CN108928894B - 一种用于海水淡化的芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于海水淡化的芯片，包括基体和依次层叠设置于基体上的导电层和保护层，导电层设置有一主沟槽，主沟槽将导电层分隔成正极导电层和负极导电层两个区域，主沟槽沿厚度方向贯穿导电层，正极导电层和负极导电层设有等数量的、且与主沟槽相连通的多个子沟槽。基于电分离技术，海水中的负、正离子被电场吸引并分别富集于正极导电层和负极导电层中的子沟槽中。此时主沟槽的内的海水则得到了淡化。另外，多个子沟槽的设置可使海水进行多次淡化，大大提升了淡化的效果和淡水的品质。本发明提供的芯片使电分离法应用到芯片领域中，还解决了传统海水淡化芯片环境污染的问题，而且本发明的芯片海水淡化效果更好，淡水的品质更高。

Description

一种用于海水淡化的芯片及其制备方法
技术领域
本发明属于海水淡化技术领域，具体涉及一种用于海水淡化的芯片及其制备方法。
背景技术
地球上的海水资源占总体水量的97％，而淡水资源仅占总体水量的3％。随着人口的日益增长及人类社会活动的日益增多，人类将会越来越缺乏淡水资源，因此，海水淡化技术变得越来越重要。
海水淡化技术现通常应用于大型设备和便携式小型设备。其中，电分离法由于耗能低、对环境污染小等优点广泛应用于大型设备中。但大型设备存在着无法随身携带、成本高等缺点。
对需要长期在海上的人或应用于某些紧急状况的时候便携式设备具有更大的市场前景。便携式海水淡化设备由于耗能低、可随身携带的优点越来越受到人们的广泛关注。但便携式海水淡化设备中的芯片基本都是基于反渗透(RO)膜的反渗透技术，由于在淡化过程中加入的化学试剂、产生的腐蚀产物等随着浓缩后的海水又重新排回了大海，对自然环境带来了不利的影响。目前，还未出现过基于电分离法的便携式海水淡化芯片。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种用于海水淡化的芯片及其制备方法，通过正极导电层和负极导电层吸引相应的负、正离子富集于子沟槽中，使主沟槽内的海水实现淡化。而且通过多个子沟槽的设置，使海水进行多次淡化，大大提升了淡化的效果和淡水的品质。
本发明第一方面提供了一种用于海水淡化的芯片，包括基体和依次层叠设置于所述基体上的导电层和保护层，所述导电层设置有一主沟槽，所述主沟槽将所述导电层分隔成正极导电层和负极导电层两个区域，所述主沟槽沿厚度方向贯穿所述导电层，所述主沟槽用于流通海水，所述主沟槽的一端为海水入口，所述主沟槽的另一端为淡水出口，所述正极导电层和所述负极导电层设有等数量的、且与所述主沟槽相连通的多个子沟槽，所述正极导电层中的所述子沟槽用于富集所述海水中的负离子，所述负极导电层中的所述子沟槽用于富集所述海水中的正离子。
其中，所述正极导电层的多个所述子沟槽与所述负极导电层的多个所述子沟槽沿所述主沟槽呈轴对称分布。
其中，所述子沟槽与所述主沟槽呈角度设置，所述子沟槽与所述主沟槽的夹角为30°-60°。
其中，所述子沟槽与所述主沟槽呈角度设置，所述子沟槽与所述主沟槽的夹角为40°-50°。
其中，所述正极导电层和所述负极导电层中的所述子沟槽的数量分别为3-7个。
其中，所述正极导电层和所述负极导电层中的所述子沟槽的数量分别为4-6个。
其中，所述基底和所述保护层的材质为硅材料或玻璃。
其中，所述导电层的材质为金、铂金或钛。
本发明第一方面提供的一种用于海水淡化的芯片，基于电分离技术，海水在主沟槽的一端流入，陆续流入子沟槽时，开启带电电场，在外加电场的作用下，海水中的负、正离子被电场吸引并分别富集于正极导电层和负极导电层中的子沟槽中。此时主沟槽的内的海水则得到了淡化，并且淡化后的海水从主沟槽的另一端流出，从而实现了海水淡化的目的。另外，多个子沟槽的设置可使海水进行多次淡化，大大提升了淡化的效果和淡水的品质。本发明提供的芯片取代了传统基于反渗透膜技术的芯片，使电分离法应用到芯片领域中，还解决了传统海水淡化芯片环境污染的问题，而且本发明的芯片海水淡化效果更好，淡水的品质更高。
本发明第二方面提供了一种用于海水淡化的芯片的制备方法，包括以下步骤：
提供基体，对所述基体进行预处理，清洁所述基体表面，再在所述基体表面依次沉积导电层材料和光阻层材料；
通过光刻工艺使所述光阻层材料图案化，形成光阻层，再对所述导电层材料进行刻蚀，形成导电层，使所述光阻层的正投影与所述导电层的正投影重合，最后去除光阻层，再在所述导电层的表面覆盖保护层，得到用于海水淡化的芯片；
