專利名稱：一種電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，在微通道的左右兩側(cè)分別進(jìn)行親水和親油修飾，油水混合溶液在外置蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入表面有微結(jié)構(gòu)的破乳區(qū)域，在電場(chǎng)的作用下，油水混合溶液發(fā)生破乳，水往親水側(cè)移動(dòng)，油往親油側(cè)移動(dòng)，沒有完成分離的油水混合物循環(huán)至最初的進(jìn)樣區(qū)域，再次進(jìn)行破乳分離，最后實(shí)現(xiàn)油水分離，主要應(yīng)用于變壓器油、發(fā)電廠透平油、海上原油泄漏事故處理、油田落地油、海上鉆井平臺(tái)浮油、鋼鐵廠平流油、煉油廠大量含油廢水等相關(guān)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們逐漸認(rèn)識(shí)到保護(hù)自然環(huán)境已迫不及待。顯然，海洋環(huán)境的保護(hù)又是首當(dāng)其沖的，通過對(duì)造成海洋環(huán)境污染的污染源的分析可以發(fā)現(xiàn)，作業(yè)于海上的各種船舶不同的排泄物是造成海洋污染的重要因素之一。機(jī)艙油污水的排放已經(jīng)成為世界海事組織和各締約國(guó)政府權(quán)力機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)問題。這一點(diǎn)從最新版本的MARP0L73/78國(guó)際防污公約中對(duì)船舶的污油水排放的苛刻條件和標(biāo)準(zhǔn)足以看出。如何使航行不定的船舶排放機(jī)艙污油水能夠符合國(guó)際防污公約所要求的標(biāo)準(zhǔn)，這就給我們的船舶管理公司和修、造船廠提出了客觀要求，船舶必須配備符合規(guī)范要求和排放標(biāo)準(zhǔn)的油污水處理裝置。各船級(jí)社檢驗(yàn)部門和港口國(guó)安檢部門不間斷的跟蹤檢查，是確保設(shè)備安全運(yùn)行和船員的正確操作的重要手段。電廠系統(tǒng)中的危害閉式水和凝結(jié)水中水中存在的油會(huì)給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害，油附著在管壁上會(huì)受熱分解生成導(dǎo)熱率很低的附著物，嚴(yán)重影響管壁傳熱造成管壁金屬變形危機(jī)管體安全?；赜糜阱仩t水時(shí)，使鍋爐水形成泡沫且極易生成水中漂浮的水渣，促使蒸汽品質(zhì)的惡化。餐飲業(yè)中的危害餐飲業(yè)含油污水是指飲食行業(yè)在作業(yè)過程中所排入下水管道的污水，其特點(diǎn)是含油脂較高，特別是中國(guó)人的飲食結(jié)構(gòu)使得污水中的油脂和總懸浮顆粒含量特別高，其中油脂含量在7600mg/L左右，總懸浮顆粒在5000mg/L左右。它有二大危害，第一大量的油脂和殘?jiān)鼧O易粘附在下水管道壁上，日積月累使得管道實(shí)際流通面積越來越小，最后形成堵塞，據(jù)報(bào)道蘇州城區(qū)每天就有上百處因油脂造成的管道堵塞而需疏通，其經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到幾十萬元。第二 大量的油脂通過管網(wǎng)最后進(jìn)入污水處理廠，使得對(duì)油脂十分敏感的生物菌大量變壞、死亡，造成出水水質(zhì)明顯下降并對(duì)排放水體造成污染。油水分離的方法較多，有物理分離法、化學(xué)分離法、電浮分離法等。物理分離法是利用油水的密度差或過濾吸附等物理現(xiàn)象使油水分離的方法，主要特點(diǎn)是不改變油的化學(xué)性質(zhì)而將油水分離，主要包括重力分離法、過濾分離法、聚結(jié)分離法、氣浮分離法、吸附分離法、超濾膜分離法及反滲透分離法等?；瘜W(xué)分離法是向含油污水中投放絮凝劑或聚集劑，其中絮凝劑可使油凝聚成凝膠體而沉淀，而聚集劑則使油凝聚成膠體使其上浮，從而達(dá)到油水分離的一種方法。電浮分離法是把含油污水引進(jìn)裝有電極的艙柜中，利用電解產(chǎn)生的氣泡在上浮過程中附著油滴而加以分離，從而實(shí)現(xiàn)油水分離的方法，實(shí)際上是一種物理化學(xué)分離方法。此外，乳化油可用活性污泥法(生物化學(xué)法)分離。重力分離法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便；重力分離法如按其作用方式的不同，還可分為機(jī)械分離，靜置分離和離心分離3種(I)機(jī)械分離法讓含油污水流過斜板、波紋板細(xì)管和濾器等，使之產(chǎn)生渦流、轉(zhuǎn)折和碰撞，以促使微小油粒聚集成較大的油粒，再經(jīng)密度差的作用而上浮，從而達(dá)到分離的目的。