CN112156896B - 一种利用超亲气丝轨道控制液体中气泡上升的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用超亲气丝轨道控制液体中气泡上升的方法。发明是将超亲气丝轨道通过轨道支座固定安装在液体中，丝轨道表面会均匀覆盖一层微米级的气膜，当液体中的气泡与丝轨道靠近并最终接触时，丝轨道与气泡之间的液膜会发生破裂，并由此吸附气泡，气泡在浮力和丝轨道粘附力的共同作用下开始发生滑移；气泡直径与丝轨道直径比值k的不同可以调控气泡上升运动模式和上升速度。本发明通过调整丝轨道直径及其浸润性实现对气泡上浮形态、轨迹与速度的控制，且所受控制的气泡与丝轨道的接触线为圆环状，比表面积几乎没有衰减，增加了物理/化学反应的接触面积，提高了传质传热效率。

Description

一种利用超亲气丝轨道控制液体中气泡上升的方法
技术领域
本发明涉及多相流技术和水动力技术领域，具体涉及利用超亲气丝轨道控制液态流体中气泡上浮时形态、轨迹和速度的方法。
背景技术
气泡在自由上升过程中会受到浮力、重力等力的作用，这些力使气泡在液体运动过程中发生形变，扰动流场，流场的改变会反作用于气泡，导致气泡在液体中的上升轨迹难以控制。
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越长，比表面积越大对矿物浮选越有利；相反在微流控和热交换系统中则需要气泡更快离开。在鼓泡反应器中，若分布均匀的气泡，兼具较大速度及比表面积则能够极大地提高鼓泡反应器的反应效率。污水处理中可以通过控制气泡的运动轨迹及气泡的上升速度从而加快污水中微颗粒物的凝结。综上，气泡运动精准操控对上述诸多工业过程而言非常重要，如何确保气泡有大的比表面积的同时控制气泡运动轨迹和速度则成了关键。
虽然可以通过在平面上制作超疏水轨道来控制气泡，但是这种方法控制的气泡与超疏水轨道接触面积大，减小了气泡的比表面积，一定程度上限制了气泡在流体环境中的反应效率。所以如何在控制气泡输运的同时保证气泡拥有较大的比表面积显得尤为重要，另外平面轨道很大程度上限制了气泡运动的自由度，使其传质传热空间自由度受到一定影响。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种控制气泡输运的同时保证气泡拥有较大的比表面积方法，利用超亲气丝轨道在确保气泡有较大的比表面积同时控制气泡的定向、定型输运。
本发明是将超亲气丝轨道通过轨道支座固定安装在液体中，由于轨道的超亲气性，当以合适的速度将丝轨道放置于液体中时，丝轨道表面会均匀覆盖一层微米级的气膜，当液体中的气泡与丝轨道靠近并最终接触时，丝轨道与气泡之间的液膜会发生破裂，并由此吸附气泡，气泡在浮力和丝轨道粘附力的共同作用下开始发生滑移；同时由于气泡与丝轨道的接触线为圆环状，确保了气泡的比表面积几乎没有衰减，并随着气泡直径与丝轨道直径比值k的不同可以调控气泡上升运动模式和上升速度。
所述的k为3～9时，气泡为小变形的球状气泡，在超亲气丝轨道上螺旋上升，此时气泡的速度为0.15～0.30m/s小于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。
所述的k为1.6～3时，气泡为大变形不规则形状气泡，沿超亲气丝轨道旋转上升，速度为0.27～0.32m/s近似于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。
所述的k为1～1.6时，气泡为类橄榄球状气泡，在超亲气丝轨道上双向震荡上升，气泡的速度为0.34～0.37m/s大于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。
所述的k为0.2～1时，气泡在超亲气丝轨道上某一侧小幅度旋转上升，气泡的速度为0.34～0.45m/s大于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。
所述气泡的等效直径deq为1mm～5mm。
所述超亲气丝轨道直径D为0.5mm～5mm。