所述芯片包括基体和依次层叠设置于所述基体上的导电层和保护层，所述导电层设置有一主沟槽，所述主沟槽将所述导电层分隔成正极导电层和负极导电层，所述主沟槽沿厚度方向贯穿所述导电层，所述主沟槽用于流通海水，所述主沟槽的一端为海水入口，所述主沟槽的另一端为淡水出口，所述正极导电层和所述负极导电层设有等数量的、且与所述主沟槽相连通的多个子沟槽，所述正极导电层中的所述子沟槽用于富集所述海水中的负离子，所述负极导电层中的所述子沟槽用于富集所述海水中的正离子。
其中，所述光阻层材料为正性光刻胶。
本发明第二方面提供的一种用于海水淡化的芯片的制备方法，制备工艺简单，成本低廉，通过传统的光刻工艺即可制备出基于电分离法的海水淡化芯片。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图进行说明。
图1为本发明实施例中芯片的主视图；
图2为本发明实施例中芯片的侧视图；
图3a-图3d为本发明实施例中芯片的制备方法流程图。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供的一种用于海水淡化的芯片，包括基体1和依次层叠设置于所述基体1上的导电层2和保护层3，所述导电层2设置有一主沟槽21，所述主沟槽21将所述导电层2分隔成正极导电层23和负极导电层24两个区域，所述主沟槽21沿厚度方向贯穿所述导电层2，所述主沟槽21用于流通海水，所述主沟槽21的一端为海水入口(如图1中主沟槽的箭头方向)，所述主沟槽21的另一端为淡水出口，所述正极导电层23和所述负极导电层24设有等数量的、且与所述主沟槽21相连通的多个子沟槽22，所述正极导电层23中的所述子沟槽22用于富集所述海水中的负离子，所述负极导电层24中的所述子沟槽22用于富集所述海水中的正离子。
本发明实施例提供的芯片尺寸仅为(5-10)mm*(2-5)mm*(0.2-0.5)mm，优选地，本发明实施例提供的芯片的长为8.4mm，宽为4.4mm，高为0.25mm。而本发明主沟槽的宽度仅为0.4mm，子沟槽的宽度仅为0.28mm。本发明的芯片尺寸极小，可适用于众多的海水淡化设备中。
本发明实施方式中，主沟槽21沿平行于芯片一边的方向将导电层2平均分隔成为了2部分，即主沟槽21的一侧为正极导电层23，主沟槽21的另一侧为负极导电层24。
本发明实施例提供的一种用于海水淡化的芯片，首先，基于电分离技术，海水在主沟槽21的一端流入，陆续流入子沟槽22时，开启带电电场，在外加电场的作用下(仅需要6-12V)，使正极导电层的周围形成正电荷电场，负极导电层的周围形成负电荷电场，海水中的负(如氯离子)、正(如钠离子)离子被电场吸引并分别富集于正极导电层23和负极导电层24中的子沟槽22中，氯离子通过电极反应氧化为氯气排出，钠离子随后从子沟槽22排出(如图1中子沟槽的箭头方向)。此时主沟槽21的内的海水则得到了淡化，并且淡化后的海水从主沟槽21的另一端流出，从而实现了海水淡化的目的。其次，正极导电层23和负极导电层24分别设有等数量的多个子沟槽22，因此可使海水进行多次淡化，最终大大提升了海水淡化的效果和淡水的品质。本发明提供的芯片取代了传统基于反渗透膜技术的芯片，使电分离法应用到芯片领域中，还解决了传统海水淡化芯片环境污染和耗能高的问题，而且本发明的芯片海水淡化效果更好，淡水的品质更高。
本发明实施方式中，所述正极导电层23的多个所述子沟槽22与所述负极导电层24的多个所述子沟槽22沿所述主沟槽21呈轴对称分布。轴对称分布的子沟槽22不仅可以使吸引海水中的正负离子同时进行，大大提升了海水淡化的效果，而且还可优化芯片的结构设计，节省空间。
本发明实施方式中，所述子沟槽22与所述主沟槽21呈角度设置，所述子沟槽22与所述主沟槽21的夹角为30°-60°。本发明多个子沟槽22均朝着同一方向设置。正极导电层内呈30°-60°设置的子沟槽22更利于高浓度的海水的排出。优选地，所述子沟槽22与所述主沟槽21的夹角为40°-50°。更优选地，所述子沟槽22与所述主沟槽21的夹角为45°。
本发明实施方式中，所述正极导电层23和所述负极导电层24中的所述子沟槽22的数量分别为3-7个。由于正极导电层23和负极导电层24中的子沟槽22数量是一致的。因此本发明芯片中子沟槽22的数量为3-7组。从第二组开始，每一组都可以继续淡化上一组淡化过后的海水，通过多次将海水进行淡化，使海水淡化的效果和淡水的品质大大提升。优选地，所述正极导电层和所述负极导电层中的所述子沟槽的数量分别为4-6个。更优选地，所述正极导电层23和所述负极导电层24中的所述子沟槽22的数量为5个。
本发明实施方式中，所述基底和所述保护层3的材质为硅材料或玻璃。低成本的硅材料和玻璃表面光滑，适用于沉积导电层2，并且可使海水在其中流动。优选地，所述基底和所述保护层3的材质为玻璃。
本发明实施方式中，所述导电层2的材质为金、铂金或钛。高导电性能的金、铂金或钛可很好地吸引海水中的正负离子。
