一种双仿生超浸润齿轮装置及其制备方法和应用制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种双仿生超浸润齿轮装置及其制备方法和应用，通过表面超润湿性和互补拓扑结构之间的协同作用，实现将油水微滴和水包油乳液分离成纯相，具有高分离效率、高通量以及高防污染性能；本发明专利技术可用于分离不同种类的油水混合微滴，对多种油水混合微滴都具有较好的分离效果，分离的纯度可达到99％以上；本发明专利技术利用3D打印技术制备的仿猫舌头刺结构齿轮和利用复型技术制备的仿猪笼草凹坑结构齿轮制备成本低，原材料易得，工艺简单，制备时间短，克服了传统的油水分离设备存在制作成本高、制作周期长、难以重复利用及难以大范围制备的缺点。本发明专利技术可实现二次利用和可放大的、低碳性能的油水分离材料适合大范围制备。低碳性能的油水分离材料适合大范围制备。低碳性能的油水分离材料适合大范围制备。

【技术实现步骤摘要】
一种双仿生超浸润齿轮装置及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及水、废水、污水的处理
，具体涉及一种双仿生超浸润齿轮装置及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着人口的增长和工业的快速发展，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大，同时日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。将石油泄漏、工业化学品泄漏和生活污水造成的含油废水净化为洁净水有助于缓解水资源短缺，实现高效率油水混合物乃至乳液分离是极为重要的。
[0003]目前，针对含油废水，提出多种处理方法，包括重力分离、离心、原位燃烧、机械回收、电解、化学固化和生物修复等，但这些方法仍然存在分离效率低、二次污染、能耗高、成本高等局限性，极大地限制了应用。目前已经存在一些先进材料或系统(超湿膜和3D多孔体)，显示出了解决这些全球性和前沿挑战的潜力，但这些材料或系统仍面临一些不可避免的不足：1.分离通量低，抗污能力弱；2.对于不同密度的多尺度油水体系的可行性较低，特别是对于油水微滴和水包油乳液；3.工艺复杂，制作成本高。虽然近年来油水分离设备不断发展，包括功能化拖网、大型分离器、撇油器、浮井等，但这些设备的潜在机制也是基于超湿膜或海绵，即便分离率有所提高，但封闭和静态分离模式的局限性并没有被打破。因此，构建一种简单有效的多尺度油水微液滴油水分离策略是一项迫在眉睫的任务。
[0004]目前油水分离材料普遍可以实现油水混合物的分离，而对于不易分层的油水微滴分离难以实现，即使借用浸润性的辅助，例如超疏油超亲水海绵或亲水/疏油功能油水分离网，虽有一定分离效果，但也存在成本高，易被污染，难以实现二次利用等问题。
[0005]因此，需要一种可以实现多尺度油水滴分离的装置。

技术实现思路

[0006]本专利技术是为了解决多尺度油水滴分离的问题，提供一种双仿生超浸润齿轮装置及其制备方法和应用，通过表面超润湿性和互补拓扑结构之间的协同作用，实现将油水微滴和水包油乳液分离成纯相，具有高分离效率、高通量以及高防污染性能；本专利技术可用于分离不同种类的油水混合微滴，如正十六烷/水混合物，四氯化碳/水混合物，硅油/水混合物等，对多种油水混合微滴都具有较好的分离效果，分离的纯度可达到99％以上；本专利技术利用3D打印技术制备的仿猫舌头刺结构齿轮和利用复型技术制备的仿猪笼草凹坑结构齿轮制备成本低，原材料易得，工艺简单，制备时间短，克服了传统的油水分离设备存在制作成本高、制作周期长、难以重复利用及难以大范围制备的缺点。本专利技术可实现二次利用和可放大的、低碳性能的油水分离材料适合大范围制备。
