CN109264809B - 一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置 - Google Patents

Abstract

一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置涉及光纤技术研究领域，具体涉及一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置。包括激光光源、单模光纤、玻璃毛细管、中空悬挂芯光纤、导气管、气压泵、待清洁液体；单模光纤的一端与激光光源尾纤连接，另一端加工成圆台状并与中空悬挂芯光纤焊接，焊点处用玻璃毛细管进行密封，导气管一端处于玻璃毛细管中，另一端连接气压泵，中空悬挂芯光纤的尾端置于待清洁液体中。本发明能将液体中微米级别的杂质分离出来，并且能够保留其原有的物理化学特征；不会产生任何副产物，是一种绿色环保的清洁方法；采用的器件价格低廉，制备方法简单。

Description

一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置

技术领域

本发明涉及光纤技术研究领域，具体涉及一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置。

背景技术

现阶段，液体纯净度逐渐在各个领域受到人们重视，进而液体清洁方法也成为研究探索中不可忽视的一种手段。气浮法是一种常用的清洁液体中杂质的方法，它是一种利用混合在液体中的微小气泡作为载体粘附液体中的悬浮污染物的方法，这种方法是在液体中产生气泡，用以形成液体、气体以及杂质的三相混合体，在界面张力的作用下，促使杂质粘附在气泡上。这种方法具有处理量大，处理效果高的特点，相比起其他浮选方法具有节省能源、环保高效的优点。这种方法也是工业中常使用的方法。专利CN201010126545.9就是一种利用气浮法净水的装置，但是这种方法只能用于宏观大规模水清理，无法做到分离细微杂质以及处理小剂量液体。

利用光的热效应产生微泡的方法也在实验室中被证明是可行的，华南师范大学杨剑鑫等人提出用微纳光纤上沉积镀膜的方法来产生微泡(华南师范大学学报(自然科学版)，2015,47(04):30-34)，利用微纳光纤产生的倏逝场加热其上沉积的氧化石墨烯层，继而使得微纳光纤附近液体温度上升产生微泡，但该方法操作繁复。

发明内容

本发明的目的在于提供绿色环保、方法简单的一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置。

一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置，包括激光光源1、单模光纤2、玻璃毛细管3、中空悬挂芯光纤4、导气管5、气压泵6、待清洁液体7；单模光纤2的一端与激光光源1尾纤连接，另一端加工成圆台状并与中空悬挂芯光纤4焊接，焊点处用玻璃毛细管3进行密封，导气管5一端处于玻璃毛细管3中，另一端连接气压泵6，中空悬挂芯光纤4的尾端置于待清洁液体7中。

激光光源1的输出功率在5mW以上。

单模光纤2，一端被磨成圆台状，焊点位置应对芯焊接，并露出空气孔。

中空悬挂芯光纤4的光纤中间是空气孔，外层圆环为包层，纤芯悬在包层内表面。

气压泵6根据通过导气管5与中空悬挂芯光纤4的尖端相连。

本发明的有益效果在于：

1、能将液体中微米级别的杂质分离出来，并且能够保留其原有的物理化学特征；

2、不会产生任何副产物，是一种绿色环保的清洁方法；

3、采用的器件价格低廉，制备方法简单。

附图说明

图1A为本发明结构示意图；

图1B为待清洁液体及中空悬挂芯光纤局部放大图；

图2为本发明中用到的中空悬挂芯光纤截面图；

图3为光泳作用示意图；

图4A为开光时微泡周围液体流动示意图；

图4B为抽气时微泡周围液体流动示意图；

图5为光纤焊接处示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明基于如下原理：

光源发出的光经过光纤导入目标液体中，由于吸收性杂质在受到激光照射时会发生光泳作用，如图3所示，其中一部分杂质会受到逆向光泳力的作用向着光纤尖端移动，并吸附到光纤尖上，之后持续加热杂质会使得一部分待清洁液体局部受热发生汽化并在液体中形成微泡，如图4A所示，生成微泡后，在气液的边界，由于液体受到热源的热梯度力和马兰哥尼对流的作用，导致周围液体向着微泡流动，流动液体碰到微泡其中的杂质微粒就会粘在微泡的表面，如图4B所示，之后可以通过气压泵将吸附杂质的微泡抽到中空光纤中，并转移到其它地方。

1、取一段单模光纤2，长度一般大于1米，在单模光纤2的一端，剥除光纤的涂覆层20-30mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤外包层，直至清洁后备用；

