一种纳米通道中液体流动特征的实验方法技术

本发明专利技术涉及一种能够实现亚微米‑纳米尺度下对液体流动进行实验研究、操作简便的纳米通道中液体流动特征的实验方法，解决了以往的纳米通道中的研究一般用分子动力学模拟的方法，很少采用实验的方法，而液体在纳米尺度下的受力情况远不同于宏观尺度下(1mm‑1m)，其流量或者远大于传统理论预测的流量，或者远小于传统理论预测的流量，无法进行准确测量的问题。

An experimental method of liquid flow characteristics in nanochannels

The invention relates to an experimental method to realize the liquid flow characteristics in the nano channel, which can carry out experimental study on liquid flow under the nano scale of submicron, and solves the previous research method in the nanoscale, which is generally used by the molecular dynamics simulation, and the experimental method is seldom used, and the liquid is in the nanometer scale. The stress condition is far different from the macro scale (1mm 1m), and its flow rate is much larger than the traditional theory forecast flow, or far less than the traditional theory forecast flow, so it can not be accurately measured.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米通道中液体流动特征的实验方法
本专利技术涉及一种实验方法领域，尤其涉及一种能够实现纳米尺度下对液体流动进行实验研究、操作简便的纳米通道中液体流动特征的实验方法。
技术介绍
近20年来，随着微纳技术的日渐应用，液体在纳米通道内的流动特征受到了人们的关注，以往的纳米通道中的研究一般用分子动力学模拟的方法，很少采用实验的方法。液体在纳米尺度下的受力情况远不同于宏观尺度下(1mm-1m)，其流量或者远大于传统理论预测的流量，或者远小于传统理论预测的流量。液体在纳米尺度下流动特征的明确，有利于在生物技术、污染处理、油气田开发中效率的提高。在现有技术中用于微纳尺度的纳米管束中最多的是碳纳米管，但是由于碳纳米管一般小到单分子的直径或者单一的纳米刻蚀通道，流量太小难以检测，因此常规的实验根本无法对液体的流动特征进行测量。
技术实现思路
为解决以往的纳米通道中的研究一般用分子动力学模拟的方法，很少采用实验的方法，而液体在纳米尺度下的受力情况远不同于宏观尺度下(1mm-1m)，其流量或者远大于传统理论预测的流量，或者远小于传统理论预测的流量，无法进行准确预测和测量的问题，本专利技术提供了一种能够实现纳米尺度下对液体流动进行实验研究、操作简便的纳米通道中液体流动特征的实验方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，所述纳米通道中液体流动特征的实验方法包括以下步骤：1)选择25～125纳米孔径的氧化铝纳米膜，并用扫描电镜测量其准确的直径和孔密度；2)向液体罐中加入经紫外光杀菌、用25纳米孔径规格的纳米膜过滤后的去离子水；3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将通道束薄膜夹紧密封；5)利用高纯氮气作为动力源，对整个实验体系加压驱替，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，液体流量由光电位移检测仪测量得到；6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的去离子水的流量，重复5～10次，取平均值；其中步骤1)所述的去离子水电导率小于10μs/cm，所述步骤5)结束后小心取下通道束薄膜，检查通道束薄膜是否破损，若通道束薄膜破损则舍弃数据，重新进行测量，若通道束薄膜无破损，则数据有效，对其进行记录并整合分析。所述实验方法操作简便，多次测量取均值。作为优选，步骤3)所述的上下夹具由两个夹具组成，分别称为上夹具和下夹具，上下夹具上设有一个直径为20～25mm的玻璃砂岩岩心柱。作为优选，所述玻璃砂岩岩心柱上均匀密布有孔径为0.095～0.105mm的小通孔。作为优选，步骤3)所述通道束薄膜包括氧化铝纳米膜。作为优选，所述氧化铝纳米膜孔径规格为25～125nm。作为优选，所述氧化铝纳米膜包括125nm、90nm、65nm和25nm中任意一种孔径规格的氧化铝纳米膜。作为优选，进行步骤3)所述加压驱替步骤时，所施加的压力差为0～3500MPa/m。作为优选，对有效数据进行整合分析，结合Hagen-Poiseuille方程与实验数据进行计算和验证，得到Hagen-Poiseuille方程的修正公式：式中N为流经的所有通道总数量，μw为水的粘度系数，为压力梯度，σ为静水边界层厚度，π为圆周率，r0为管半径，Qex为修正泊肃叶理论公式后计算所得的理论流量。利用所述纳米通道中液体流动特征的实验方法，可对液体在纳米尺度下的流量进行测量，并通过不同条件下进行实验得到不同条件的数据，对数据结合Hagen-Poiseuille方程计算和分析，可对Hagen-Poiseuille方程进行验证或修正，并明确液体在纳米尺度下的流动特征。流量与压力的关系式Hagen-Poiseuille方程(又称泊肃叶理论公式、泊肃叶方程)：上述式中，π为圆周率，r为流速计算点至管轴心的距离，r0为管半径，p为压力，l为管长度，τ为剪切力，d为微分符号，v为流速，μ为剪切变形速率，式(10)中为压力梯度，Δp为管长度为l时所产生的压力差，π为圆周率，l为管长度，μ为剪切变形速率，d为孔径。