具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置的制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置的制備方法和用途。
【背景技術(shù)】
[0002]多相流體中的氣泡不但會(huì)對人類的生產(chǎn)、生活造成不良的影響而且嚴(yán)重威脅人類的健康。例如混入機(jī)械液壓系統(tǒng)的氣泡會(huì)嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的正常工作并導(dǎo)致氣蝕的發(fā)生；工業(yè)生產(chǎn)過程及日常生活用液體的管道運(yùn)輸過程中會(huì)有氣阻發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆管；輸液或靜脈注射時(shí)進(jìn)入人體的氣泡可能會(huì)在人體的微血管處形成氣體栓塞，危害人體健康。傳統(tǒng)的分離方法，如US4326863、CN1981907A以及CN2881068Y中采用的離心、真空等氣/液分離方法存在工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴、能源消耗嚴(yán)重等無法克服的問題，所以尋找一種經(jīng)濟(jì)、高效的氣液分離方法，是研宄人員廣泛關(guān)注的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的一目的在于提供具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置。
[0004]本發(fā)明的再一目的在于提供一種經(jīng)濟(jì)、高效的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置的制備方法。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置的用途。
[0006]本發(fā)明受仙人掌刺能在霧氣中集水、疏水銅錐可以在水中集油并能單向驅(qū)動(dòng)的啟發(fā)，將這種錐分離系統(tǒng)應(yīng)用于水相中的水/氣/固三相系統(tǒng)，采用塑形模板打孔、聚氨酯溶液復(fù)形、激光打孔以及表面超疏水修飾等方法，得到了一種以聚氨酯為材質(zhì)的錐形陣列，及本發(fā)明的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置。
[0007]本發(fā)明的具有水下親油性質(zhì)的氣/液分離裝置表面具有超疏水的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，本發(fā)明是以聚氨酯為材質(zhì)，在聚氨酯基底上制備材質(zhì)為聚氨酯的錐形陣列以及通孔(如圖1a所示)，所述錐形陣列中的每一根所述的錐形針表面都具有超疏水的微納結(jié)構(gòu)(如圖1b所示)，且所述的相鄰的錐形針之間的間距為毫米尺度(優(yōu)選為2.5?3.0mm)。
[0008]所述錐形針的高度為毫米尺度，優(yōu)選為2.0?3.0_。
[0009]所述通孔的大孔端直徑、小孔端直徑以及孔的深度均為毫米尺度(優(yōu)選分別為
0.8 ?1.0mm、0.2 ?0.3mm、5.0 ?7.0mm)。
[0010]所述具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置在水下對氣泡的接觸角為o°c。
[0011]在本發(fā)明的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置中，分離裝置主要通過三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)水中氣泡的分離:捕獲、定向驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)走。含有氣泡的流體流經(jīng)氣/液分離裝置時(shí)，超親氣的錐陣列會(huì)將流體中的氣泡捕獲；在Laplace Force的驅(qū)動(dòng)下，氣泡會(huì)沿著錐表面從錐的尖端運(yùn)動(dòng)到錐的根部；運(yùn)動(dòng)到根部的氣泡會(huì)在聚氨酯的基底表面鋪展，并通過基底的通孔進(jìn)入到空氣中。完成上述三個(gè)步驟后，氣/液分離裝置露出新鮮表面，又開始下一個(gè)氣液分離的循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的氣/液分離。
[0012]將具有水下超親水性質(zhì)的氣/液分離裝置置于水相中，錐形陣列豎直向上放置，在陣列上方水平放置一塊超親水銅片(40mmX 1mmX0.3mm)，將氣/液多相流體以20?30cm/s的速度噴到其表面，混合物中的氣泡被錐形陣列捕獲、并快速地定向運(yùn)輸?shù)藉F形陣列的根部、通過通孔進(jìn)入空氣中。在分離過程中，氣/液分離裝置起到了類似于“篩”的功能，其將氣泡從多相流體中“篩”出，得到單一的流體，從而實(shí)現(xiàn)了氣/液分離的功能。
[0013]本發(fā)明的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置的制備方法包括以下步驟:
[0014](I)用砂紙?jiān)阱F形不銹鋼針表面，沿根部至針尖方向進(jìn)行打磨，制備出所需規(guī)格的鋼針；
[0015](2)利用步驟(I)所制備的不銹鋼針在高密度聚乙烯薄片表面進(jìn)行陣列打孔，且相鄰的錐形針孔的間距為毫米尺度，每一錐形針孔的深度為毫米尺度；
[0016](3)將步驟(2)所得到的帶有錐形孔陣列的高密度聚乙烯薄片置于表面皿中，帶有錐形針孔陣列的一面朝上，然后倒入12% (重量)的聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液，抽真空使溶液完全進(jìn)入錐孔內(nèi)，然后將整體置于異丙醇中進(jìn)行高分子的相轉(zhuǎn)化；
[0017](4)將步驟(3)得到的聚氨酯錐陣列取出，用激光在聚氨酯基底上制備通孔；
