CN114870547B - 一种不对称锥刺阵列油雾收集装置及其制备、收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油雾收集装置技术领域，具体涉及一种不对称锥刺阵列油雾收集装置，包括基底及设置在基底上的若干个不对称锥刺；不对称锥刺阵列布设在基底上，相邻两排的不对称锥刺交错布设；不对称锥刺包括一体式连接的上半锥和下半锥，上半锥为半椭圆锥，下半锥为半圆锥，半椭圆锥与半圆锥汇合形成锥尖；半椭圆锥从锥底到锥尖曲率依次减小，到达锥尖端曲率为0；基底呈现疏油性，不对称锥刺呈现亲油性。本发明还公开了其制备方法和收集方法，所述不对成锥刺通过调整形状，使得拉普拉斯压差和重力方向相同，强化上半锥的输运效果，从而提高锥刺整体的集液输运效率，保证了整个锥刺自清洁性。

Description

一种不对称锥刺阵列油雾收集装置及其制备、收集方法

技术领域

本发明属于油雾收集装置技术领域，具体涉及一种不对称锥刺阵列油雾收集装置及其制备、收集方法。

背景技术

随着生产力的发展，环境的保护愈发得到重视。据研究统计，餐饮业产生的油烟粒径集中在2.5微米，微米级的油雾能被人体吸入，对人体的健康产生影响，由于油雾粒径过小，无法依靠自身重力沉降。

当前的油雾收集技术主要分为机械处理法、化学处理法和催化净化法，机械处理法中，惯性分离对于微米级的油烟收集效率低，静电式油烟净化效率高但是副产物为臭氧，对环境造成了进一步污染，活性炭吸附法必须不断更换，使用后期由于微孔被堵塞导致吸附效率降低。化学处理法中，光解法净化效率不稳定且安全性低，由于紫外光致癌，必须密封严实。催化净化法的效率高，但需要在高温才能进行催化反应，能耗高且危险性大。因此，当前的微米级油雾收集技术存在效率较低，能耗较大，且可能产生二次环境污染而违背油雾收集的初衷，另外，由于油的粘性较大，油雾收集结构的自清洁功能也一直没能得到解决，极大地影响油雾收集结构的使用寿命。因此寻找一种清洁、节能、高效且能够实现自清洁的微米级油雾收集技术迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种不对称锥刺阵列油雾收集装置及其收集方法，解决了目前收集装置无自清洁功能的问题。

本发明的目的之二在于提供一种不对称锥刺阵列油雾收集装置的制备方法，制备工艺简单，得到锥刺呈现亲油的特性而基底保持疏油特性的不对称锥刺阵列。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种不对称锥刺阵列油雾收集装置，包括基底及设置在基底上的若干个不对称锥刺；不对称锥刺阵列布设在基底上，相邻两排的不对称锥刺交错布设；

不对称锥刺包括一体式连接的上半锥和下半锥，上半锥为半椭圆锥，下半锥为半圆锥，半椭圆锥与半圆锥汇合形成锥尖；

半椭圆锥从锥底到锥尖曲率依次减小，到达锥尖端曲率为0；

基底呈现疏油性，不对称锥刺呈现亲油性。

进一步，在基底上开有多个通孔，通孔设置在相邻两个不对称锥刺之间。

进一步，半圆锥的半径为r，横向上，相邻两个不对称锥刺间距为2r；纵向上，相邻两个不对称锥刺间距为5r；

半椭圆锥长轴与短轴长度之比为2:1。

进一步，半圆锥的锥角为5°到15°。

进一步，不对称锥刺的高度为0.3-5mm。

进一步，不对称锥刺的接触角为60°以下。

本发明还公开了所述不对称锥刺阵列油雾收集装置的制备方法，包括以下步骤：

S1、成型基底和多个不对称锥刺，使基底呈现疏油性；

S2、将不对称锥刺全部在亲油溶液中浸润，至不对称锥刺呈现亲油的特性。

进一步，S1中，采用3d打印机打印出基底和不对称锥刺，打印材料采用疏油光固化树脂；

或采用机加工工艺制备好基底和不对称锥刺后，使用疏油液体修饰基底表面，至基底呈现疏油性。

进一步，S2中，亲油溶液的制备具体为：往乙酸乙酯溶剂中加入PDMS及PDMS固化剂，超声震荡至完全溶解，得到亲油溶液。

本发明还公开了所述不对称锥刺阵列油雾收集装置的收集方法，包括以下过程：

朝着不对称锥刺一侧喷射油雾，在表面能的影响下，在不对称锥刺表面上油滴受到的表面力的方向为从尖端向根部；半圆锥上油滴受到的拉普拉斯压力方向由尖端指向根部；半椭圆锥上油滴受到的拉普拉斯压力方向由根部指向尖端；

