CN117550670A - 基于超疏水跨轨道阵列的高效气泡运输器、装置及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超疏水跨轨道阵列的高效气泡运输器、装置及制作方法。本发明中的一种高效气泡运输器，是在一基底材料上设置有超疏水轨道，所述的超疏水轨道呈阵列分布，用于提高气泡滑移速度。本发明的一种高效气泡运输装置，包含至少一个运输器，调整基底材料的间距用于增大自由上升气泡的捕获率。本发明涉及的气泡运输器制备简单，成本低并且可以重复使用。本发明控制跨轨道气泡沿着轨道路径继续上升并维持非常快速的上升速度。本发明通过调整基底材料的间距大小可以改变跨轨道气泡的捕获比例，从而加速气泡运输的过程。
Description
技术领域
本发明涉及水或水溶液中跨轨道气泡运动轨迹的控制，具体涉及一种基于超疏水跨轨道阵列的高效气泡运输器、装置及制作方法。
背景技术
气泡在液体中的定向运动是气液两相流中的典型问题,其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操控对鼓泡反应器、污水处理、水力减阻、微流体力学、微型反应堆技术和生物细胞孵化而言至关重要。例如鼓泡反应器要求气泡在上升过程中均匀分布，兼具较大速度及比表面积，这样能够充分释放鼓泡反应器的反应效率；在泡沫浮选中，气泡在液相中停留时间和运动历程越长对矿物质附着和浮选越有利；在微流控和热交换系统中则需要气泡更快离开液相，所以如何控制气泡的滑移速度和路径成为了这些领域的关键。
气泡在液体中运动时在浮力，重力等力的作用下使气泡在液体中发生运动并扰动流场，而流场又反作用于气泡使之在液体中的运动十分复杂，上升轨迹难以控制。
目前研究大多是利用超疏水单轨道进行气泡收集，单轨道在收集大气泡的过程中，轨道宽度增加的同时其上升速度将随之减小，因此，有必要发展一种制备工艺简单、成本低且可以有效提高大气泡滑移速度的装置，满足上述工程实际需要。
发明内容
本发明提出一种可加速水体中跨轨道气泡的上升速度并可以有效控制上升路径的气泡运输器、装置及制作方法。
本发明的第一方面，提供了一种高效气泡运输器，在一基底材料上设置有超疏水轨道，所述的超疏水轨道呈阵列分布，用于提高气泡滑移速度。
本发明的第二方面，提供了一种高效气泡运输装置，包含至少一个运输器，调整基底材料的间距用于增大自由上升气泡的捕获率。
本发明的第三方面，提供了一种制作运输器的方法，具体是：
在基底表面喷有超疏水涂层；
通过雕刻技术在基底表面上形成多条亲水区域，非亲水区域构成超疏水轨道阵列。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
(1)本发明涉及的气泡运输器制备简单，成本低并且可以重复使用。
(2)本发明控制跨轨道气泡沿着轨道路径继续上升并维持非常快速的上升速度。
(3)本发明通过调整基底材料的间距大小可以改变跨轨道气泡的捕获比例，从而加速气泡运输的过程。
(4)本发明适用的气泡群数密度范围广，无论气泡群密度大小都可以实现单轨道、跨轨道的气泡快速输运。
附图说明
图1高效气泡运输器的正面示意图；
图2跨轨道运输的实验装置示意图；
图3大规模气泡运输器示意图；
图4L＝3mm不同尺寸跨轨道气泡上浮轨迹正面图；
图5L＝2mm不同尺寸跨轨道气泡上浮轨迹正面图。
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。
为了有效控制跨轨道气泡运动轨迹和速度，本发明的技术方案是：在一块基底表面喷有超疏水涂层，通过雕刻技术在基底表面上刮出多条亲水区域，形成超疏水轨道阵列。通过改变阵列轨道的宽度W可以调节气泡沿单轨道上升的速度，调整基底材料的间距L可以增大自由上升气泡的捕获率。
在基底材料下方产生的气泡通过本发明中的导流板的引导很容易进入气泡运输器的工作区域，区域中的大部分气泡被超疏水轨道捕获并粘附在轨道上，在流体曳力和浮力的作用下粘附在轨道的气泡将获得更大的上升速度并且可以沿着单轨道或者横跨多个轨道上升，小部分气泡仍然自由上升，自由上升的气泡要么被吸收到滑移气泡中(合并)，要么被迎面碰撞的气泡向上推(无合并)以实现更快的上升速度；而跨轨道气泡尺度较大，即使有自由气泡被融合，也可以维持非常快速的上升速度，增强气液分离。
