶液中的气泡，本发明提出一种超疏或超亲气体铜网及其制备方法及去除或收集水下气泡的装置，工艺简单，价格低廉，面积可控，可以大规模生产及使用。
本发明的技术解决方案是提供一种超疏气体铜网，其特殊之处在于：包括铜网，上述铜网表面具有一层纳米针层，纳米针层中的纳米针相互交织，垂直于铜网铜线；纳米针直径在150-260nm之间，长度为10-15μm。
本发明还提供一种超亲气体铜网，其特殊之处在于：包括上述超疏气体铜网，通过将超疏气体铜网浸泡在氟硅烷溶液后干燥制备。
本发明还提供一种上述的超疏气体铜网的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：清洗基质材料铜网；
步骤二：将步骤一清洗后的铜网浸泡在NaOH和(NH4)2S2O8水溶液中；
步骤三：用去离子水清洗步骤二浸泡之后的铜网；
步骤四：将步骤三清洗后的铜网放置在氮气中常温干燥，得到超疏气体铜网。
优选地，步骤一中基质材料铜网网孔直径为76μm；
步骤二中NaOH浓度为2.5M，(NH4)2S2O8浓度为0.1M，在室温条件下浸泡5min-10min。
本发明还提供一种超亲气体铜网的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将制备的超疏气体铜网浸泡在氟硅烷溶液中；
步骤二：将步骤一浸泡后的铜网在真空干燥箱中干燥，得到超亲气体铜网。
优选地，步骤一中氟硅烷溶液为氟硅烷无水乙醇溶液，氟硅烷的质量分数为0.2％，浸泡时间为24h；
步骤二中真空干燥箱的温度为100℃，干燥时间为2h。
本发明还提供一种去除水下气泡的装置，其特殊之处在于：包括超疏气体铜网及超亲气体铜网；
上述超疏气体铜网用于阻挡液体中气泡通过；
上述超亲气体铜网，用于将被超疏气体铜网阻挡的气泡排出。
优选地，上述去除水下气泡的装置还包括管体；
上述超疏气体铜网位于管体内部且沿管体横截面设置；
定义液体流向方向为左右方向，液体首先流经且位于超疏气体铜网左侧的管体为输入段，位于超疏气体铜网右侧管体为输出段；
管体的输入段上方且靠近超疏气体铜网处开设开孔，上述超亲气体铜网覆盖在开孔上。
本发明还提供一种收集水下气泡的装置，其特殊之处在于：包括集气容器，上述集气容器的底部为超亲气体铜网。
优选地，集气容器顶部封闭，顶部上设有排气孔。
本发明的有益效果是：
1、本发明所使用的原材料价格低廉，铜网面积大小可根据实际情况调节，可以大规模使用；
2、气体收集过程中，主要与浮力等物理作用相关，与气泡种类无关，因此本发明适用于各种气体；
3、将本发明的集气装置应用于收集海底的甲烷气体，在一定程度上解决了环境污染与能源问题。
附图说明
图1a为超疏气体铜网200倍的SEM图；
图1b为超疏气体铜网700倍的SEM图；
图1c为超疏气体铜网铜线10000倍的SEM图；
图1d为超疏气体铜网铜线边缘8000倍的SEM图；
图2a为超疏气体铜网位于气体中的原理图；
图2b为超疏气体铜网位于水中的原理图；
图2c为超疏气体铜网位于具有气泡的水中的原理图；
图3a为超亲气体铜网位于气体中的原理图；
图3b为超亲气体铜网位于水中的原理图；
图3c为超亲气体铜网位于具有气泡的水中的原理图；
图3d为气泡进入超亲气体铜网的原理图；
图4a为验证超疏气体铜网在水下超疏气体过程示意图；
图4b为验证超疏气体铜网在水下超疏气体过程原理图；
图4c为验证超亲气体铜网在水下超亲气体过程示意图；
图4d为验证超亲气体铜网在水下超亲气体过程原理图；
图5为去除气泡装置原理图；
图6为收集气体装置原理图。
图中附图标记为：1-超疏气体铜网，2-超亲气体铜网，3-管体，4-集气容器，5-排气导管。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
用于去除液体中气泡的装置，需要将超疏气体铜网与超亲气体铜网组合起来使用；超疏气体铜网用于阻挡液体中气泡通过；超亲气体铜网，用于将被超疏气体铜网阻挡的气泡排出。实施例可参见图5，在管体3内部沿管体径向截面放置超疏气体铜网1，并将超疏气体铜网1与管体3内壁无缝连接在一起；液体首先流经的管体靠近铜网一端上方具有开孔，孔上覆盖有超亲气体铜网2。
从图6可以看出，实施例用于收集液体中气泡的装置，将超亲气体铜网2作为底部覆盖在无底圆柱体集气容器4上，圆柱体上部有一排气口，排气口上接排气导管5，输运气体。在其他实施例中，集气容器可以是任意其他形状。
本发明原理：
铜具有抗腐蚀特性，适用于水下液体环境。铜网本身具有多孔微结构，平均孔径大约76μm，在气体中具有亲水性质。浸泡在NaOH和(NH4)2S2O8溶液中5min，表面形成一层均匀的纳米针结构，直径在150-260nm之间，纳米针垂直于铜线，相互交织，参照图1a、图1b、图1c及图1d。铜网表面形成微米纳米粗糙结构，实现了气体中超亲水(见图2a)。将浸泡过NaOH和(NH4)2S2O8溶液的铜网放入水中，水会进入并被困在粗糙结构中(见图2b)。当气泡接触到铜网时，由于气体与液体的相互排斥作用，粗糙结构中的水会阻止气泡接触铜网(见图2c)，因此气泡只接触到铜网粗糙结构的突出部分，类似于水下的Cassie-Baxter模型。实验验证过程参照图4a及图4b。气泡无法穿过超疏气体铜网到达铜网上方，汇聚在铜网下方。
