CN106310944B - 用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极及电极阵列 - Google Patents
用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极及电极阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极，它包括金属型材，金属型材的横截面为带有凸起的形状，凸起构成所述介电电泳电极的棱线。本发明还涉及一种由平行排布的电极构成的电极阵列。本发明的介电电泳电极阵列，可将不同组的电极分别连接在交流电源的两端，从而在较大尺度范围形成介电电泳效应，对于处于或经过其电场覆盖范围的流体，选择性的对其中含有的电中性颗粒进行分离或富集。可以用于环境工程领域的快速沉降，气体中悬浮杂质的去除，石油、原油去乳化和提纯等。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，特别是一种用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极及电极阵列。
背景技术
介电电泳描述的是位于非匀称电场的电中性颗粒由于介电极化的作用而产生的平移运动。产生在颗粒上的偶极矩可以由两个相同带电量但极性相反的电荷来表示，当它们在颗粒界面上不对称分布时，产生一个宏观的偶极矩。当这个偶极矩位于不匀称电场中，在颗粒两边的局部电场强度的不同产生一个净力，称为介电电泳力。由于悬浮于媒介中的颗粒与媒介有着不同的介电能力(介电常数)，颗粒会朝电场强度增强的方向移动，称为阳性介电电泳，反之若颗粒朝电场强度减弱的方向移动，称之为阴性介电电泳。
当颗粒(半径r、相对介电常数为εp、电导率σp)悬浮于流体介质(相对介电常数为εf、电导率为σf)时，其所收到的介电电泳力为：
式中:
(这里：
)；E是外
加电场强度的均方根；ε0是真空介电常数；ω是电场角频率。DEP力方向将取决于k*(ω)的实
数部分，即CM因子，在CM>0时为阳性介电电泳,粒子从低电场区域运动到高电场区域，反之
为阴性介电电泳。
现有技术中，空气除尘通常采用静电除尘法，是利用电泳(electrophoresis,EP)的原理，在高压直流电场中使空气中的气体分子电离，产生大量电子和离子，在电场力的作用下向着与电子和离子电性相反的电极移动。在移动过程中碰到气流中的粉尘颗粒使其荷电，荷电粉尘颗粒在电场力作用向电极运动，实现固体粒子或液体粒子与气流的分离。工业上广泛应用的是管式电除尘器和板式电除尘器。
与电泳技术不同的是：
(1)介电电泳操纵的是电中性颗粒，使其由于介电极化的作用而产生的平移运动；电泳操纵的是电子和离子，使其负荷在粉尘颗粒上产生定向移动。
(2)介电电泳中颗粒运动方向与电场的方向无关，只与其本身的介电常数和介质的介电常数有关；电泳中颗粒运动方向取决于颗粒所带电荷的符号和电场的方向，电场方向反转则运动方向反转。
(3)介电电泳需要非均匀电场；电泳在均匀或非均匀的场中都可发生。
(4)介电电泳力的大小正比于颗粒直径的立方；电泳力的大小正比于颗粒所带电荷的多少。
中国专利：一种介电电泳电极结构(申请号：201410407467.8，申请日：2014.08.19)公开了一种具有交叉结构的电极，由权利要求1和说明书第[0005]段的“所述第一导线群中的一部分导线连接电源正极，另一部分连接电源负极”可知，该电极在应用中，通入的是直流电源(只有直流电源才分正负极)。虽然申请人在说明书第[0006]段中阐述该电极结构能够产生不均匀电场，但从原理上来看这个不均匀电场是不能持续存在的。
当介质中的电极通入直流电后，因不能抵消的带电粒子由于前面所述的电泳效应，汇聚在极性相反的电极表面，产生类似于静电屏蔽的效果，外电场强度被削减为0。这样就达不到在电极中间产生不均匀电场的作用，因此上述设置达不到发明目的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极，以及由阵列平行排布的电极构成的电极阵列；可将不同组的电极分别连接在交流电源的两端，可在较大范围内形成介电电泳效应。
本发明决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极，其特征在于：所述介电电泳电极包括金属型材，所述金属型材的横截面为带有凸起的形状，所述凸起构成所述介电电泳电极的棱线。
所述介电电泳电极的外表面设置绝缘层。
所述横截面为带有尖锐凸起的多边形。
所述横截面为三角形、四边形、三角星形或四角星形。
一种用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极阵列，其特征在于：它包括 多行平行设置的一组介电电泳电极；所述介电电泳电极之间的中心距或间距均匀分布；相邻行和/或相邻列的介电电泳电极的棱线相对设置，且棱线相对的两个介电电泳电极分别连接交流电源的一个输出端与另一个输出端；所述介电电泳电极垂直于介质的流动方向，或与介质的流动方向有锐角夹角。
