CN111548024B - 平面内超疏水轨道上单丝***气泡的方法 - Google Patents

平面内超疏水轨道上单丝***气泡的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面内超疏水轨道上单丝***气泡的方法。本发明首先在平面基底上制作等宽的具有超疏水性质的直线轨道，使得除了该轨道区域，其它基底平面区域为非疏水表面；其次采用单丝作为基底，喷涂超疏水溶液，使之成为具备超疏水性的单丝，并将其固定于离直线轨道设定距离的位置；然后将直线轨道平行于重力方向放置在水中，与气泡生产处位于同一水平面内；当气泡经过单丝处时，受到单丝的毛细力作用及壁面黏附力作用，气泡被粘附，受到剪切，撕裂从而形成直径更小的新气泡，实现气泡的***，达到生成微小气泡的目的。本发明制备简单，成本低，能够快速地在开放壁面上获得微小气泡。

Description

平面内超疏水轨道上单丝***气泡的方法
技术领域
本发明属于多相流技术领域，具体涉及一种开放壁面超疏水轨道上运动气泡的分割，用于液态流体中对上升气泡进行调控***，进而得到更加微小的气泡。
背景技术
气泡被广泛存在于石油化工、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体积大小在矿物泡沫浮选、鼓泡反应器、污水处理、水力减阻和细胞孵化等过程中都起着重要的作用。泡沫浮选时，气泡在液相中停留时间和运动历程越长对矿物浮选越有利；相反在微流控和热交换***中则需要气泡更快离开。通过改变气泡的大小，不仅可以改变气泡的运动速度，还可以改变比表面积的大小。通过增大比表面积从而增加物理/化学反应的接触面积，大大提高反应效率。
虽然可以通过微流控的实验装置产生得到微气泡，但是通过这种方法在生成的气泡仅限于在微通道内运动，并且微流控的实验装置会出现管道堵塞导致无法生成气泡的情况。相比微流控产生的受限空间内的气泡，开放壁面上的气泡具有更大的比表面积和运动自由度，这些特性对气泡在化学反应、传质传热方面的性能非常关键，所以如何在开放壁面上生成微气泡显得尤为重要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种无需能量输入的切割气泡***方法，利用浮力作用下气泡在超疏水轨道上运动，经过离轨道平面一定距离的超疏水单丝时，气泡被单丝切割实现气泡***的操控。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
在平面基底上制作等宽的具有超疏水性质的直线轨道，使得除了该轨道区域，其它基底平面区域为非疏水表面。
采用单丝作为基底，喷涂超疏水溶液，使之成为具备超疏水性的单丝，并将其固定于离直线轨道设定距离的位置，平行于轨道所在平面，垂直于轨道。
将直线轨道平行于重力方向放置在水中，与气泡生产处喷嘴的距离小于气泡体积等效直径。
当水体浸没上述轨道后，气泡在浮力的作用下做自由上浮运动，在触碰上述轨道时，被稳定吸附在轨道上，并沿轨道向上做直线运动，当气泡经过单丝处时，受到单丝的毛细力作用及壁面黏附力作用，气泡被粘附，受到剪切，撕裂从而形成直径更小的新气泡，实现气泡的***，达到生成微小气泡的目的。
所述单丝直径为0.01～0.3D，轨道宽度为0.1D～1.5D，单丝与轨道间距为0.1D～2D，其中D为气泡体积等效直径。
进一步说，轨道底端位置放置在水平方向距离气泡生成处0至3倍的气泡特征长度范围内。
进一步说，所述的具有超疏水性质的直线轨道的液滴接触角为150°～180°，最小滑动角不大于5°。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
(1)本发明制备简单，成本低，能够快速地在开放壁面上获得微小气泡。
(2)本发明通过一个大气泡***成许多个小气泡，产生的小气泡比表面积大。
(3)本发明可以通过改变初始气泡直径改变***后气泡的大小。
(4)本发明可以通过改变超疏水单丝和超疏水轨道的距离改变***后气泡的大小。
(5)本发明可以在开放壁面上生成直径小于1mm的微气泡。
附图说明
图1为超疏水轨道壁面示意图；
图2为超疏水单丝示意图；
图3为单丝***气泡装置示意图；
图4为单丝***气泡装置侧视图；
图5为单丝***气泡装置正视图；
图6为单丝***气泡示意图。
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。
本发明通过在平面基底上设计并制作，得到等宽的具有超疏水性质的直线轨道，使得除了超疏水轨道区域，其它基底平面区域为非疏水表面，其次采用直径为d的单丝作为基底，喷涂超疏水溶液，使之成为具备超疏水性的单丝，并将其固定于离轨道一定距离L处。
当水体浸没超疏水轨道后，气泡在浮力的作用下做自由上浮运动，在触碰超疏水轨道时，由于超疏水轨道的超亲气性，气泡在轨道底端迅速铺展，同时受表面张力的作用而形成稳定的非球状，最终被稳定吸附在轨道上，在浮力、毛细力等力的作用下沿轨道向上做直线运动。
气泡沿着轨道上浮，当气泡经过单丝处时，受到超疏水单丝的毛细力作用及壁面黏附力作用，气泡被粘附，而由于气泡在轨道上运动速度较大，故在此过程中气泡受到剪切，撕裂从而形成直径更小的新气泡，实现气泡的***，达到生成微小气泡的目的。至此微小气泡制备完成，可供后续工程应用和研究。同等气泡直径D下，通过改变轨道的宽度W、单丝直径d和单丝与轨道间距L可以有效调节***后的气泡大小，其余参数恒定情况下，轨道宽度W越小，产生的微气泡越小；单丝直径d越小，生成的微气泡越小；单丝与轨道间距L越大，生成的***微气泡越小；具体相同规格的单丝型轨道，改变初始气泡直径也可以调整***后气泡的大小，生成的气泡随着初始直径的减小而减小。
其中气泡为任意气泡，单丝直径d为0.01～0.3D，超疏水轨道宽度W为0.1D～1.5D，单丝与轨道间距L为0.1D～2D，轨道及单丝可以为不同的超疏水表面，超疏水轨道其液滴接触角为150°～180°，超疏水基底壁面可以为玻璃、金属、亚克力及其它亲水工程材料，超疏水单丝基底可以为尼龙绳，玻璃及其它亲水工程材料，超疏水轨道厚度小于0.1mm；流体可以为牛顿或者非牛顿流体。
实施例
如图1、图2和图3所示，选择平面基底1，对其表面进行清洗，其后在基底材料表面预留出所期望的气泡运动轨迹，选择单丝的基底材料2，对其表面进行清洗，对二者分别使用超疏水溶液进行喷涂，得到表面及边缘平整，表面光滑的超疏水涂层3，使基底材料表面的疏水性能得到明显改善。
为了保证气泡在基底材料上具有较好的附着能力，须在基底材料表面形成厚度约为0.1mm，表面及两侧光滑且具有良好疏水性能的超疏水表层。
本实例中以玻璃平板作为基底，喷涂上一层超疏水涂料，接触角为160°，擦拭除去超疏水涂料边缘多余部分。设所控制的气泡其特征长度为D，绘制的气泡上升轨道宽度W为0.5D，单丝直径d为0.05D，轨道与单丝间距L=D。将超疏水轨道平行于重力方向放置在水中，与气泡生产处位于同一水平面内，并将轨道底端位置放置在水平方向距离气泡生成处0至3倍的气泡特征长度范围内，便于捕捉水中的气泡，以便于水中气泡轨迹的捕获。其次将超疏水单丝放置在水平面上且与超疏水轨道平面平行，距离轨道平面L=D处，使气泡运动方向垂直于超疏水单丝如图3、图4、图5所示。气泡在浮力的作用下上浮，由于超疏水轨道的超亲气性使气泡黏附到轨道上并沿着轨道直线上浮，当气泡运动到超疏水单丝附近时，受到单丝黏附力等作用，气泡被拉扯变形。随着气泡的上浮运动，单丝将大气泡切割成两个单个的小气泡，如图6所示。至此开放壁面上微小气泡制备完成，可供后续工程应用和研究。
综上，本发明无需能量输入、制备简单、 成本低，能够快速地在开放壁面上获得微气泡，并且能够根据不同场景的需求通过改变轨道的宽度，改变轨道与单丝间距调节***的气泡大小，通过这种由一个气泡***产生的微小气泡由于体积小、比表面积大，增加了物理/化学反应的接触面积，大大提高反应效率，丰富了微气泡的生成方法。