在表面力和拉普拉斯压力的作用下，在半圆锥中，油滴沉积于锥尖端，在拉普拉斯压差和重力的作用下输运至锥刺底部与锥刺分离；

在半椭圆锥中，当基底上收集的油滴到达锥刺尾部时，部分聚集在锥底的油滴在拉普拉斯压差和重力的作用下向锥尖端移动，在锥尖端聚集后脱落；部分油滴会翻转进入下半锥，促进下半锥上油滴的输运。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种不对称锥刺阵列油雾收集装置，包括基底及设置在基底上的若干个不对称锥刺；不对称锥刺包括一体式连接的上半锥和下半锥，上半锥为半椭圆锥，下半锥为半圆锥，不对称锥刺具有亲油性，基底具有疏油性。由于表面能的影响，亲油表面的液滴倾向于与固体壁面更大的接触面积，因此在亲油表面上液滴受到的表面力的方向为从尖端向根部；上锥面底部为椭圆的长轴部分，曲率大而尖端为平面，曲率最小，从锥底到锥顶呈现曲率梯度下降的结果，受到拉普拉斯能够提供液滴从大曲率区域运动到小曲率区域的作用力；下半锥由于为半圆锥，从锥刺尖部向锥刺根部曲率不断降低，因此拉普拉斯压力在下半锥始终由尖端指向根部。在下半锥中，大量油滴沉积于尖端，在拉普拉斯压差和重力的作用下向锥底输运；在上半锥中，由于其凹形的结构，当基底收集的油滴到达锥刺尾部时，在拉普拉斯压差的作用下少部分聚集在锥底的液滴会在拉氏压差和重力的作用下向尖端移动，并聚集。部分液滴会翻转进入下半锥，促进下半锥的输运；部分液滴会直接在尖端脱落。该不对称结构相较于普通圆锥的优势在于，传统的圆锥在集液时由于上半锥拉普拉斯压差和重力的方向相反，不利于液滴的输运，下半圆锥起到主导作用。本发明所述不对成锥刺通过调整形状，使得拉普拉斯压差和重力方向相同，强化上半锥的输运效果，从而提高锥刺整体的的集液输运效率，保证了整个锥刺自清洁性。

进一步，通过仿真实验得到了半圆锥的锥角为5°到15°，当锥角过小时，集油效率急剧下降，当锥角处于5°至7.6°时，集油效率最高，高于98%，当锥角大于7.6°时，随着锥角的增大，集油效率降低。

进一步，通过研究锥刺长度对集油效率的影响，得到当刺长在0.5-1mm时，集油效率最高，高于98%。

附图说明

图1为本发明的不对称锥刺阵列油雾收集装置的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为不对称锥刺的结构示意图；

图4为图3的侧视图；

图5为图3的正视图；

图6为油滴在不对称锥刺表面各区域受力方向示意图；

图7为上半锥收集油滴自清洁示意图；

图8为下半锥收集油滴自清洁示意图。

其中，1为不对称锥刺，2为基底；

11为上半锥，12为下半锥。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“水平”“竖直”是基于附图所示装置或部件的方位和位置关系，仅是为了更好的描述本发明，而不是要求所示的装置、部件或设备必须具有该特定方位，因此不能理解为对本发明的限制。

以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。

如图1-5所示，本发明公开了一种不对称锥刺阵列油雾收集装置，包括基底2及设置在基底2上的若干个不对称锥刺1；不对称锥刺1阵列布设在基底2上，相邻两排的不对称锥刺1交错布设；不对称锥刺1包括一体式连接的上半锥11和下半锥12，上半锥11为半椭圆锥，下半锥12为半圆锥，半椭圆锥与半圆锥汇合形成锥尖。锥刺单根刺表面改性为亲油表面。

具体地，如图3所示，锥刺单根锥刺形态不对称，下半锥12刺为半圆锥，锥角可为5°到15°，优选的锥角为7.5°。

对下半锥12进行仿真设置：锥刺长度0.5mm，喷射速度0.3m/s, 接触角60度，待处理油量1.245*10^-3kg。改变锥角角度，仿真结果下表：

结果分析：当锥角过小时，集油效率急剧下降，当锥角处于5°至7.6°时，集油效率最高，高于98%，当锥角大于7.6°时，随着锥角的增大，集油效率降低。

如图4所示，上半锥11刺底面为半椭圆，优选的，椭圆的长轴与短轴长度之比为2:1，如图5所示，上半锥11从锥底到锥顶曲率依次减小，上半锥11刺接近底面处曲率最大，沿锥刺尖曲率依次减小，到达锥刺尖端曲率为0，即上半锥11刺刺尖处为平面，上半锥11刺侧线为下凹的曲线，接近锥尖处曲线斜率为0。