所述介电电泳电极的横截面为三角形或三角星形时，上一行的电极与下一行的介电电泳电极的棱线相对。
以第n行～第n+3行的介电电泳电极为一个单元循环，第n行的介电电泳电极间隔排列且独角向上，第n+1行的介电电泳电极位置对应于第n行的相邻两介电电泳电极之间且独角向下，第n+2行的电极位置对应于第n+1行的介电电泳电极且独角向上，第n+3行的介电电泳电极位置对应于第n+2行的相邻两介电电泳电极之间且独角向下；同在第n行的介电电泳电极连在交流电源的一个输出端上，同在第n+1行的介电电泳电极连在交流电源的另一个输出端上。
当所述介电电泳电极的横截面为四边形或四角星形时，同一行内相邻介电电泳电极的棱线相对，同一列内相邻介电电泳电极的棱线相对。
第n行的第奇数个介电电泳电极和第n+1行的第偶数个介电电泳电极连在交流电源的一个输出端上，第n行的第偶数个介电电泳电极和第n+1行的第奇数个介电电泳电极连在交流电源的另一个输出端上。
所述交流电源的一个输出端与另一个输出端之间的相位相差180°。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的介电电泳电极及电极阵列，可将不同组的电极分别连接在交流电源的两端，可以在较大尺度范围形成介电电泳效应，对于处于或经过其电场覆盖范围的流体，选择性的对其中含有的电中性颗粒进行分离或富集。相对于传统介电电泳在芯片微纳米级别尺度的应用，本发明采用的电极丝直径在毫米级别尺度，长度在米级别尺度，将电极对阵列后，可以覆盖立方米级别尺度甚至更大的体积。
2、本发明的介电电泳电极及电极阵列，可以用于环境工程领域的快速沉降，气体中悬浮杂质的去除，石油、原油去乳化提纯再回收利用等。
附图说明
图1为横截面为三角形的介电电泳电极；
图2为横截面为三角星形的介电电泳电极；
图3为横截面为四边形的介电电泳电极；
图4为横截面为四角星形的介电电泳电极；
图5为本发明的电极阵列的平行排布示意图；
图6为本发明的电极阵列的结构示意图(横截面为四边形)；
图7为本发明的电极阵列的结构示意图(横截面为三角形)；
图8为本发明的电极阵列的结构示意图(横截面为四角星形)；
图9为本发明的电极阵列的结构示意图(横截面为三角星形)；
图10为本发明的横截面为四边形的电极阵列的平面示意图；
图11为本发明的横截面为三角形的电极阵列的平面示意图；
图12为三角形电极接电示意图；
图13为三角星形电极接电示意图；
图14为四边形电极接电示意图；
图15为四角星形电极接电示意图；
图16为方形电极阵列产生介电电泳力的分布图(系数值，瞬时)；
图17为四角星形电极阵列产生介电电泳力分布图(系数值，瞬时)；
图18为三角形电极阵列产生介电电泳力分布图(系数值，瞬时)。
附图标记说明
2-横截面为三角形的介电电泳电极、3-横截面为三角星形的介电电泳电极、4-横截面为四边形的介电电泳电极、5-横截面为四角星形的介电电泳电极、7-三角形介电电泳电极阵列、8-三角星形介电电泳电极阵列、9-四边形介电电泳电极阵列、10-四角星形介电电泳电极阵列。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明的介电电泳电极为在纵向具有一致的几何剖面的金属型材，外表面设置绝缘层，该绝缘层可为绝缘涂层或者搪瓷外壳。介电电泳电极的横截面可以为带有尖锐凸起的多边形，凸起构成介电电泳电极的棱线；如图1所示的介电电泳电极2的横截面为三角形，如图2所示的介电电泳电极3的横截面为三角星形，如图3所示的介电电泳电极4的横截面为四边形，如图4所示的介电电泳电极5的横截面为四角星形。
如图5所示，一种用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极阵列，其包括相互平行且呈阵列排布的介电电泳电极，介电电泳电极阵列垂直于介质的流动方向，或与介质的流动方向有锐角夹角。根据电极截面的形状不同，排布方式略有差异，介电电泳电极与其周围的介电电泳电极之间的中心距或间距均匀分布。介电电泳电极阵列可以是同一截面形状的电极，也可以不同截面形状混合排列，只要保证相邻两行和/或相邻两列的电极棱线相对即可，其中相邻两行/或相邻两列的电极优选间距或中心距最短的相邻电极。棱线相对的两介电电泳电极分别连接交流电源的一个输出端与另一个输出端，交流电源的一个输出端与另一个输出端之间的相位相差180°。