(2)靜置分離法將含油污水貯存在艙柜內(nèi)，在單純的重力作用下，經(jīng)過沉淀使油液自然上浮以達(dá)到分離的目的。這種方法需要較長(zhǎng)的時(shí)間和較大的裝置，同時(shí)也難以連續(xù)使用。離心分離法利用高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，使油、水在離心力和密度差的作用下實(shí)現(xiàn)分離，它的特點(diǎn)是油污水在分離器中的停留時(shí)間很短，所以分離器體積較小。離心分離法，可采用水旋分離法，即分離器本體固定不動(dòng)，而使污水沿切線方向流人分離體內(nèi)，造成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。也可采用器旋分離法，即分離器本體高速旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)體內(nèi)污水一起高速旋轉(zhuǎn)。綜上所述，含油廢水的處理方法雖然較多，但各種方法都有其局限性。在實(shí)際應(yīng)用中通常是幾種方法聯(lián)合分級(jí)使用，使出水水質(zhì)達(dá)到回用和排放標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，在微通道的左右兩側(cè)分別進(jìn)行親水和親油修飾，油水混合溶液在外置蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入表面有微結(jié)構(gòu)的破乳區(qū)域，在電場(chǎng)的作用下，油水混合溶液發(fā)生破乳，水往親水側(cè)移動(dòng)，油往親油側(cè)移動(dòng)，沒有完成分離的油水混合物循環(huán)至最初的進(jìn)樣區(qū)域，再次進(jìn)行破乳分離，最后實(shí)現(xiàn)油水分離。微流控芯片由刻有微米級(jí)別的微結(jié)構(gòu)和微通道的芯片和粘性薄膜封合而成，微結(jié)構(gòu)和微通道通過微加工技術(shù)制備。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的操作步驟(I)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制微流控芯片中各層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。(2)通過微加工技術(shù)在各層微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微結(jié)構(gòu)和微通道，包括進(jìn)樣孔、分離主通道和分離分通道。(3)利用雙層粘性薄膜，將各層離心式微流控芯片對(duì)齊、粘合、加壓封合，組成油水分離的微流控芯片。(4)將油水混合溶液從樣品池加入，施加一定電場(chǎng)，使油水混合溶液進(jìn)行破乳。(5)溶液迅速破乳后，利用親水和親油界面的同性相吸原理，完成油水的分離。本發(fā)明中，電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片的芯片基材可以是PMMA, PC、PVC、C0C、銅、鋁、不銹鋼、硅片、玻璃圓片，也可是市售的各類普通⑶光盤。本發(fā)明中，電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片和粘性薄膜的微結(jié)構(gòu)和微通道可以通過數(shù)控銑刻、激光刻蝕、LIGA技術(shù)、模塑法、熱壓法、化學(xué)腐蝕制備，也可用軟刻蝕技術(shù)制備。本發(fā)明中，電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片是由兩層芯片組成，各層芯片之間用粘性薄膜貼合，粘性薄膜可以是雙層力致粘性薄膜，也可是普通雙面膠薄膜。
本發(fā)明中，電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片上的樣品溶液的驅(qū)動(dòng)依靠油水溶液儲(chǔ)液罐與進(jìn)樣孔之間的液差所產(chǎn)生的重力。本發(fā)明中，電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片的油水破乳是依靠微通道兩側(cè)之間形成的電場(chǎng)來完成的。本發(fā)明中，電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片的微通道兩側(cè)的表面分別進(jìn)行了親水和親油的表面修飾。