锥刺阵列刺与刺之间，排与排之间间隔为一个刺底面直径，锥刺之间采取插排。

更优地，在基底2上开有多个通孔，通孔设置在相邻两个不对称锥刺1之间。可以设置多个如图1-2所示的收集单元，通孔可以让多余的油雾穿过，在下一级的收集单元上进行收集。

本发明的不对称锥刺1阵列具有基底2自清洁功能，由于基底2疏油，保证了基底2上的油滴为滴状不成膜。由于采取叉排结构且倾斜放置收集，基底2上的油滴都会与锥刺发生接触。

锥刺上半锥11从锥根到锥尖曲率逐渐减小，即特殊的结构使得基底2上的油滴接触到上半锥11根部后会受到该结构提供的从锥根指向锥尖的拉普拉斯压差从而向尖端输运，即基底2所收集的油滴能够通过基底2上的锥刺与基底2分离而不会长久滞留于基地上污染整个结构，影响后续收集。

锥刺阵列单根锥刺具有锥刺自清洁功能，即下半锥12刺尖端所收集油滴能够快速输运至锥刺底部与锥刺分离，上半锥11刺所收集的油滴部分分流至下半锥12，部分在锥刺尖端脱离，而不会长久滞留于锥刺上污染锥刺，影响下一轮收集。

锥刺为微米级的尺度，刺高可为0.2mm至5mm不等，刺间距为一个锥底长度，即也为微米级别尺度。

锥刺长度对集油效率的影响：

仿真设置：锥角7.6度，喷射速度0.3m/s, 接触角60度，改变锥刺长度，

待处理油量1.245*10^-3kg。仿真结果如下表：

可以看出，当刺长在0.5-1mm时，集油效率最高，高于98%。

锥刺长度小于0.5mm时，随着刺长的增大集油效率显著升高，这是因为在锥角一定的条件下，锥刺长度的增加可以有效增大捕获的半径，从而在相同的刺间距的条件下达到更高的收集效率。

对上半锥11进行仿真模拟，具体为：建立椭圆-圆不对称锥刺模型，划分网格，导入FLUENT模拟，锥刺长度1mm，下半锥12锥角7.5°，在上半锥11底部布置半径为0.1mm的润滑油滴，润滑油物性为：密度900kg/m³，粘度0.0414kg/(ml*s)，两相表面张力0.03N/m，使用VOF模型计算，初始相为空气，锥刺全表面与油相接触角为60°。因初始油滴表面变化剧烈，小步长利于计算稳定，设初始步长为1e^-7，每步迭代30次，步长1000步。再采用变步长计算，1最大步长1e^-4，每步迭代20次，设置计算时长为1s。

经过迭代计算，可以发现，液滴经过短暂的变形与稳定后，在表面力与重力的作用下，快速向锥尖移动，在0.4s内即基本完成了输运过程，基本符合专利设计。再运用后处理软件Tecplot提取液滴中心点位移和仿真动画展示，液滴确实快速向锥尖移动。

本发明提供两种制备方法：

实施例一：树脂模板复刻

制作厚度为1cm的热固化树脂薄片（如丙烯酸树脂等），采用机械加工工艺制作相应的不对称结构金属锥刺并安装在三维高精度滑台上（滑台精度为0.05mm），在PLC控制器程序控制下在树脂薄片上扎取阵列，阵列采用插排，即排与排之间平移一个锥刺底面距离。

优选的，锥刺之间的距离为单个锥底长度，当锥刺锥长为0.5mm时，锥刺之间的间距为0.5mm。

扎孔完成后，对所得模板进行疏油修饰，将所得模板置于一密闭装置中，在模板四周滴氟硅烷，密封，将装置置于60°烘箱中3h，关闭烘箱电源让其自然冷却，低表面自由能的氟硅烷嫁接在模板表面即得疏油模板表面。

在所得疏油模板表面涂覆热固化树脂（例如丙烯酸树脂），送入真空箱真空除气30min，再次涂覆树脂，重复上述操作2-3次，使得所扎孔洞内树脂充分没入。抽真空操作完成后置于烘箱内热固化树脂（固化时间和温度由具体树脂决定），由于模板已做低表面能处理，所得锥刺阵列可直接取出不会与模板粘连。