[0007]本专利技术提供一种双仿生超浸润齿轮装置，包括分别设置的第一支撑架、第二支撑架，连接在第一支撑架上方的第一旋转电机，连接在第二支撑架上方的第二旋转电机，与第一旋转电机的输出端相连并在第一旋转电机带动下可旋转的仿生尖齿组件，与第二旋转电
机的输出端相连并在第二旋转电机带动下可旋转的仿生凹槽组件，穿过第一支撑架并带动第一支撑架移动的旋转螺杆，与旋转螺杆起始端连接带动旋转螺杆运动的电机和支撑在第一支撑架、第二支撑架、电机底部的底部支撑架，仿生尖齿组件与仿生凹槽组件垂直相对设置，旋转螺杆带动第一支撑架移动使仿生尖齿组件的前端与仿生凹槽组件的前端咬合；
[0008]仿生尖齿组件的咬合表面亲水，仿生凹槽组件的咬合表面亲油，油水混合物在仿生尖齿组件和仿生凹槽组件咬合部位上方滴落，仿生尖齿组件和仿生凹槽组件以相反的角度旋转挤压油水混合物并破开油水结合部，油水混合物的水相沿仿生尖齿组件表面铺展得到水膜并累积后随着仿生尖齿组件运动最终在仿生尖齿组件的底部滴落，油水混合物的油相沿着仿生凹槽组件的表面铺展得到油膜并累积后随着仿生凹槽组件的运动在仿生凹槽组件的底部滴落，分别收集滴落的水相和油相，油水混合物的水相和油相得到分离。
[0009]本专利技术所述的一种双仿生超浸润齿轮装置，作为优选方式，仿生尖齿组件包括与第一旋转电机输出端连接的第一齿轮本体和周期性连接在第一齿轮本体外侧的仿生尖齿，第一齿轮本体为在第一旋转电机带动下沿水平方向旋转的圆柱体，仿生尖齿为向斜后方突出的尖齿结构；
[0010]仿生尖齿表面亲水、水接触角＜3
°
、水下油接触角＞152
°
。
[0011]本专利技术所述的一种双仿生超浸润齿轮装置，作为优选方式，仿生尖齿包括与第一齿轮本体外表面连接的底面，分别连接在底面前侧、后侧的前侧凸曲面、后侧凸曲面和连接前侧凸曲面顶部与后侧凸曲面顶部的齿面；
[0012]前侧凸曲面和后侧凸曲面均为中部向外突出且向后倾斜的曲面，前侧凸曲面的高度高于后侧凸曲面的高度，齿面位于前侧凸曲面的顶部下方，前侧凸曲面的顶部与齿面的顶面形成尖角；
[0013]仿生尖齿使用亲水溶液进行亲水处理，仿生尖齿的材质为耐高温树脂。
[0014]本专利技术所述的一种双仿生超浸润齿轮装置，作为优选方式，仿生尖齿的高度为750μm～1000μm，两个仿生尖齿的间距为600μm～1000μm，仿生尖齿的最高点到底部最前端的距离为950μm～1150μm；
[0015]齿面为平面，齿面与底面的夹角为45
°
～60
°
。
[0016]本专利技术所述的一种双仿生超浸润齿轮装置，作为优选方式，仿生凹槽组件包括与第二旋转电机可动连接的第二齿轮本体和周期性连接在第二齿轮本体表面并向内凹陷的仿生凹槽，第二齿轮本体为垂直设置的圆柱体、尺寸与第一齿轮本体相同，仿生尖齿为向斜前方凹陷的凹槽结构，仿生尖齿与仿生凹槽可咬合；
[0017]仿生凹槽表面亲油、油接触角小于3
°
、油下水的接触角大于152
°
；
[0018]仿生凹槽使用油水混合物中油相的成分进行亲油处理；
[0019]第一旋转电机和第二旋转电机旋转的角速度均为3～15rpm。
[0020]本专利技术所述的一种双仿生超浸润齿轮装置，作为优选方式，仿生凹槽可为通过仿生尖齿翻模制作的反向结构；
[0021]或者仿生凹槽包括与第二齿轮本体外表面连接的顶部开口，分别连接在顶部开口前侧、后侧的前侧凹曲面、后侧凹曲面，顶部开口为向后突出的两条相连曲线；
[0022]仿生凹槽的本体为耐高温树脂、表面为亲油处理后嵌套嵌套在表面的PDMS环形条；
[0023]仿生凹槽的深度大于750μm，两个仿生凹槽的间距为600μm～1000μm。
[0024]本专利技术提供一种双仿生超浸润齿轮装置的制备方法，包括以下步骤：
[0025]S1、通过3D打印得到仿生尖齿组件和仿生凹槽组件，将仿生尖齿组件和仿生凹槽组件置于乙醇清洗盒中，超声清洗3～5min，氮气吹干，再用乙醇冲洗2～3次，表面无树脂残留后用氮气吹干；
[0026]将仿生尖齿组件和仿生凹槽组件分别置于紫外光固化旋转机中紫外固化2～10min，得到固化后仿生尖齿组件和固化后仿生凹槽组件；