优选地，所述基底材料可以为玻璃、硅片、金属、塑料等材质制成；所述阵列超疏水轨道的轨道间距以及数量都可以不同；所述超疏水轨道的路径可以为不同形状；所述超疏水轨道可以为直线型或非直线型；
实施例：
如图1所示，为了保证气泡在基底材料1上具有较好的附着能力，本实施例在基底材料表面形成厚度约为0.1mm的具有良好疏水性能的超疏水表层。首先对其表面进行清洗，在基底材料表面预留出多条宽度为W的阵列超疏水轨道，在保证轨道的边界相互平行的前提下阵列轨道的宽度及形状可以不同，然后使用超疏水溶液对基底材料进行喷涂，得到表面光滑的超疏水涂层2，进一步，为使基底材料表面的疏水性能得到明显改善，将带有一定倾角的导流板3粘贴在基底材料上组成气泡运输器，并将多孔材料放置在导流板的正下方，保证由多孔材料产生的气泡群4可以经过导流板流入到基底材料上并引导单轨道和跨轨道气泡继续上升。
如图2所示，将气泡运输器与一块基底材料平行放置在水箱5中，构成气泡运输装置，其中基底材料起到引流的作用，将压缩空气压缩到多孔材料中产生不同尺寸的气泡群，产生的气泡在导流板的引导下很容易进入基底材料间，从而使气泡群中的大部分气泡被阵列超疏水轨道捕获，而小部分气泡仍然自由上升。在轨道上滑动的捕获气泡在浮力作用下加速在轨道上沿直线向上滑移，实现对气泡群的捕获和运输。此外如图3所示，增加气泡运输器的数量还可以实现大规模气泡群的高效收集。
图4所示，当L＝3mm时，不同尺寸气泡群上浮轨迹正面图，自由上升气泡6、大气泡7和小气泡8在超疏水轨道上滑动的终了速度为分别为0.32m/s、0.41m/s和0.73m/s。因此，很明显地，气泡运输器可以显著增加气泡的上升速度。
除此之外，利用气泡运输器可以增强气泡融合。一旦两个不同大小的相邻气泡沿着重叠路径滑移，小于前导气泡的尾随气泡将接近前导气泡，然后发生合并，而较小的前导气泡将远离较大尾随气泡，并且不会发生合并。此外，滑移气泡也极大地影响了自由上升的气泡。较快的滑移气泡会追上较慢的自由上升气泡并与之碰撞。在碰撞事件之后，这些自由上升的气泡可能有两种命运。它们要么被吸收到滑移气泡中，要么被迎面碰撞的气泡向上推以实现更快的上升速度。
上述结果表明，气泡-气泡相互作用和轨道-气泡相互作用的机制都使气泡运输器中的气泡上升速度更快。图5所示，当L＝2mm不同尺寸气泡群上浮轨迹正面图，两块板之间的距离L从3mm减小到2mm时，自由上升的气泡显著减少，跨轨道上升的气泡明显增加，以此进一步提高捕获的气泡比例，从而加速气泡的整个运输过程。
因此综上所述，气泡运输器可以通过合理的调整阵列超疏水轨道形状及宽度可以有效控制气泡群上浮速度及路径，其上浮过程中无另外能量输入，便能控制气泡沿多轨道加速上浮。因此该方法在多相流和精细化工领域具有极大的使用价值。
Claims (7)
1.一种高效气泡运输器，其特征在于：在一基底材料上设置有超疏水轨道，所述的超疏水轨道呈阵列分布，用于提高气泡滑移速度。
2.根据权利要求所述的一种高效气泡运输器，其特征在于：调节所述的轨道的宽度从而调节气泡沿单轨道上升的速度。
3.根据权利要求所述的一种高效气泡运输器，其特征在于：所述的基底材料下部设置有导流板。
4.一种高效气泡运输装置，包含至少一个权利要求1至3中任一项所述的运输器，其特征在于，调整基底材料的间距用于增大自由上升气泡的捕获率。
5.一种制作权利要求1至3中任一项所述的运输器的方法，其特征在于：
在基底表面喷有超疏水涂层；
通过雕刻技术在基底表面上形成多条亲水区域，非亲水区域构成超疏水轨道阵列。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述基底材料为玻璃、硅片、金属或塑料。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述超疏水轨道的路径为不同形状。
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