请参阅图3a-图3d，本发明实施例提供的一种用于海水淡化的芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：提供基体1，对所述基体1进行预处理，清洁所述基体1表面，采用镀膜工艺在所述基体1表面沉积导电层材料20，再采用涂布工艺在导电层材料20表面沉积光阻层材料40；
步骤2：通过使紫外光透过光刻板5照射到光阻层材料40使所述光阻层材料40图案化，得到所需要的主沟槽21和子沟槽22的图案，形成光阻层4，再对所述导电层材料20进行刻蚀，形成导电层2，使所述光阻层4的正投影与所述导电层2的正投影重合，最后去除光阻层4，再在所述导电层2的表面覆盖保护层3，得到用于海水淡化的芯片；
所述芯片包括基体1和依次层叠设置于所述基体1上的导电层2和保护层3，所述导电层2设置有一主沟槽21，所述主沟槽21将所述导电层2分隔成正极导电层23和负极导电层24，所述主沟槽21沿厚度方向贯穿所述导电层2，所述主沟槽21用于流通海水，所述主沟槽21的一端为海水入口，所述主沟槽21的另一端为淡水出口，所述正极导电层23和所述负极导电层24设有等数量的、且与所述主沟槽21相连通的多个子沟槽22，所述正极导电层23中的所述子沟槽22用于富集所述海水中的负离子，所述负极导电层24中的所述子沟槽22用于富集所述海水中的正离子。
本发明实施方式中，所述光阻层材料40为正性光刻胶。紫外光照到的区域将被去除。
本发明实施例提供的一种用于海水淡化的芯片的制备方法，制备工艺简单，成本低廉，通过传统的光刻工艺即可制备出基于电分离法的海水淡化芯片。
以上对本发明实施方式所提供的内容进行了详细介绍，本文对本发明的原理及实施方式进行了阐述与说明，以上说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种用于海水淡化的芯片，其特征在于，包括基体和依次层叠设置于所述基体上的导电层和保护层，所述导电层设置有一主沟槽，所述主沟槽将所述导电层分隔成正极导电层和负极导电层两个区域，所述主沟槽沿厚度方向贯穿所述导电层，所述主沟槽用于流通海水，所述主沟槽的一端为海水入口，所述主沟槽的另一端为淡水出口，所述正极导电层和所述负极导电层设有等数量的、且与所述主沟槽相连通的多个子沟槽，所述正极导电层中的所述子沟槽用于富集所述海水中的负离子，所述负极导电层中的所述子沟槽用于富集所述海水中的正离子，所述子沟槽与所述主沟槽呈角度设置，所述子沟槽与所述主沟槽的夹角为40°-50°，所述正极导电层和所述负极导电层中的所述子沟槽的数量分别为4-6个，所述芯片的尺寸为(5-10)mm*(2-5)mm*(0.2-0.5)mm。
2.如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述正极导电层的多个所述子沟槽与所述负极导电层的多个所述子沟槽沿所述主沟槽呈轴对称分布。
3.如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述基体和所述保护层的材质为硅材料或玻璃。
4.如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述导电层的材质为金、铂金或钛。
5.一种用于海水淡化的芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供基体，对所述基体进行预处理，清洁所述基体表面，再在所述基体表面依次沉积导电层材料和光阻层材料；
通过光刻工艺使所述光阻层材料图案化，形成光阻层，再对所述导电层材料进行刻蚀，形成导电层，使所述光阻层的正投影与所述导电层的正投影重合，最后去除光阻层，再在所述导电层的表面覆盖保护层，得到用于海水淡化的芯片；
所述芯片包括基体和依次层叠设置于所述基体上的导电层和保护层，所述导电层设置有一主沟槽，所述主沟槽将所述导电层分隔成正极导电层和负极导电层，所述主沟槽沿厚度方向贯穿所述导电层，所述主沟槽用于流通海水，所述主沟槽的一端为海水入口，所述主沟槽的另一端为淡水出口，所述正极导电层和所述负极导电层设有等数量的、且与所述主沟槽相连通的多个子沟槽，所述正极导电层中的所述子沟槽用于富集所述海水中的负离子，所述负极导电层中的所述子沟槽用于富集所述海水中的正离子，所述子沟槽与所述主沟槽呈角度设置，所述子沟槽与所述主沟槽的夹角为40°-50°，所述正极导电层和所述负极导电层中的所述子沟槽的数量分别为4-6个，所述芯片的尺寸为(5-10)mm*(2-5)mm*(0.2-0.5)mm。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述光阻层材料为正性光刻胶。
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