将所得锥刺阵列四周滴下几滴氟硅烷，密封装置置于60°烘箱内中3h进行低表面能修饰，关闭烘箱使之自然冷却，即得疏油锥刺阵列。

往乙酸乙酯溶剂中加入二甲基硅油，采用超声仪超声震荡至完全分解得到稀释的亲油改性试剂。将锥刺阵列固定在三维高精度滑台上(精度0.05mm)，采用步进的方式控制锥刺阵列的上下移动，使得锥刺阵列的锥尖部分在改性溶液中充分浸润呈现亲油的特性而底部锥面仍保持疏油的特性。

使锥刺阵列保持锥尖朝下的状态（防止改性试剂污染下半锥12及锥底），在烘箱中60℃干燥固化6h，即制得上半锥11亲油，下半锥12及底板疏油的非对称插排锥刺阵列。

实施案例二：

采用10μm精度的3d打印机打印出非对称锥刺阵列，打印材料可选为疏油光固化树脂。

测量光固化树脂对油的接触角，如果疏油角度不够可以对所得模板进行低表面能修饰，即将所得模板置于一密闭装置中，在模板四周滴氟硅烷，密封，将装置置于60°烘箱中3h，关闭烘箱电源让其自然冷却，低表面自由能的氟硅烷嫁接在锥刺阵列表面即得疏油锥刺阵列。

往乙酸乙酯溶剂中加入二甲基硅油，采用超声仪超声震荡至凝胶完全分解得到稀释的亲油改性试剂。将锥刺阵列固定在三维高精度滑台上(精度0.05mm)，采用步进的方式控制锥刺阵列的上下移动，使得锥刺部分在改性溶液中充分浸润呈现亲油的特性而基底2仍保持疏油的特性。

使锥刺阵列保持锥尖朝下的状态，防止改性试剂污染及锥底，在烘箱中60℃干燥固化6h，即制得锥刺部分亲油，锥底板疏油的非对称插排锥刺阵列。

壁面接触角对集油效率的影响：

仿真设置：刺长0.5mm, 刺锥角7.6度，喷射速度0.3m/s,待处理油量1.245*10^-3kg。

仿真结果如下表：

从表中可以看到，当油滴与壁面的接触角小于90度时，集油效率极高，即锥刺表面处于亲油状态时，收集效率最高。但当壁面接触角大于90度时，集油效率陡然下降。

疏油结构表面液滴受到的驱动非常小，收集过程中，可能会由于接触角滞后效应、表面污染或者表面形状的误差等原因使得液滴不会产生定向移动，不利于液滴的定向收集，因而亲油表面更适合作为油滴收集表面。就仿真结果来看，接触角θ越小，越有利于油滴的收集，亲油表面更适合作为含油废气处理的锥刺表面。

在微米级液滴的物理法收集过程中，主要可分为液滴位置固定，体积长大和液滴体积不变，液滴位置发生运动两个过程。在液滴的生长阶段，液滴的位置不变，与固体之间的接触角不断增大。而在液滴的输运阶段，液滴与固体之间的接触角不再进一步增大，即单颗液滴的体积不再增加，液滴的位置发生移动。

液滴在锥刺表面各部分受力图见图6所示，由于表面能的影响，亲油表面的液滴倾向于与固体壁面更大的接触面积，因此在亲油表面上液滴受到的表面力的方向为从尖端向根部。锥刺根部与锥刺尖部相比表面积变化梯度减小，表面力提供的从根部向锥刺中部的输运力不足，不利于锥刺结构基底2的自清洁。

受到拉普拉斯能够提供液滴从大曲率区域运动到小曲率区域的作用力的启发，设计制作了不对称锥刺阵列，上锥面底部为椭圆的长轴部分，曲率大而尖端为平面，曲率最小，从锥底到锥顶呈现曲率梯度下降的结果。