Claims (3)

1.平面内超疏水轨道上单丝***气泡的方法，其特征在于：
在平面基底上制作等宽的具有超疏水性质的直线轨道，使得除了该轨道区域，其它基底平面区域为非疏水表面；
采用单丝作为基底，喷涂超疏水溶液，使之成为具备超疏水性的单丝，并将其固定于离直线轨道设定距离的位置，且平行于直线轨道所在平面，垂直于直线轨道；
将直线轨道平行于重力方向放置在水中，与气泡生产处喷嘴的距离小于气泡体积等效直径；
当水体浸没上述轨道后，气泡在浮力的作用下做自由上浮运动，在触碰上述轨道时，被稳定吸附在轨道上，并沿轨道向上做直线运动，当气泡经过单丝处时，受到单丝的毛细力作用及壁面黏附力作用，气泡被粘附，受到剪切，撕裂从而形成直径更小的新气泡，实现气泡的***，达到生成微小气泡的目的；
所述单丝直径为0.01～0.3D，轨道宽度为0.1D～1.5 D，单丝与轨道间距为0.1D～2D，其中D为气泡体积等效直径。
2.根据权利要求1所述的平面内超疏水轨道上单丝***气泡的方法，其特征在于：轨道底端位置放置在水平方向距离气泡生成处0至3倍的气泡特征长度范围内。
3.根据权利要求1所述的平面内超疏水轨道上单丝***气泡的方法，其特征在于：所述的具有超疏水性质的直线轨道的液滴接触角为150°～180°。
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