CN206996860U - 干式微小颗粒分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种干式微小颗粒分离装置。其结构包括真空室，在所述真空室内水平设置有上极板和下极板，上极板接地线，下极板连接射频电源的功率电极；在下极板上设置有颗粒分离器，颗粒分离器包括位于中间呈前后并行排列的内侧带棘齿的两个竖向的棘齿板以及位于棘齿板左右两端的缺口相对的两个弧形曲面板，两个弧形曲面板和两个棘齿板合围起来；在两个棘齿板的上方设置有用于盛放待分离颗粒的颗粒池。采用本实用新型分离两种不同尺寸的颗粒时操作简单、快速，成本低，无污染，为实验室及工业领域的快速分离提供了一个解决方案。

Description

干式微小颗粒分离装置

技术领域

本实用新型涉及一种微小颗粒分离装置，具体地说是一种干式微小颗粒分离装置。

背景技术

一种或者几种微小颗粒物的分离在分析颗粒的物性、储备样品、分离样品、分析生物化学以及进一步形成功能化集成芯片等方面具有巨大的应用前景，是一项非常具有意义的工作。目前具有的分离方法有干法和湿法两种。湿法分离包括微流中分离颗粒法，基于均匀电场的电泳技术、基于不均匀电场的介电泳技术、基于声波的声泳技术、基于不均匀磁场的磁泳技术，这些是最为常见有效的物理方法。处于上述条件下的不同尺寸颗粒，会在力的作用下流向不同的通道，从而实现不同尺寸颗粒在空间上的分离。还有一种色谱法是根据物质溶解性、吸附性等特性实现分离的一种分离方法，其分离原理是根据混合物的各组分与互不相容的两相（固定相和流动相）作用的差异。其中湿法类高效液相色谱法（HPLC）应用最为广泛、发展最迅速，其优点是分离能效高、速度快、检测灵敏度高，缺点是HPLC的仪器设备价格昂贵，操作严格。

干法类气相色谱法是用于分离能气化或者能转化为气体的物质或化合物，干法类气相色谱法又分为气固色谱（GSC）和气液色谱（GLC）。干法分离法中有一种方法叫做光色谱法，这种分离方法值得注意，光色谱法是一种光学分离技术，其原理是利用来自弱聚焦光束的光辐射压力和流体给予的拖力之间的平衡，在不同平衡位置上的不同尺寸颗粒可以实现分离。作为色谱法主要缺点还是操作过程复杂严格，针对色谱柱的清理也较为复杂和耗时，并且当目标物质含量过低时分离难度骤升。此外还有一种激光干式分离法，其原理是在外力激光的推动下分散、悬浮在等离子体鞘层中的颗粒实现分离，其分离颗粒快速、高效，但操作过程较为复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种干式微小颗粒分离装置，用来解决现在的干法和湿法分离技术操作繁琐、处理时间长、分离精度低的问题。

本实用新型的目的是这样实现的：一种干式微小颗粒分离装置，包括真空室，所述真空室由不锈钢腔体围成，且不锈钢腔体接地线；在所述真空室内水平设置有上极板和下极板，所述上极板接地线，所述下极板连接射频电源的功率电极，射频电源的另一电极接地线；在所述下极板上设置有颗粒分离器，在所述颗粒分离器的上方设置有用于盛放待分离颗粒的颗粒池，待分离颗粒是两种不同尺寸的微米量级的颗粒；所述颗粒池连接穿出所述真空室的振动杆；所述颗粒池由不同目数的多层金属网压制而成；所述振动杆呈竖直设置，所述颗粒池通过水平设置的绝缘杆与所述振动杆相接；

所述颗粒分离器由绝缘材料制成；所述颗粒分离器包括位于中间呈前后并行排列的两个竖向的棘齿板以及位于所述棘齿板左右两端的缺口相对的两个弧形曲面板；左端弧形曲面板的缺口端的两个竖向侧沿分别与两个棘齿板的左端侧对应相接，右端弧形曲面板的缺口端的两个竖向侧沿分别与两个棘齿板的右端侧对应相接；两个所述弧形曲面板的弧度均不小于270°；两个棘齿板相距1-2cm；在两个棘齿板相对的板面上设有倾斜方向均朝向左端或均朝向右端的若干一一对应的棘齿，且两个棘齿板上棘齿的齿长和齿深对应相同；两个棘齿板上棘齿的齿深与齿长的比例为1:2。

