CN110251999A - 平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法。本发明中的超疏水轨道由等宽段轨道与扩散段轨道组成。当气泡从等宽段轨道滑移至扩散段轨道时，由于气泡进入扩散段轨道的部分在扩散状超疏水壁面吸引下发生短时加速铺展而加速向前运动，此时处在等宽段轨道的气泡部分则保持原有较小的上升速度，这两者极强的速度差异直接导致气泡的撕裂，气泡在界面张力的作用下遵循表面自由能最小的原则，开始分裂成多个小气泡，至此微小气泡制备完成。本发明制备简单，成本低，能够快速地在开放壁面上获得（1‑2）mm小气泡，并且能够根据不同场景的需求通过改变轨道的宽度，改变扩散段和等宽段夹角来调节分裂的气泡大小。

Description

平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法
技术领域
本发明属于多相流技术领域，具体涉及一种开放壁面上具有几何梯度的超疏水轨道，用于液态流体中对上升气泡进行调控分裂，进而得到(1-2)mm的气泡。
背景技术
气泡被广泛应用于石油化工、能源、船舶制作、污水处理等工程设备和技术领域，液态流体中上升气泡的体积大小在矿物泡沫浮选、鼓泡反应器、污水处理、水力减阻和细胞孵化等过程中都起着重要的作用。泡沫浮选时，气泡在液相中停留时间和运动历程越长对矿物浮选越有利；相反在微流控和热交换系统中则需要气泡更快离开。通过改变气泡的大小，不仅可以改变气泡的运动速度，还可以改变比表面积的大小。通过增大比表面积从而增加了物理/化学反应的接触面积，大大提高反应效率。
虽然可以通过微流控的实验装置产生得到(1-2)mm的气泡，但是通过这种方法在生成的气泡仅限于在微通道内运动，并且微流控的实验装置会出现管道堵塞导致无法生成气泡的情况，所以如何在开放壁面上生成(1-2)mm气泡显得尤为重要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种无需能量输入的诱导气泡分裂方法，利用气泡在超疏水轨道几何梯度变化的区域内发生的瞬时加速铺展来实现气泡分裂。
本发明通过在平面基底上设计并制作，得到非等宽的具有几何梯度的超疏水轨道，使得除了超疏水轨道区域，其它基底平面区域为非疏水表面，超疏水轨道由等宽段轨道与扩散段轨道组成。
当水体浸没超疏水轨道后，气泡在浮力的作用下做自由上浮运动，在触碰超疏水轨道时，由于超疏水轨道的超亲气性，气泡在等宽段段轨道上迅速铺展，同时受表面张力的作用而形成稳定的非球状，最终被稳定吸附在等宽段轨道上，在浮力和超疏水轨道对其粘附力的作用下沿等宽段段轨道做直线运动。
当气泡从等宽段滑移至扩散段时，由于气泡进入扩散段的部分在扩散状超疏水壁面吸引下发生短时加速铺展而加速向前运动，此时处在等宽段的气泡部分则保持原有较小的上升速度，这两者极强的速度差异直接导致气泡的撕裂，气泡在界面张力的作用下遵循表面自由能最小的原则，开始分裂成多个小气泡，至此微小气泡制备完成，可供后续工程应用和研究。同等气泡直径D下，通过改变轨道的等宽段宽度和扩散段扩散角α可以有效调节分裂后的气泡大小；具体相同几何梯度的轨道，改变初始气泡直径可以也可以调整分裂后气泡的大小。
所述气泡为任意气泡。
所述超疏水轨道等宽段宽度为1D 。
所述的扩散段和等宽段扩散角α为1°～90°。
所述的等宽段和扩散段可以为不同的超疏水表面。
所述的超疏水轨道其液滴接触角为150°～180°。
所述的超疏水基底壁面可以为玻璃、金属、亚克力及其它亲水工程材料；
所述的超疏水轨道厚度小于0.1mm；
所述的流体可以为牛顿或者非牛顿流体；
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
(1)本发明制备简单，成本低，能够快速地在开放壁面上获得微小气泡。
(2)本发明通过一个大气泡分裂成许多个小气泡，产生的小气泡比表面积大。
(3)本发明可以通过改变初始气泡直径改变分裂后气泡的大小。
(4)本发明可以在开放壁面上生成直径小于1mm的气泡。
附图说明
图1为具有几何梯度的超疏水轨道示意图。
图2为气泡在超疏水轨道上分裂过程示意图。
图3为实际实验时气泡在超疏水轨道上分裂过程图。
图4为实际实验时超疏水轨道上分裂产生的微小气泡放大图。
1：扩散段；2：等宽段；α：扩散段和等宽段的扩散角。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
本实施例以玻璃平板作为基底，喷涂上一层超疏水涂料，接触角为160°，擦拭除去超疏水涂料边缘多余部分，使超疏水轨道具有等宽段2与扩散段1，其中等宽段轨道两侧始终平行，两侧之间距离为1mm，扩散段和等宽段夹角α为1°。
当水体浸没超疏水轨道后，气泡在浮力的作用下做自由上浮运动，在触碰超疏水轨道时，由于超疏水轨道的超亲气性，气泡在等宽段段轨道上迅速铺展，同时受表面张力的作用而形成稳定的非球状，最终被稳定吸附在等宽段轨道上，在浮力和超疏水轨道对其粘附力的作用下沿等宽段段轨道做直线运动。
当气泡从等宽段滑移至扩散段时，由于气泡进入扩散段的部分在扩散状超疏水壁面吸引下发生短时加速铺展而加速向前运动，此时处在等宽段的气泡部分则保持原有较小的上升速度，这两者极强的速度差异直接导致气泡的撕裂，气泡在界面张力的作用下遵循表面自由能最小的原则，开始分裂成多个直径（1-2）mm小气泡（如图3，图4所示），至此微小气泡制备完成，可供后续工程应用和研究。本发明在等宽段后采用扩散段连接，可以使气泡前端在接触到扩散段后迅速沿扩散段铺开，气泡与超疏水轨道的接触线变大，产生较快的速度，与还在等宽段的气泡形成极快的速度差，使气泡撕裂。如若使用收缩段连接，气泡与超疏水轨道的接触线变小，使气泡速度变小，则不能使气泡分裂。
综上，本发明制备简单，成本低，能够快速地在开放壁面上获得（1-2）mm小气泡，并且能够根据不同场景的需求通过改变轨道的宽度，改变扩散段和等宽段夹角来调节分裂的气泡大小，通过这种由一个气泡分裂产生的微小气泡由于体积小、比表面积大，增加了物理/化学反应的接触面积，大大提高反应效率。