所述气泡直径与丝轨道直径比值k为0.2～9。
所述的超亲气丝表面涂层其水滴接触角为150～180°。
所述的超亲气丝基底可以为不锈钢、玻璃、金属、亚克力及其它亲水工程材料。
所述的涂层可以为纳米二氧化硅、氧化锌、干燥荷叶及其它接触角满足要求的超疏水材料。
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，适用于实际工程应用且无需能量输入，仅依靠气泡自身浮力、壁面粘附力等因素，通过调整丝轨道直径及其浸润性实现对气泡上浮形态、轨迹与速度的控制。
(2)本发明中所受控制的气泡与丝轨道的接触线为圆环状，比表面积几乎没有衰减，增加了物理/化学反应的接触面积，提高了传质传热效率。
(3)本发明仅需一根超亲气丝轨道即可实现对气泡的控制，占用空间小、容积率高、可扩展性和可行性强。
附图说明
图1 超亲气丝轨道示意图；
图2 D=0.5mm, k=8气泡运动轨迹叠加图，时间间隔为0.025s；
图3 D=1.5mm, k=2.4气泡运动轨迹叠加图，时间间隔为0.02s；
图4 D=2.0mm, k=1.6气泡运动轨迹叠加图，时间间隔为0.0125s；
图5 D=3.0mm, k=0.7气泡运动轨迹叠加图，时间间隔为0.0125s。
具体实施方式
将直径为1mm的不锈钢丝用去离子水冲洗，用干净的压缩空气吹干，再将无水乙醇倒至无纺布上对不锈钢丝表面进行擦拭，去除残留在玻璃平板表面的杂质，确保干净后用干净的压缩空气吹干待用。将干净的超亲气丝竖直放置，接着用超疏水溶液对其进行喷涂，喷涂完成后静置一段时间，将不锈钢丝放置真空干燥箱中20分钟以上，使超疏水溶液中的溶质纳米SiO2均匀附着在不锈钢丝表面，形成超疏水膜；其中，真空干燥箱中的环境设定为：气压为3.0Mpa，温度为160℃。上述喷涂步骤重复3次后，将表面带有超疏水结构的超亲气单丝2取出冷却。如图1所示，将制得的超亲气单丝通过夹具固定在不锈钢框架1上，至此，超亲气丝轨道制作完毕。
原理验证试验时，将带有超亲气丝轨道的框架沿竖直方向缓慢放入水中，丝轨道表面会均匀覆盖一层微米级的气膜，采用注射泵配合针管组成的气泡发生装置放置在超亲气单丝轨道下方1mm处，通过气泡发生装置产生直径（1-5）mm的气泡3。当水中的气泡与丝轨道靠近并最终接触时，丝轨道与气泡之间的液膜会发生破裂，并由此吸附气泡开始发生滑移。
在实际工程应用中，将超亲气丝轨道竖直放置在装有液体的反应器中，气体从反应器底端向上经分布器以气泡形式通过液体，这些气泡的尺度范围通常以直径（1-5）mm左右分布最为广泛。这些气泡在浮力的作用下自由上升，在上升过程中气泡与丝轨道靠近并最终接触，丝轨道与气泡之间的液膜会发生破裂，并由此吸附气泡开始发生滑移。
在D=0.5mm, k=8的情况下，气泡产生后附着到超亲气丝轨道上，其气泡运动轨迹如图2所示。在这种情况下，气泡直径远大于超亲气丝轨道的直径，在超亲气丝轨道之外还存在大量的气体，最终气泡在浮力，水对气泡阻力以及超疏水丝表面的粘附力共同作用下以0.19 m/s的速度上浮。
在D=1.5mm, k=2.4的情况下，气泡产生后附着到超亲气丝轨道上，其气泡运动轨迹如图3所示。在这种情况下，气泡在超亲气丝轨道上无规则旋转上升，最终气泡在浮力，水对气泡阻力以及超疏水丝表面的粘附力共同作用下以0.30 m/s的速度上浮。
在D=2.0mm, k=1.6的情况下，气泡产生后附着到超亲气丝轨道上，其气泡运动轨迹如图4所示。在这种情况下，气泡在超亲气丝轨道上呈形状震荡上升，最终气泡在浮力，水对气泡阻力以及超疏水丝表面的粘附力共同作用下以0.34 m/s的速度上浮。
在D=3.0mm, k=0.7的情况下，气泡产生后附着到超亲气丝轨道上，其气泡运动轨迹如图5所示。在这种情况下，气泡在超亲气丝轨道上某一侧小幅度旋转上升，最终气泡在浮力，水对气泡阻力以及超疏水丝表面的粘附力共同作用下0.39 m/s的速度上浮。
综上所述，合理的通过控制超亲气丝轨道丝径D可以有效的达到控制气泡上浮时形态、轨迹和速度的目的，且其上浮过程中无另外能量输入，便能控制气泡沿直线上浮，及控制气泡上浮时的速度。因此该方法在多相流和节能技术领域具有极大的使用价值。

