CN113318620A - 一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法。本发明通过在流体介质中布置n根超亲气丝轨道，超亲气丝轨道间的夹角是上大下小。当气泡从超亲气丝轨道下端粘上，在浮力和粘附力的作用下，克服气泡的表面张力，进而导致气泡的分裂。分裂后生成的n个子气泡也在浮力和粘附力的作用下，沿着超亲气丝轨道定向滑移。通过控制超亲气丝轨道的数量n来控制分裂后气泡的数量、大小；通过控制超亲气丝轨道直径D来控制分裂后气泡的滑移速率；通过控制超亲气丝轨道之间的夹角θ来控制分裂后气泡的滑移速率和实现分裂后气泡的定向运输。本发明中的气泡制备简单，成本低，无需外部的能源驱动，仅在浮力和粘附力的作用下，实现气泡的分裂。

Description

一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法
技术领域
本发明属于多相流技术领域，具体涉及利用多根超亲气丝轨道控制气泡在液体溶液中进行分裂和滑移。
背景技术
在自然界和现代工业的生产过程中，气液两相流现象无处不在，它与我们的日常生活关系密切。目前，在能源动力工程中的锅炉、石油、天然气的输送过程，冶金工程中的熔炼炉，化学工程设备中的各式气—液反应器，生物环境工程中的污水处理过程和造纸过程，选矿工程中的浮选过程中，都广泛存在气液两相流动。在两相流体系中气体通常以气泡形式分散到液体中。所以在气液两相系统中，存在着大量的气泡。气泡的形成、分裂及其因浮力的上升运动是气液两相流中重要的基本现象。
在诸如化工、能源、污水处理、船舶设计等领域，气泡被广泛地运用。液态流体中上升气泡的操控对矿物泡沫浮选、热交换系统、鼓泡反应器、污水处理和水力减阻等过程至关重要。泡沫浮选时，气泡在液相中停留时间和运动历程越长（即降低气泡的滑移速度），越会吸附矿物，由此对矿物浮选越有利；在热交换系统中，大气泡会阻碍系统的热交换，可以通过把大气泡分裂成小气泡，增大气泡的比表面积，以此来提高系统的传热效率。此外，小气泡具有的较大的比表面积，增大了物理/化学反应中反应物的接触面积，大大提高了反应效率。综上，气泡的分裂操控和滑移运动控制对上述诸多工业过程而言非常重要。
目前气泡的分裂多见于微流控芯片中，通过流体的剪切应力和压力共同作用，使得气泡分裂。但此方法不太便利，效果较差。
发明内容
为了实现气泡的分裂操控和滑移运动控制，本发明提供了一种无需外部能量输入的诱导气泡分裂和定向输运的方法，利用气泡在多根超亲气丝上几何梯度的变化，通过丝轨道对气泡施加的粘附力使得气泡进行分裂，并通过浮力和丝轨道的粘附力使得分裂后的气泡沿着丝轨道进行定向滑移。
本发明通过在流体介质中布置n根超亲气丝轨道，超亲气丝轨道之间为非平行布置，超亲气丝轨道间的夹角是上大下小。当气泡从超亲气丝轨道下端粘上，在浮力和粘附力的作用下，克服气泡的表面张力，进而导致气泡的分裂。分裂后生成的n个子气泡也在浮力和粘附力的作用下，沿着超亲气丝轨道定向滑移。通过控制超亲气丝轨道的数量n来控制分裂后气泡的数量、大小；通过控制超亲气丝轨道直径D来控制分裂后气泡的滑移速率；通过控制超亲气丝轨道之间的夹角θ来控制分裂后气泡的滑移速率和实现分裂后气泡的定向运输。
所述的流体介质可以为不破坏丝轨道超亲气性的牛顿流体或者非牛顿流体；
所述的超亲气丝轨道数量n≥2；
所述的超亲气丝轨道夹角θ为5°~180°；
所述的超亲气丝轨道可以为弯曲的轨道；
所述的超亲气丝轨道可以为本身具有超亲气性的物体，例如电化学腐蚀的铜棒等，也可以非超亲气材料（金属、玻璃等）为基底，涂上一层超亲气材料，例如超亲气纳米颗粒溶液Glaco、纳米二氧化硅、微米级四角状ZnO、干燥荷叶等。
与现有的技术相比较，本发明的有益效果是：
（1）本发明制备简单，成本低，无需外部的能源驱动，仅在浮力和粘附力的作用下，实现气泡的分裂。
（2）本发明可以控制不同大小的气泡，通过多丝布置，同时实现气泡的多个分裂和定向迁移。
（3）本发明采用的涂层材料广泛，可行性高。
附图说明
图1是超亲气双丝的实验装置示意图。
图2是实验中气泡在超亲气双丝上分裂和滑移过程图。
附图中的标号分别为：
1、固定架；2、水箱；3、纯净水；4、螺孔；5、超亲气丝；6、气泡；7、喷嘴。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本实例以超亲气双丝为例，以不锈钢丝为基底，喷涂上一层超亲气纳米颗粒溶液Glaco，形成超亲气丝5。两根超亲气丝5成15°的夹角被固定在固定支架1的卡槽上，而固定支架1通过螺孔4进行固定。水箱2中灌了一部份纯净水3，底部固定着一个内径为2.5mm外径为3mm的11号喷嘴7，产生约4.62mm的气泡6。
当纯净水3浸没超亲气丝5时，气泡6在浮力的作用下自由上浮，在接触到超亲气双丝时，由于对称双丝轨道的超亲气性，气泡会被双丝迅速捕捉。之后，在浮力和双丝对气泡6的粘附力的作用下，沿着双丝轨道上升。随着气泡6的逐渐上升，双丝粘附力在水平方向的分力逐渐变大。当达到某一临界时，双丝粘附力在水平方向的分力克服了气泡自身的表面张力，使得气泡6分裂成两个子气泡。这两个子气泡分别沿着超亲气丝进行定向滑移。整个过程如图2所示，图上的气泡为每隔50ms拍摄的形态图的叠加。
本发明不局限于上述的实施方式，凡依本发明申请范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法，其特征在于：
在流体介质中布置n根超亲气丝轨道，超亲气丝轨道之间为非平行布置，超亲气丝轨道间的夹角上大下小；
当气泡从超亲气丝轨道下端粘上，在浮力和粘附力的作用下，克服气泡的表面张力，进而导致气泡的分裂；
分裂后生成的n个子气泡也在浮力和粘附力的作用下，沿着超亲气丝轨道定向滑移；
通过控制超亲气丝轨道的数量n来控制分裂后气泡的数量、大小；
通过控制超亲气丝轨道直径D来控制分裂后气泡的滑移速率；
通过控制超亲气丝轨道间的夹角θ来控制分裂后气泡的滑移速率和实现分裂后气泡的定向运输。
2.根据权利要求1所述的一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法，其特征在于：所述的超亲气丝轨道数量n≥2。
3.根据权利要求1所述的一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法，其特征在于：所述的超亲气丝轨道间夹角θ为5°~180°。
4.根据权利要求1所述的一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法，其特征在于：所述的超亲气丝轨道为弯曲的轨道。
5.根据权利要求1所述的一种利用超亲气丝控制气泡分裂和滑移的方法，其特征在于：所述的超亲气丝轨道为本身具有超亲气性的物体，例如电化学腐蚀的铜棒或以非超亲气材料为基底，涂上一层超亲气材料。
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