在所述真空室的腔体上开有进气口和出气口；通过所述进气口可向所述真空室内充入空气或氩气，在所述进气口处安装有流量计，通过调节所述流量计可以控制所述真空室内的气压。

给本实用新型中的装置接通射频电源，通过气体放电可在装置的上、下极板间产生均匀的主要由电子、离子以及中性分子组成的等离子体。把颗粒池中待分离的微小颗粒（一般为两种不同尺寸的微米量级的颗粒）撒到等离子体环境中，微小颗粒在等离子体环境中会进行充电。电子扩散速度比离子快，当入射到颗粒上的电子流与离子流达到平衡时，颗粒上会因为携带大量电子而显负电。颗粒在重力的作用下会下落到下极板上方附近鞘层中，当颗粒所受重力与静电场力平衡时，颗粒将悬浮在下极板上方。由于颗粒分离器位于下极板上且处于等离子体环境中，因此在棘齿板板面形成棘齿形的等离子体鞘层，此鞘层为不满足反演对称性的周期势（在物理学中称为棘齿势），棘齿势满足对称性破缺，能够产生定向输运，在此环境中两种不同尺寸的颗粒会分别向相反方向运动，最终由两个弧形曲面板的内腔分别收集两种不同尺寸的颗粒，实现微小颗粒的分离。

本实用新型在真空室内通过气体放电形成等离子体，待分离颗粒在等离子体环境中带负电，并形成稳态、分散的悬浮体系，这为实现颗粒的分离提供了基础条件。由于采用等离子体使颗粒分散并处于稳态悬浮状态，因此分离过程属于干法工艺，这种干法工艺与现有激光粒度仪的湿法工艺相比，可避免现有湿法工艺所带来的测量过程繁琐、测量时间长等的一系列问题。由于真空室内的气体基本静止，因此可以克服现有干法工艺中因气体流动而对激光光路造成干扰的缺点，进而可以实现准确分离颗粒。除此之外，采用本实用新型可以实现对极低含量的微小颗粒进行分离。

颗粒分离器中两个相对的棘齿板的设计，使得在其表面形成棘齿形的等离子体鞘层，该鞘层具有不对称性，分散、悬浮着的颗粒被束缚在该等离子体鞘层中。由于两个棘齿板的底面为下极板的平板结构，因此不会对待分离颗粒造成束缚，故无需提供外力（如激光），只在棘齿形等离子体鞘层的作用下，就能使不同尺寸的颗粒分别向两个方向运动，从而实现颗粒的分离。本实用新型所提供的装置结构简单，操作方便，且能准确分离两种不同尺寸的微米量级的颗粒。

附图说明

图1是本实用新型中干式微小颗粒分离装置的结构示意图。

图2是图1中颗粒分离器的三维立体结构示意图。

图中：1、真空室，2、上极板，3、颗粒池，4、振动杆，5、待分离颗粒，6、下极板，7、颗粒分离器，7-1、棘齿板，7-2、弧形曲面板，8、流量计，9、射频电源。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所提供的干式微小颗粒分离装置包括真空室1，真空室1由不锈钢腔体围成，不锈钢腔体。在真空室1的腔体上开有进气口和出气口。通过进气口可向真空室1内充入空气或氩气；在进气口处安装有流量计8，通过调节流量计8可控制真空室1内的气压，一般控制气压一般在5~200Pa之间。在真空室1内水平设置有上下两个极板，分别为上极板2和下极板6。上极板2由两块ITO导电玻璃相对叠加在一起而构成，上极板2接地线；下极板6是一个金属平板且与射频电源9的电极相连，具体连接方式是：在下极板6的板底中心钻孔，在所钻的孔内接金属导线，在金属导线外套一个绝缘套，下极板6通过金属导线与射频电源9的功率电极电连接，射频电源9的另一电极接地线。射频电源9位于真空室1外，在射频电源9的功率电极与下极板6之间可设置用来调节功率匹配的电容。当射频电源9接通后，射频电源9的电压不断地改变极性，经过几次充放电之后，最终会使下极板6具有负偏压，通过高频放电可在上、下极板之间产生均匀的等离子体。射频电源9的频率可调为13.56MHz，电源功率可为1~60W。