如图7所示，介电电泳电极阵列7中的介电电泳电极的横截面为三角形；如图9所示，介电电泳电极阵列8中的介电电泳电极的横截面为三角星形。当介电电泳电极的横截面为三角形或三角星形时，上一行的电极与下一行的电极棱线相对。如图11所示，具体为以第n行～第n+3行电极为一个单元循环，第n行的电极独角向上间隔排列，第n+1行的电极位置对应于第n行的相邻两电极之间为独角向下设置，第n+2行的电极位置对应于第n+1行的电极为独角向上设置，第n+3行的电极位置对应于第n+2行的相邻两电极之间为独角向下设置，其中n为自然数，当n＝0时，只考虑n+1行的情况；以上结构需保证相邻两行的电极棱线相对，从垂直电极轴线截面上看，电极组形成六角形阵列。如图12、图13所示，同在奇数行的电极连在交流电源的一个输出端上，同在偶数行的电极连在交流电源的另一个输出端上。
如图6所示，介电电泳电极阵列9中的介电电泳电极的横截面为四边形；如图8所示，介电电泳电极阵列10中的介电电泳电极的横截面为四角星形。当介电电泳的横截面为四边形或四角星形时，同一行内相邻电极的棱线相对，同一列内相邻电极的棱线相对。如图14、图15所示，第n行的第奇数个介电电泳电极和第n+1行的第偶数个介电电泳电极连在交流电源的一个输出端上，第n行的第偶数个介电电泳电极和第n+1行的第奇数个介电电泳电极连在交流电源的另一个输出端上。
本发明用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极阵列的工作原理为：
如图12-图15所示，将介电电泳电极阵列中的所有电极分为两组，同组内的电极连接交流电源的同一输出端，两组电极之间的交流电相位相差180°，图中黑色和白色电极象征着需要连接在交流电源不同输出端上的电极。如图16、图17、图 18所示，当接通交流电源时，电极相对的棱线之间形成不均匀电场，介电电泳电极阵列中沿电极的长度方向产生条形体介电电泳力范围分布形式。
当交流电源输入的频率不同时，产生正介电电泳效应或负介电电泳效应。含尘气流沿垂直于电极轴线方向进入四边形电极组区域，当经过交流电场覆盖范围时，其中的颗粒物受到介电电泳力的作用向电场强度大的方向移动，聚集于电极棱边处，当介电电泳力大于斯托克斯力时(颗粒物在低速流体中主要受力为粘滞阻力)，颗粒得以捕获在电极形成的电场范围内。且当颗粒浓度足够大时，电极周围的颗粒由于碰撞以及“链”效应凝聚成较大颗粒并沉降下来。这样就可以分离出气体或流体中的颗粒，并将它们收集起来。
而乳化液中不同液体在电场的作用下表现出不同的电极化性质，这一区别可以使悬浮的液滴在不均匀电场中产生介电电泳效应并被向同一方向，即向高电场强度的位置移动。在移动的过程中，由于碰撞及局部高电场强度在两两小液滴之间的液体膜将被穿破，从而合并成更大的液滴。随着不断的运动和液滴合并，乳化作用将被破坏而形成两个不同液体相并被分离。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (3)
1.一种用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极阵列，其特征在于 ：它包括多行平行设置的一组介电电泳电极, 所述介电电泳电极之间的中心距或间距均匀分布；相邻行和/或相邻列的介电电泳电极的棱线相对设置，且棱线相对的两个介电电泳电极分别连接交流电源的一个输出端与另一个输出端 ；所述介电电泳电极垂直于介质的流动方向，或与介质的流动方向有锐角夹角；
所述介电电泳电极为金属型材，所述金属型材的横截面为带有凸起的形状，所述凸起构成所述介电电泳电极的棱线；
所述横截面为带有尖锐凸起的多边形；
所述介电电泳电极的横截面为三角形或三角星形时，上一行的电极与下一行的介电电泳电极的棱线相对；
以第n行~第n+3行的介电电泳电极为一个单元循环，第n行的介电电泳电极间 隔排列且独角向上，第n+1行的介电电泳电极位置对应于第n行的相邻两介电电泳电极之间且独角向下，第n+2行的电极位置对应于第n+1行的介电电泳电极且独角向上， 第n+3行的介电电泳电极位置对应于第n+2行的相邻两介电电泳电极之间且独角向下；同在第n行的介电电泳电极连在交流电源的一个输出端上，同在第n+1行的介电电泳电极连在交流电源的另一个输出端上；
当接通交流电源时，电极相对的棱线之间形成不均匀电场，介电电泳电极阵列中沿电极的长度方向产生条形体介电电泳力范围分布；
所述介电电泳电极的外表面设置绝缘层。
2.根据权利要求1所述的一种用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极阵列， 其特征在于 ：第n行的第奇数个介电电泳电极和第n+1行的第偶数个介电电泳电极连在交流电源的一个输出端上，第n行的第偶数个介电电泳电极和第n+1行的第奇数个介电电泳电极连在交流电源的另一个输出端上。
3.根据权利要求1所述的一种用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极阵列，其特征在于 ：所述交流电源的一个输出端与另一个输出端之间的相位相差 180°。
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