本专利技术的有益效果是：1)解决了现有技术中无法对液体在纳米尺度下的受力情况进行准确测量的问题，提供了一种可对液体在纳米尺度下的受力情况进行准确测量的实验方法；2)本实验方法操作简单，仪器设备较简单，具有测量高效快速、成本低的优点；3)采用氧化铝纳米膜作为通道束薄膜替代了传统碳纳米管，提高了液体流量，使得测量更加准确并降低了一定的实验要求。附图说明图1为本专利技术的装置示意图；图2为在孔径125nm通道内实验流量与压力梯度的关系；图3为在孔径90nm通道内实验流量与压力梯度的关系；图4为在孔径65nm通道内实验流量与压力梯度的关系；图5为在孔径25nm通道内实验流量与压力梯度的关系；图6为在孔径125nm通道内实验流量与泊肃叶理论公式计算得到理论流量的对比图；图7为在孔径90nm通道内实验流量与泊肃叶理论公式计算得到理论流量的对比图；图8为在孔径65nm通道内实验流量与泊肃叶理论公式计算得到理论流量的对比图；图9为在孔径25nm通道内实验流量与泊肃叶理论公式计算得到理论流量的对比图；图10为液体在孔径125nm通道内边界粘附层的厚度占孔径的比例随驱替压力的变化关系图；图11为液体在孔径90nm通道内边界粘附层的厚度占孔径的比例随驱替压力的变化关系图；图12为液体在孔径65nm通道内边界粘附层的厚度占孔径的比例随驱替压力的变化关系图；图13为液体在孔径25nm通道内边界粘附层的厚度占孔径的比例随驱替压力的变化关系图；图14为液体在所有纳米孔径条件下的边界层厚度占孔径比例随压力梯度的变化关系图；图中，1液体罐，2压力测量仪，3温度测量仪，401上夹具，402下夹具，5通道束薄膜，6耐高压的塑料软管，7光电位移检测仪，Qhp表示由传统泊肃叶理论公式计算所得的理论流量，Qexp表示实验流量。具体实施方式下面结合本专利技术实施例和附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述实施例仅为本专利技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。搭建如图1所示的装置示意图。实施例1一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，所述纳米通道中液体流动特征的实验方法包括以下步骤：1)选择125纳米孔径的氧化铝纳米膜，并用扫描电镜测量其准确的直径和孔密度；2)向液体罐中加入经紫外光杀菌、用25纳米孔径规格的纳米膜过滤后的去离子水；3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将孔径规格为125nm的氧化铝纳米膜夹紧密封；5)利用高纯氮气作为动力源，对整个实验体系加压驱替，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，液体流量由光电位移检测仪测量得到；6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的去离子水的流量，重复10次，取平均值；其中步骤1)所述的去离子水电导率小于10μs/cm，所述步骤5)结束后小心取下孔径规格为125nm的氧化铝纳米膜，对孔径规格为125nm的氧化铝纳米膜进行检查，孔径规格为125nm的氧化铝纳米膜无破损，数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，所述纳米通道中液体流动特征的实验方法包括以下步骤：1)选择25～125纳米孔径的氧化铝纳米膜，并用扫描电镜测量其准确的直径和孔密度；2)向液体罐中加入经紫外光杀菌、用25纳米孔径规格的纳米膜过滤后的去离子水；3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将通道束薄膜夹紧密封；5)利用高纯氮气作为动力源，对整个实验体系加压驱替，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，液体流量由光电位移检测仪测量得到；6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的去离子水的流量，重复5～10次，取平均值；其中步骤1)所述的去离子水电导率小于10μs/cm，所述步骤5)结束后小心取下通道束薄膜，检查通道束薄膜是否破损，若通道束薄膜破损则舍弃数据，重新进行测量，若通道束薄膜无破损，则数据有效，对其进行记录并整合分析。

【技术特征摘要】
1.一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，所述纳米通道中液体流动特征的实验方法包括以下步骤：1)选择25～125纳米孔径的氧化铝纳米膜，并用扫描电镜测量其准确的直径和孔密度；2)向液体罐中加入经紫外光杀菌、用25纳米孔径规格的纳米膜过滤后的去离子水；3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将通道束薄膜夹紧密封；5)利用高纯氮气作为动力源，对整个实验体系加压驱替，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，液体流量由光电位移检测仪测量得到；6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的去离子水的流量，重复5～10次，取平均值；其中步骤1)所述的去离子水电导率小于10μs/cm，所述步骤5)结束后小心取下通道束薄膜，检查通道束薄膜是否破损，若通道束薄膜破损则舍弃数据，重新进行测量，若通道束薄膜无破损，则数据有效，对其进行记录并整合分析。2.根据权利要求1所述的一种纳米通道中液体流动特征的实验方法，其特征在于，步骤3)所述的上下夹具由两个夹具组成，分别称为上夹具和下夹具，上下夹具上设有一个直径为20～25mm的玻璃砂岩岩心柱。3.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋付权，胡箫，纪凯，文建军，朱根民，朱维耀，
申请(专利权)人：浙江海洋大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33