由绝缘材料制作而成的颗粒分离器7放置在下极板6上，颗粒分离器7的具体结构如图2所示。颗粒分离器7的中部是一对内侧带有棘齿的前后并行排列的、竖向设置且平行的棘齿板7-1，在棘齿板7-1的左右两端是两个缺口相对的弧形曲面板7-2，弧形曲面板7-2是圆弧形板状结构，其弧度一般不小于270°。左端弧形曲面板的缺口端的两个竖向侧沿分别与两个棘齿板7-1的左端侧对应相接，右端弧形曲面板的缺口端的两个竖向侧沿分别与两个棘齿板7-1的右端侧对应相接，从而使得两个弧形曲面板7-2和两个棘齿板7-1合围成一个环形的闭合圈。两个棘齿板7-1内侧相对板面上的棘齿一一对应，棘齿的截面为倾斜的不对称结构，且两个棘齿板7-1上的棘齿的倾斜方向一致，图中两个棘齿板7-1上的棘齿均倾斜朝向左端，也可以使两个棘齿板上的棘齿均倾斜朝向右端。棘齿倾斜后的短边也称棘齿的齿深或陡坡，棘齿倾斜后的长边也称棘齿的齿长或缓坡，两个棘齿板7-1上所有棘齿的齿长均相同，所有棘齿的齿深也均相同，本实施例中棘齿的齿长是齿深的2倍。两个棘齿板7-1之间的间距可控制在1-2cm，图1中两个棘齿板7-1之间对应棘齿侧沿（齿长与齿深交汇处）之间的间距是1cm。颗粒分离器7处于上、下极板之间的等离子体环境中后，可在两个棘齿板7-1的内侧板面附近形成棘齿形的等离子体鞘层，在两个弧形曲面板7-2的内表面形成弧形的等离子体鞘层。

颗粒池3位于棘齿板7-1的上方与上极板2的下方之间，颗粒池3内盛放有两种不同尺寸的微米量级的待分离颗粒5。颗粒池3由不同目数的多层金属网压制而成；颗粒池3的表面最好处于水平状态，且颗粒池3的中心最好处于上、下极板的轴心线上，颗粒分离器7尽量放置在下极板6的中心位置。颗粒池3通过水平的连接杆与竖直的振动杆4相接，振动杆4穿出真空室1外。在真空室1外通过上下移动振动杆4可使颗粒池3上下移动，在真空室1外通过转动振动杆4可使颗粒池3左右移动；在真空室1外通过使振动杆4振动可使颗粒池3内的待分离颗粒5撒出颗粒池3外，振动杆4的振动可以通过人工手动操作，也可以通过电动操作，电动操作时其频率可以为1~10Hz。颗粒池3与振动杆4之间的连接杆为绝缘杆，其材料可以为聚四氟乙烯；该绝缘杆可以防止颗粒池3在等离子体区域中由于导电而损坏振动杆4。由颗粒池3撒出的待分离颗粒5在等离子体环境中会带上负电荷，并最终悬浮于下极板6上方两个棘齿板7-1之间的棘齿形等离子体鞘层中。

由于两个棘齿板7-1之间的底面是下极板6的表面，而下极板6的表面由于是平板结构，因此不会对待分离颗粒5造成任何束缚，故本实用新型无需在施加外力（如激光）的情况下，在两个棘齿板7-1之间的棘齿形等离子体鞘层的作用下，即可使两个棘齿板7-1之间的待分离颗粒5中的不同尺寸的两种颗粒分别沿棘齿板7-1中心线向相反方向运动，从而达到分离目的。当颗粒运动到弧形曲面板7-2内的等离子体鞘层内时，由于失去了棘齿形等离子体鞘层的作用，因此颗粒将不再运动。待大尺寸颗粒和小尺寸颗粒分别进入两个弧形曲面板7-2内后，关闭射频电源，使上、下极板之间不再产生等离子体，即：使得弧形曲面板7-2内的弧形等离子体鞘层消失，此时大尺寸颗粒和小尺寸颗粒会自由下落，进而由两个弧形曲面板7-2的内腔分别对两种不同尺寸的颗粒进行收集，这样就实现了尺寸不同的两种颗粒的分离。