本發(fā)明中，電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片進(jìn)行微通道表面修飾的親水劑是是聚山梨酯(吐溫Tween)-20、_40、60、80、失水山梨醇單月桂酸酯(司盤Span) -20、40、60、80、聚氧乙烯月桂醇醚(賣澤Myr j) -45、52、30、35、乳化劑OP (壬烷基酚聚氧乙烯醚縮合物)、乳百靈A (聚氧乙烯脂肪醇醚)、西士馬哥-1000 (聚氧乙烯與鯨蠟醇加成物)、普流羅尼(聚氧乙烯聚丙二醇縮合物)、單油酸甘油酯及單硬脂酸甘油酯等，也可以是軟皂(鉀肥皂)、硬皂(鈉肥皂)、單硬脂酸鋁、硬脂酸鈣、油酸三乙醇胺、月桂醇硫酸鈉、鯨硬醇硫酸鈉、硫酸化蓖麻油、丁二酸二辛酯磺酸鈉。本發(fā)明中，電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片進(jìn)行微通道表面修飾的親油劑是氟硅烷試劑，也可以是聚四氟乙烯溶液。本發(fā)明提出的一種電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，操作簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)了油水混合溶液的快速破乳和迅速分離，降低了試劑與樣品的用量，簡(jiǎn)化了分離過程，具有便攜、經(jīng)濟(jì)、快速、高效的特點(diǎn)，在油水分離的相關(guān)領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。


圖1.電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。a.樣品區(qū)域，b.電場(chǎng)破乳區(qū)域，c.親水/疏水區(qū)域，d.油水分離區(qū)域電場(chǎng)負(fù)極，e.溶液往復(fù)流動(dòng)區(qū)域。
具體實(shí)施方案實(shí)施例1用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制離心式微流控芯片的兩層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。利用數(shù)控CNC系統(tǒng)加工制備兩層圓片狀聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道，分別用自來水、蒸餾水清洗各層芯片，并用乙醇擦拭芯片表面殘留的指紋、油潰等污潰。在雙面膠薄膜上，用刻字機(jī)加工制備所需的微結(jié)構(gòu)和微通道。將兩層芯片小心對(duì)齊、粘合、加壓封合，制成油水分離的微流控芯片。將油水溶液儲(chǔ)液罐與進(jìn)樣注入孔相連，利用液差加入待分離的油水混合溶液，施加電場(chǎng)，油水混合溶液在分離主通道迅速破乳，水組分向親水界面移動(dòng)，油組分向親油界面移動(dòng)，沒有完成分離的油水混合物循環(huán)至最初的進(jìn)樣區(qū)域，再次進(jìn)行破乳分離，最后實(shí)現(xiàn)油水分離。實(shí)施例2用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制離心式微流控芯片的兩層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。利用數(shù)控CNC系統(tǒng)加工制備兩層圓片狀聚碳酸酯(PC)芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道，分別用自來水、蒸餾水清洗各層芯片，并用乙醇擦拭芯片表面殘留的指紋、油潰等污潰。在雙面膠薄膜上，用刻字機(jī)加工制備所需的微結(jié)構(gòu)和微通道。將兩層芯片小心對(duì)齊、粘合、力口壓封合，制成油水分離的微流控芯片。將油水溶液儲(chǔ)液罐與進(jìn)樣注入孔相連，利用液差加入待分離的油水混合溶液，施加電場(chǎng)，油水混合溶液在分離主通道迅速破乳，水組分向親水界面移動(dòng)，油組分向親油界面移動(dòng)，沒有完成分離的油水混合物循環(huán)至最初的進(jìn)樣區(qū)域，再次進(jìn)行破乳分離，最后實(shí)現(xiàn)油水分離。
權(quán)利要求
1.一種電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，在微通道的左右兩側(cè)分別進(jìn)行親水和親油修飾，油水混合溶液在外置蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入表面有微結(jié)構(gòu)的破乳區(qū)域，在電場(chǎng)的作用下，油水混合溶液發(fā)生破乳，水往親水側(cè)移動(dòng)，油往親油側(cè)移動(dòng)，沒有完成分離的油水混合物循環(huán)至最初的進(jìn)樣區(qū)域，再次進(jìn)行破乳分離，最后實(shí)現(xiàn)油水分離。