下半锥12由于为半圆锥，从锥刺尖部向锥刺根部曲率不断降低，因此拉普拉斯压力在下半锥12始终由尖端指向根部。

单根锥刺实现收集油雾的自清洁原理：

插排的阵列结构保证了相邻排的锥刺集油不易相互影响。将锥形刺阵列竖直进行微米级油滴的收集，在上述的描述下液滴容易在下半锥12尖端及上半锥11底部进行聚集并生长。如图8所示，在下半锥12中，大量油滴沉积与尖端，在拉普拉斯压差和重力的作用下向锥底输运；如图7所示，在上半锥11中，由于其凹形的结构，当基底2收集的油滴到达锥刺尾部时，在拉普拉斯压差的作用下少部分聚集在锥底的液滴会在拉氏压差和重力的作用下向尖端移动，并聚集。部分液滴会翻转进入下半锥12，促进下半锥12的输运；部分液滴会直接在尖端脱落。该不对称结构相较于普通圆锥的优势在于，传统的圆锥在集液时由于上半锥11拉普拉斯压差和重力的方向相反，不利于液滴的输运，下半圆锥起到主导作用。本发明所述不对成锥刺通过调整形状，使得拉普拉斯压差和重力方向相同，强化上半锥11的输运效果，从而提高锥刺整体的集液输运效率，保证了整个锥刺自清洁性。

由于本发明所述不对称锥刺1整体为亲油表面，大部分的液滴脱落于锥刺底部，由于锥底疏油，在基底2上呈珠状向下滚落，故要求所收集的油滴黏度较小。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不对称锥刺阵列油雾收集装置，其特征在于，包括基底（2）及设置在基底（2）上的若干个不对称锥刺（1）；不对称锥刺（1）阵列布设在基底（2）上，相邻两排的不对称锥刺（1）交错布设；

不对称锥刺（1）包括一体式连接的上半锥（11）和下半锥（12），上半锥（11）为半椭圆锥，下半锥（12）为半圆锥，半椭圆锥与半圆锥汇合形成锥尖；

半椭圆锥从锥底到锥尖曲率依次减小，到达锥尖端曲率为0；

基底（2）呈现疏油性，不对称锥刺（1）呈现亲油性。

2.根据权利要求1所述的一种不对称锥刺阵列油雾收集装置，其特征在于，在基底（2）上开有多个通孔，通孔设置在相邻两个不对称锥刺（1）之间。

3.根据权利要求1所述的一种不对称锥刺阵列油雾收集装置，其特征在于，半圆锥的半径为r，横向上，相邻两个不对称锥刺（1）间距为2r；纵向上，相邻两个不对称锥刺（1）间距为5r；

半椭圆锥长轴与短轴长度之比为2:1。

4.根据权利要求1所述的一种不对称锥刺阵列油雾收集装置，其特征在于，半圆锥的锥角为5°到15°。

5.根据权利要求1所述的一种不对称锥刺阵列油雾收集装置，其特征在于，不对称锥刺（1）的高度为0.3-5mm。

6.根据权利要求1所述的一种不对称锥刺阵列油雾收集装置，其特征在于，不对称锥刺（1）的接触角为60°以下。

7.权利要求1-6任意一项所述不对称锥刺阵列油雾收集装置的制备方法，包括以下步骤：

S1、成型基底（2）和多个不对称锥刺（1），使基底（2）呈现疏油性；

S2、将不对称锥刺（1）全部在亲油溶液中浸润，至不对称锥刺（1）呈现亲油的特性。

8.根据权利要求7所述的一种不对称锥刺阵列油雾收集装置的制备方法，其特征在于，S1中，采用3d打印机打印出基底（2）和不对称锥刺（1），打印材料采用疏油光固化树脂；

或采用机加工工艺制备好基底（2）和不对称锥刺（1）后，使用疏油液体修饰基底（2）表面，至基底（2）呈现疏油性。

9.根据权利要求7所述的一种不对称锥刺阵列油雾收集装置的制备方法，其特征在于，S2中，亲油溶液的制备具体为：往乙酸乙酯溶剂中加入PDMS及PDMS固化剂，超声震荡至完全溶解，得到亲油溶液。

10.权利要求1-6任意一项所述不对称锥刺阵列油雾收集装置的收集方法，包括以下过程：

朝着不对称锥刺（1）一侧喷射油雾，在表面能的影响下，在不对称锥刺（1）表面上油滴受到的表面力的方向为从尖端向根部；半圆锥上油滴受到的拉普拉斯压力方向由尖端指向根部；半椭圆锥上油滴受到的拉普拉斯压力方向由根部指向尖端；

在表面力和拉普拉斯压力的作用下，在半圆锥中，油滴沉积于锥尖端，在拉普拉斯压差和重力的作用下输运至锥刺底部与锥刺分离；

在半椭圆锥中，当基底（2）上收集的油滴到达锥刺尾部时，部分聚集在锥底的油滴在拉普拉斯压差和重力的作用下向锥尖端移动，在锥尖端聚集后脱落；部分油滴会翻转进入下半锥（12），促进下半锥（12）上油滴的输运。

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