下面以一具体例子介绍本实用新型中两种不同尺寸的微米量级的颗粒分离的过程。

结合图1和图2，下极板6和颗粒分离器7的长度均为100mm，颗粒分离器7为树脂材料。两个棘齿板7-1内侧板面带有棘齿，每一个棘齿的齿深为3mm，齿长为6mm。待分离颗粒5（待分离颗粒5中包含两种不同尺寸的颗粒，其中一种颗粒尺寸为23μm，另一种颗粒尺寸为10μm）置于真空室1内的颗粒池3中；调节真空室1内气压达到10Pa。设置射频电源9的功率为20W，接通射频电源9，使下极板6具有负偏压，通过高频放电在上、下极板之间产生均匀的等离子体。

电动操作振动杆4以使颗粒池3处于上、下极板的中心位置处。在真空室1外使振动杆4振动，从而带动真空室1内的颗粒池3振动，使得颗粒池3内的颗粒撒出。撒完颗粒后转动振动杆4将颗粒池3移离等离子体区域。

撒出的待分离颗粒5进入等离子体区域中，等离子体中带负电的电子和带正电的离子会积累到待分离颗粒5上，由于电子的运动速度远大于离子的运动速度，因此当积累到待分离颗粒5上的电子流和离子流达到平衡时颗粒一般会带上一定量的负电荷。颗粒在等离子体区域中会由于重力的作用而向下运动；当待分离颗粒5下落到两个棘齿板7-1之间时，由于下极板6具有负电位，因此颗粒将受到向上的静电场作用力。当颗粒受到的重力与静电场力达到平衡时，颗粒将悬浮并被束缚在两个棘齿板7-1之间。

当射频电源满足一定条件时，悬浮颗粒在不施加外力的情况下只在棘齿形等离子体鞘层的作用下就会产生定向移动，从而达到对不同尺寸的粒子进行分离的目的。

采用本实用新型分离两种不同尺寸的颗粒时操作简单、快速，能耗低，无污染，很好的实现了对不同尺寸微米量级微小颗粒的分离。

Claims (9)

1.一种干式微小颗粒分离装置，其特征是，包括真空室，在所述真空室内水平设置有上极板和下极板，所述上极板接地线，所述下极板连接射频电源的功率电极，射频电源的另一电极接地线；在所述下极板上设置有颗粒分离器，在所述颗粒分离器的上方设置有用于盛放待分离颗粒的颗粒池，所述颗粒池连接穿出所述真空室的振动杆；

所述颗粒分离器包括位于中间呈前后并行排列的两个竖向的棘齿板以及位于所述棘齿板左右两端的缺口相对的两个弧形曲面板；左端弧形曲面板的缺口端的两个竖向侧沿分别与两个棘齿板的左端侧对应相接，右端弧形曲面板的缺口端的两个竖向侧沿分别与两个棘齿板的右端侧对应相接；在两个棘齿板相对的板面上设有倾斜方向均朝向左端或均朝向右端的若干一一对应的棘齿，且两个棘齿板上棘齿的齿长和齿深对应相同。

2.根据权利要求1所述的干式微小颗粒分离装置，其特征是，两个所述弧形曲面板的弧度均不小于270°。

3.根据权利要求1所述的干式微小颗粒分离装置，其特征是，两个棘齿板相距1-2cm。

4.根据权利要求1所述的干式微小颗粒分离装置，其特征是，两个棘齿板上棘齿的齿深与齿长的比例为1:2。

5.根据权利要求1所述的干式微小颗粒分离装置，其特征是，待分离颗粒是两种不同尺寸的微米量级的颗粒。

6.根据权利要求1所述的干式微小颗粒分离装置，其特征是，所述真空室由不锈钢腔体围成，且不锈钢腔体接地线。

7.根据权利要求1所述的干式微小颗粒分离装置，其特征是，所述颗粒池由不同目数的多层金属网压制而成；所述振动杆呈竖直设置，所述颗粒池通过水平设置的绝缘杆与所述振动杆相接。

8.根据权利要求1所述的干式微小颗粒分离装置，其特征是，所述颗粒分离器由绝缘材料制成。

9.根据权利要求1所述的干式微小颗粒分离装置，其特征是，在所述真空室的腔体上开有进气口和出气口；通过所述进气口可向所述真空室内充入空气或氩气，在所述进气口处安装有流量计，通过调节所述流量计可以控制所述真空室内的气压。