2.按權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，其特征在于，其制作步驟如下 (1)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)和繪制微流控芯片中各層芯片的微結(jié)構(gòu)和微通道圖形。
(2)通過微加工技術(shù)在各層微流控芯片基材表面和粘性薄膜上加工所需的微結(jié)構(gòu)和微通道，包括進(jìn)樣孔、分離主通道和分離分通道。
(3)利用雙層粘性薄膜，將各層離心式微流控芯片對(duì)齊、粘合、加壓封合，組成油水分離的微流控芯片。
(4)將油水混合溶液從樣品池加入，施加一定電場(chǎng),使油水混合溶液進(jìn)行破乳。
(5)溶液迅速破乳后，利用親水和親油界面的同性相吸原理，完成油水的分離。
3.按權(quán)利要求1或2所述的電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種油水分離芯片的核心功能器件是微流控芯片，此芯片以液差產(chǎn)生的重力作為油水混合溶液流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，可以批量生產(chǎn)、多次利用、靈活設(shè)計(jì)與組裝。
4.按權(quán)利要求1或2所述的電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種油水分離芯片上的微結(jié)構(gòu)和微通道是通過數(shù)控銑刻、激光刻蝕、LIGA技術(shù)、模塑法、熱壓法、化學(xué)腐蝕、軟刻蝕技術(shù)的微加工方法在芯片基材表面制備，尺寸在微米級(jí)別。
5.按權(quán)利要求1或2所述的電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種油水分離芯片是由兩層芯片疊加而成，構(gòu)成三維立體的微結(jié)構(gòu)和微通道網(wǎng)絡(luò)。
6.按權(quán)利要求1或2所述的電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種油水分離芯片可以在一塊芯片上制作多組微結(jié)構(gòu)和微通道，構(gòu)成多組油水分離單元，可同時(shí)分離多組油水混合溶液，提高了單位時(shí)間的平行油水分離能力。
7.按權(quán)利要求1或2所述的電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種油水分離芯片通過施加一定的電場(chǎng)完成分離主通道中油水混合溶液的破乳。
8.按權(quán)利要求1或2所述的電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種油水分離芯片對(duì)分離主通道的兩側(cè)進(jìn)行了親水和親油修飾處理，利用同性相吸的原理，進(jìn)行油水分離。
9.按權(quán)利要求1或2所述的電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種油水分離芯片適合油包水混合溶液和水包油混合溶液的油水分離。
10.按權(quán)利要求1或2所述的電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，其特征在于，這種油水分離芯片具有便攜、經(jīng)濟(jì)、快速、高效、平行分離能力高、樣品交叉 污染幾率小，在油水分離所涉及的眾多相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電場(chǎng)/界面協(xié)同作用下油水破乳分離的微流控芯片及其制備方法，該微流控芯片表面有微結(jié)構(gòu)和微通道，在微通道的左右兩側(cè)分別進(jìn)行親水和親油修飾，油水混合溶液在外置蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入表面有微結(jié)構(gòu)的破乳區(qū)域，在電場(chǎng)的作用下，油水混合溶液發(fā)生破乳，水往親水側(cè)移動(dòng)，油往親油側(cè)移動(dòng)，沒有完成分離的油水混合物循環(huán)至最初的進(jìn)樣區(qū)域，再次進(jìn)行破乳分離，最后實(shí)現(xiàn)油水分離，主要應(yīng)用于變壓器油、發(fā)電廠透平油、海上原油泄漏事故處理、油田落地油、海上鉆井平臺(tái)浮油、鋼鐵廠平流油、煉油廠大量含油廢水等相關(guān)領(lǐng)域。該微流控芯片實(shí)現(xiàn)了油水混合溶液的快速破乳與迅速分離，具有便攜、經(jīng)濟(jì)、快速、高效的特點(diǎn)，為油水分離領(lǐng)域提供了一種全新的分析技術(shù)。
文檔編號(hào)C02F1/40GK103055976SQ20121058941
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者沙俊 申請(qǐng)人:蘇州汶顥芯片科技有限公司