Claims (5)

1.一种利用超亲气丝轨道控制液体中气泡上升的方法，其特征在于：
将直径为0.5mm～5mm的超亲气丝轨道通过轨道支座固定安装在液体中，由于超亲气丝轨道的超亲气性，当以合适的速度将超亲气丝轨道放置于液体中时，超亲气丝轨道表面会均匀覆盖一层微米级的气膜，当液体中的等效直径为1mm～5mm的气泡与超亲气丝轨道靠近并最终接触时，超亲气丝轨道与气泡之间的液膜会发生破裂，并由此吸附气泡，气泡在浮力和超亲气丝轨道粘附力的共同作用下开始发生滑移；
由于气泡与丝轨道的接触线为圆环状，确保了气泡的比表面积几乎没有衰减，并随着气泡直径与丝轨道直径比值k的不同可以调控气泡上升运动模式和上升速度，所述气泡直径与丝轨道直径比值k为0.2～9；
所述的超亲气丝轨道采用不锈钢丝，所述不锈钢丝的表面喷涂有超疏水溶液。
2.根据权利要求1所述的一种利用超亲气丝轨道控制液体中气泡上升的方法，其特征在于：
所述的k为3～9时，气泡为小变形的球状气泡，在超亲气丝轨道上螺旋上升，此时气泡的速度为0.15～0.30m/s，小于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。
3.根据权利要求1所述的一种利用超亲气丝轨道控制液体中气泡上升的方法，其特征在于：
所述的k为1.6～3时，气泡为大变形不规则形状气泡，沿超亲气丝轨道旋转上升，速度为0.27～0.32m/s，近似于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。
4.根据权利要求1所述的一种利用超亲气丝轨道控制液体中气泡上升的方法，其特征在于：
所述的k为1～1.6时，气泡为类橄榄球状气泡，在超亲气丝轨道上双向震荡上升，气泡的速度为0.34～0.37m/s，大于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。
5.根据权利要求1所述的一种利用超亲气丝轨道控制液体中气泡上升的方法，其特征在于：
所述的k为0.2～1时，气泡在超亲气丝轨道上某一侧小幅度旋转上升，气泡的速度为0.34～0.45m/s，大于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。
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CN114956241B (zh) * 2022-06-10 2023-07-28 中国计量大学 一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法
CN115317960B (zh) * 2022-07-29 2024-01-26 中国计量大学 一种精准分割气泡和自由释放子气泡的方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI429745B (zh) * 2007-06-19 2014-03-11 Renewable Algal Energy Llc 微藻類調理及濃縮的方法
CN110255654B (zh) * 2019-05-15 2022-09-06 中国计量大学 一种水体中气泡沿直线上浮的控制方法
CN110629544B (zh) * 2019-10-09 2022-10-04 三峡大学 水下虹吸管材料及其制备方法和应用
CN110745897B (zh) * 2019-10-29 2020-07-14 广东工业大学 一种在水下实现连续传输气泡的仿生结构及其加工方法
CN111548024B (zh) * 2020-05-22 2022-06-21 中国计量大学 平面内超疏水轨道上单丝分裂气泡的方法

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