将气体中超亲水的铜网(超疏气体铜网)表面用氟硅烷修饰，降低了表面化学能，表现为气体中超疏水(超亲气体铜网)。将气体中超疏水铜网放入水中(见图3b)，液体只接触粗糙结构的突出部分，在铜网与液体中形成气垫层。当气泡接触到铜网时，气泡会溶于气垫层中(见图3c及图3d)。当更多气泡溶于气垫层时，在浮力的作下，气泡会从气垫层上面溢出。实验验证过程参照图4c及图4d。
实施例一
通过如下方法制备水下去除气泡的装置：
步骤1)：依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声波清洗基质材料铜网5min；根据具体环境不同，可选择不同孔径的铜网，一般选取的孔径大约在200μm以下；
步骤2)：制备水下超疏气体铜网：将铜网浸泡在浓度为2.5M的NaOH和0.1M的(NH4)2S2O8溶液中5min-10min；浸泡结束之后用去离子水超声波清洗；然后将铜网放置在氮气环境中常温干燥，得到超疏气体铜网；
步骤3)：制备水下超亲气体铜网：将超疏气体铜网浸泡在质量分数为0.2％的氟硅烷溶液(溶于无水乙醇)中24h；之后在100℃的真空干燥箱中干燥2h，得到超亲气体铜网；
步骤4)：将超疏气体铜网垂直放置在两个塑料管体中间，并将管体与铜网无缝粘合在一起；
步骤5)：在液体首先流经的管体靠近铜网一端上方打孔；
步骤6)：孔上覆盖超亲气体铜网，装置示意图参照图5所示。
制备好后，往管体中通入液体和气泡，发现流过超疏气体铜网的液体中没有气泡。
实施例二
通过如下方法制备水下收集气泡的装置：
步骤1)：依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声波清洗基质材料铜网5min；根据具体环境不同，可选择不同孔径的铜网，一般选取的孔径大约在200μm以下；
步骤2)：制备水下超疏气体铜网：将铜网浸泡在浓度为2.5M的NaOH和0.1M的(NH4)2S2O8溶液中5min-10min；浸泡结束之后用去离子水超声波清洗；然后将铜网放置在氮气环境中常温干燥，得到超疏气体铜网。
步骤3)：制备水下超亲气体铜网：将超疏气体铜网浸泡在质量分数为0.2％的氟硅烷溶液(溶于无水乙醇)中24h；之后在100℃的真空干燥箱中干燥2h，得到超亲气体铜网；
步骤4)：将超亲气体铜网覆盖在无底的圆柱体容器底部。
制备好后，将圆柱体上方排气口连接管体至另一装满水的小烧杯中；将收集气泡装置放入装满水的大容器中，从大容器底部注入气泡，发现外面的烧杯有气泡冒出，参照图6。

Claims (10)

1.一种超疏气体铜网，其特征在于：包括铜网，所述铜网表面具有一层纳米针层，纳米针层中的纳米针相互交织，垂直于铜网铜线；纳米针直径在150-260nm之间，长度为10-15μm。
2.一种超亲气体铜网，其特征在于：包括超疏气体铜网，将超疏气体铜网浸泡在氟硅烷溶液后干燥。
3.一种权利要求1所述的超疏气体铜网的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：清洗基质材料铜网；
步骤二：将步骤一清洗后的铜网浸泡在NaOH和(NH4)2S2O8水溶液中；
步骤三：用去离子水清洗步骤二浸泡之后的铜网；
步骤四：将步骤三清洗后的铜网放置在氮气中常温干燥，得到超疏气体铜网。
4.根据权利要求3所述的超疏气体铜网的制备方法，其特征在于：步骤一中基质材料铜网网孔直径为76μm；
步骤二中NaOH浓度为2.5M，(NH4)2S2O8浓度为0.1M，在室温条件下浸泡5min-10min。
5.一种超亲气体铜网的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将权利要求3制备的超疏气体铜网浸泡在氟硅烷溶液中；
步骤二：将步骤一浸泡后的铜网在真空干燥箱中干燥，得到超亲气体铜网。
6.根据权利要求5所述的超亲气体铜网的制备方法，其特征在于：
步骤一中氟硅烷溶液为氟硅烷无水乙醇溶液，氟硅烷的质量分数为0.2％，浸泡时间为24h；
步骤二中真空干燥箱的温度为100℃，干燥时间为2h。
7.一种去除水下气泡的装置，其特征在于：包括超疏气体铜网及超亲气体铜网；
所述超疏气体铜网用于阻挡液体中气泡通过；
所述超亲气体铜网用于将被超疏气体铜网阻挡的气泡排出。
8.根据权利要求7所述的去除水下气泡的装置，其特征在于：还包括管体；
所述超疏气体铜网位于管体内部且沿管体横截面设置；
定义液体流向方向为左右方向，液体首先流经且位于超疏气体铜网左侧的管体为输入段，位于超疏气体铜网右侧管体为输出段；
管体的输入段上方且靠近超疏气体铜网处开设开孔，所述超亲气体铜网覆盖在开孔上。
9.一种收集水下气泡的装置，其特征在于：包括集气容器，所述集气容器的底部为超亲气体铜网。
10.根据权利要求9所述的收集水下气泡的装置，其特征在于：集气容器顶部封闭，顶部上设有排气孔。
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