2、用光纤切割刀将清洁后的单模光纤2的两个端面切割平整；

3、使用光纤磨锥机，将单模光纤2的一端磨出成圆台状光纤尖，圆台上下底面半径比约为1∶2，如图5所示；

4、用步骤1和2中的方法对光纤光源1的尾纤以及中空悬挂芯光纤4的两端进行去除涂覆层、清洁以及平端面处理；

5、使用光纤焊接机，将单模光纤2与激光光源1，尾纤进行焊接，光源波长选用980nm，可以避开水的吸收峰，价格便宜；

6、使用光纤焊接机，将单模光纤2与中空悬挂芯光纤4的尾纤对芯焊接，如图5所示；

7、将单模光纤2与中空悬挂芯光纤4之间的焊点置于约5mm长毛细玻璃管3中，毛细管直径约0.5mm，并将导气管5一同置入毛细玻璃管3中，导气管3可以空心无芯光纤，包层直径125μm，孔径约40μm，用紫外固化胶滴在玻璃管3两端的开口上，直至紫外固化胶可以彻底将毛细玻璃管3开口填满，然后用紫外灯照射几秒钟使其凝固；

8、将导气管5另一端与气压泵6连接，气压泵6可以使用5mL带针头注射器，导气管插入针头约1.5cm，用紫外固化胶滴在针头开口处，保证整个针孔被紫外胶包裹，再用紫外灯照射约10s使紫外胶彻底固化；

9、将中空悬挂芯光纤4另一端置于待清洁液体7中，待清洁液体7选用的是混入了石墨片的水的悬浊液，先将待清洁液体滴在玻璃片上约0.3mL，再将光纤前端彻底浸没在待测液中，打开激光光源1开关，一段时间后可以发现如图3所示的微泡产生，随时间变化其体积也在增长；

10、待微泡7-2增长到大概100μm时，用气压泵6施加负压，微泡会被吸入到中空光纤4中；

11、之后取出装置再置入其它液体中，用气压泵6施加正压，微泡7-2会被排出，完成液体7的清洁。

本发明通光后，由于逆向光泳作用杂质被吸附到中空光纤4尖端，之后被激光持续加热，形成微泡，其周围杂质会被快速吸引到微泡表面，之后可以借助气压泵6将微泡及其上附带的杂质抽取出来。

本发明的激光光源1的波长在杂质吸收峰附近，并且远离液体7吸收峰，具有合适的输出功率，在5mW以上，以确保在空心光纤3尖端形成较大光强的光场，使得溶液中杂质发生逆向光泳。

本发明的气压泵6可以根据通过导气管5及中空光纤在中空光纤尖端施加足够的正压或负压。

本发明提出的这种装置基于微结构光纤，直接利用光泳作用吸附杂质并将其激光加热的方法，避免了沉积法的繁复操作，并且利用气浮法的特性将光纤上产生的微泡用于吸引液体中的杂质。本发明提出一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置，这种装置利用的是光泳效应以及微泡的作用，把微结构光纤直接用来清洁液体，再使用中空光纤及气压泵的结构可以很方便抽取吸附了众多杂质的微泡，并且可以将其转移出来。

本发明提供一种新的液体清洁装置，对光纤技术的实际应用进行了拓展。

Claims (3)

1.一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置，其特征在于，包括激光光源（1）、单模光纤（2）、玻璃毛细管（3）、中空悬挂芯光纤（4）、导气管（5）、气压泵（6）、待清洁液体（7）；单模光纤（2）的一端与激光光源（1）尾纤连接、另一端加工成圆台状并与中空悬挂芯光纤（4）焊接，所述的单模光纤（2）一端被磨成圆台状，焊点位置应对芯焊接，并露出空气孔，所述的中空悬挂芯光纤（4）的光纤中间是空气孔、外层圆环为包层、纤芯悬在包层内表面，焊点处用玻璃毛细管（3）进行密封，导气管（5）一端处于玻璃毛细管（3）中，另一端连接气压泵（6），中空悬挂芯光纤（4）的尾端置于待清洁液体（7）中。

2.根据权利要求1所述的一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置，其特征在于：所述的激光光源（1）的输出功率在5mW以上。

3.根据权利要求1所述的一种基于微结构光纤的光驱动液体清洁装置，其特征在于：所述的气压泵（6）通过导气管（5）与中空悬挂芯光纤（4）的尖端相连。

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