Claims (9)

1.平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法，其特征在于：
在平面基底上设计并制作超疏水轨道，得到非等宽的具有几何梯度的超疏水轨道，使得除了超疏水轨道区域，其它平面基底平面区域为非疏水表面，所述的超疏水轨道由等宽段轨道与扩散段轨道组成；
当水体浸没超疏水轨道后，气泡在浮力的作用下做自由上浮运动，在触碰超疏水轨道时，由于超疏水轨道的超亲气性，气泡在等宽段轨道上迅速铺展，同时受表面张力的作用而形成稳定的非球状，最终被稳定吸附在等宽段轨道上，在浮力和超疏水轨道对其粘附力的作用下沿等宽段轨道做直线运动；
当气泡从等宽段轨道滑移至扩散段轨道时，由于气泡进入扩散段轨道的部分在扩散状超疏水壁面吸引下发生短时加速铺展而加速向前运动，此时处在等宽段轨道的气泡部分则保持原有较小的上升速度，这两者极强的速度差异直接导致气泡的撕裂，气泡在界面张力的作用下遵循表面自由能最小的原则，开始分裂成多个小气泡，至此微小气泡制备完成。
2.根据权利要求1所述的平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法，其特征在于：同等气泡直径下，通过改变等宽段轨道的宽度和扩散段轨道的扩散角可以有效调节分裂后的气泡大小。
3.根据权利要求1所述的平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法，其特征在于：在具体相同几何梯度的超疏水轨道中，改变初始气泡直径可以调整分裂后气泡的大小。
4.根据权利要求1所述的平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法，其特征在于：所述超疏水轨道等宽段的宽度与气泡直径相同。
5.根据权利要求2所述的平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法，其特征在于：所述扩散角为1°～90°。
6.根据权利要求1所述的平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法，其特征在于：所述的等宽段轨道和扩散段轨道为不同的超疏水表面。
7.根据权利要求1所述的平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法，其特征在于：所述的超疏水轨道其液滴接触角为150°～180°。
8.根据权利要求1所述的平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法，其特征在于：所述的超疏水基底壁面为亲水工程材料，包括玻璃、金属或亚克力。
9.根据权利要求1所述的平面内超疏水轨道调控气泡分裂的方法，其特征在于：所述的超疏水轨道厚度小于0.1mm。
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