[0018](5)將步驟(4)得到的基底帶有通孔的聚氨酯錐形陣列整體浸入超疏水納米二氧化硅的氯仿溶液中一段時(shí)間，取出烘干即得到具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置。
[0019]所述砂紙優(yōu)選的自標(biāo)號(hào)為600?2000#。
[0020]所述的利用步驟(I)得到的錐形不銹鋼針在高密度聚乙烯薄膜上進(jìn)行陣列化的打孔，是將步驟(I)得到的不銹鋼針和高密度聚乙烯置于有x-y-z三維控制系統(tǒng)的儀器中(例如:點(diǎn)膠機(jī))，利用該儀器使所述的錐形不銹鋼針的針尖在高密度聚乙烯薄片上進(jìn)行陣列化的打孔。
[0021]本發(fā)明的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置可用于含氣泡多相流體的氣/液分離，并且可以實(shí)現(xiàn)多種氣體的分離，如氫氣、氮?dú)?、氧氣、空氣等?br>[0022]本發(fā)明的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置具有水下超親氣的性質(zhì)，每個(gè)錐形針捕獲的氣泡會(huì)被Laplace force驅(qū)動(dòng)到錐形針的根部，并通過基底的通孔進(jìn)入空氣中，恢復(fù)新鮮表面的氣/液裝置又可以開始下一個(gè)氣/液分離的循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的氣/液分咼。
[0023]本發(fā)明的具有水下超親氣的氣/液分離裝置的制備成本較低，工藝簡單，原料易得，可用于大范圍制備。本發(fā)明的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置在進(jìn)行氣/液分離時(shí)，具有包括分離效果好、分離速度快、能進(jìn)行連續(xù)分離、分離效率高，而且在單位時(shí)間的氣/液分離裝置可處理的含氣泡多相流體水量大、成本低、低能耗、無需其他能量消耗。本發(fā)明特別適用于含氣泡的多相流體的氣/液分離，對多種氣體(如氫氣、氮?dú)?、氧氣、空?都具有非常好的分離效果。
【附圖說明】
[0024]圖1a.本發(fā)明實(shí)施例1制備的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置的體相顯微鏡照片。
[0025]圖1b.本發(fā)明實(shí)施例1制備的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置的單錐表面的掃描電鏡照片及其表面放大圖。
[0026]圖2.本發(fā)明中的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置的單錐表面的氣/液分離錄像截圖(實(shí)施例1)以及其氣泡驅(qū)動(dòng)的原理。
[0027]圖3.本發(fā)明實(shí)施例1中用于分離氣/液的混合物的裝置照片。
[0028]附圖標(biāo)記
[0029]1.具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置
[0030]2.超親水銅片
[0031]3.注水針頭
[0032]4.注氣針頭
[0033]5.抽水針頭
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置做進(jìn)一步的說明。
[0035]其中，“超親氣”一般指氣泡在水下，在材料表面完全鋪展即氣泡在材料表面的接觸角為0°?！俺杷?一般指水滴在材料表面穩(wěn)定接觸角要大于150°，滾動(dòng)接觸角小于10。。
[0036]實(shí)施例1
[0037](I)用2000#的砂紙?jiān)阱F形不銹鋼針表面，沿根部至針尖方向進(jìn)行打磨，制備所需規(guī)格的鋼針；
[0038](2)將步驟(I)所制備的不銹鋼針與高密度聚乙稀薄片(50mmX50mmX5mm)置于點(diǎn)膠機(jī)(Nordson EFD-PicoDot, USA)的x_y_z控制系統(tǒng)中，利用該點(diǎn)膠機(jī)使所述的錐形不銹鋼針的針尖在高密度聚乙烯薄片上進(jìn)行陣列化的打孔，在高密度聚乙烯薄片上得到錐形針孔陣列，且相鄰的錐形針孔的間距為3.0mm，每一錐形針孔的深度為3.0mm ;
[0039](3)將步驟⑵所得到的帶有錐形孔陣列的高密度聚乙烯薄片置于表面皿(90mm)中，帶有錐形針孔陣列的一面朝上，然后倒入60ml聚氨酯的N，N-二甲基甲酰胺溶液(wt=12% )，抽真空30min使溶液中的氣泡破裂并且使溶液完全進(jìn)入錐孔內(nèi)，然后將整體置于500ml的異丙醇中一周，進(jìn)行高分子的相轉(zhuǎn)化、沉積；
[0040](4)將步驟(3)得到的聚氨酯錐陣列取出，用激光打標(biāo)機(jī)在聚氨酯基底上制備通孔；
[0041](5)將步驟(4)得到的基底帶有通孔的聚氨酯錐形陣列整體浸入超疏水納米二氧化硅的氯仿溶液中一段時(shí)間，取出烘干即得到具有水下超親氣性質(zhì)的氣/液分離裝置(如圖1a所示)，裝置表面在水下對氣泡的接觸角等于(TC，所述錐形陣列中的每一根所述的錐形針表面都具有超疏水的微納結(jié)構(gòu)(如圖1b所示)。
[0042]利用圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行油水分離實(shí)驗(yàn)。將上述得到的具有水下超親氣的氣/液分離裝置I置于玻璃器皿中的底部，氣/液分離裝置的通孔通過玻璃器皿底部的通孔與大氣相連，錐形陣列上方Imm處水平固定一塊超親水銅片2，針頭3水平噴射水流、針頭4豎直噴射氣流(其相對位置如圖3所示)，氣泡隨水流通過氣/液分離裝置時(shí)，會(huì)被其錐陣列捕獲、定向運(yùn)輸?shù)交妆砻?，然后通過基底的通孔進(jìn)入大氣中，除去氣泡的水流從抽水針頭5流出實(shí)驗(yàn)裝置，從而實(shí)現(xiàn)氣/液分離。
[0043]實(shí)施例2
[0044](I)用2000#的砂紙?jiān)阱F形不銹鋼針表面，沿根部至針尖方向進(jìn)行打磨，制備所需規(guī)格的鋼針；
[0045](2)將步驟(I)所制備的不銹鋼針與高密度聚乙稀薄片(50mmX50mmX5mm)置于點(diǎn)膠機(jī)(Nordson EFD-Pi