[0027]固化后仿生尖齿组件的亲水处理进入步骤S2，固化后仿生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双仿生超浸润齿轮装置，其特征在于：包括分别设置的第一支撑架(1)、第二支撑架(2)，连接在所述第一支撑架(1)上方的第一旋转电机(3)，连接在所述第二支撑架(2)上方的第二旋转电机(4)，与所述第一旋转电机(3)的输出端相连并在所述第一旋转电机(3)带动下可旋转的仿生尖齿组件(5)，与所述第二旋转电机(4)的输出端相连并在所述第二旋转电机(4)带动下可旋转的仿生凹槽组件(6)，穿过所述第一支撑架(1)并带动所述第一支撑架(1)移动的旋转螺杆(7)，与所述旋转螺杆(7)起始端连接带动所述旋转螺杆(7)运动的电机(8)和支撑在所述第一支撑架(1)、所述第二支撑架(2)、所述电机(8)底部的底部支撑架(9)，所述仿生尖齿组件(5)与所述仿生凹槽组件(6)垂直相对设置，所述旋转螺杆(7)带动所述第一支撑架(1)移动使所述仿生尖齿组件(5)的前端与所述仿生凹槽组件(6)的前端咬合；所述仿生尖齿组件(5)的咬合表面亲水，所述仿生凹槽组件(6)的咬合表面亲油，油水混合物在所述仿生尖齿组件(5)和所述仿生凹槽组件(6)咬合部位上方滴落，所述仿生尖齿组件(5)和所述仿生凹槽组件(6)以相反的角度旋转挤压所述油水混合物并破开油水结合部，所述油水混合物的水相沿所述仿生尖齿组件(5)表面铺展得到水膜并累积后随着所述仿生尖齿组件(5)运动最终在所述仿生尖齿组件(5)的底部滴落，所述油水混合物的油相沿着所述仿生凹槽组件(6)的表面铺展得到油膜并累积后随着所述仿生凹槽组件(6)的运动在所述仿生凹槽组件(6)的底部滴落，分别收集滴落的水相和油相，所述油水混合物的水相和油相得到分离。2.根据权利要求1所述的一种双仿生超浸润齿轮装置，其特征在于：所述仿生尖齿组件(5)包括与所述第一旋转电机(3)输出端连接的第一齿轮本体(51)和周期性连接在所述第一齿轮本体(51)外侧的仿生尖齿(52)，所述第一齿轮本体(51)为在所述第一旋转电机(3)带动下沿水平方向旋转的圆柱体，所述仿生尖齿(52)为向斜后方突出的尖齿结构；所述仿生尖齿(52)表面亲水、水接触角＜3
°
、水下油接触角＞152
°
。3.根据权利要求2所述的一种双仿生超浸润齿轮装置，其特征在于：所述仿生尖齿(52)包括与所述第一齿轮本体(51)外表面连接的底面(521)，分别连接在所述底面(521)前侧、后侧的前侧凸曲面(522)、后侧凸曲面(523)和连接所述前侧凸曲面(522)顶部与所述后侧凸曲面(523)顶部的齿面(524)；所述前侧凸曲面(522)和所述后侧凸曲面(523)均为中部向外突出且向后倾斜的曲面，所述前侧凸曲面(522)的高度高于所述后侧凸曲面(523)的高度，所述齿面(524)位于所述前侧凸曲面(522)的顶部下方，所述前侧凸曲面(522)的顶部与所述齿面(524)的顶面形成尖角；所述仿生尖齿(52)使用亲水溶液进行亲水处理，所述仿生尖齿(52)的材质为耐高温树脂。4.根据权利要求3所述的一种双仿生超浸润齿轮装置，其特征在于：所述仿生尖齿(52)的高度为750μm～1000μm，两个所述仿生尖齿(52)的间距为600μm～1000μm，所述仿生尖齿(52)的最高点到底部最前端的距离为950μm～1150μm；所述齿面(524)为平面，所述齿面(524)与所述底面(521)的夹角为45
°
～60
°
。5.根据权利要求2所述的一种双仿生超浸润齿轮装置，其特征在于：所述仿生凹槽组件(6)包括与所述第二旋转电机(4)可动连接的第二齿轮本体(61)和周期性连接在所述第二
齿轮本体(61)表面并向内凹陷的仿生凹槽(62)，所述第二齿轮本体(61)为垂直设置的圆柱体、尺寸与所述第一齿轮本体(51)相同，所述仿生尖齿(52)为向斜前方凹陷的凹槽结构，所述仿生尖齿(52)与所述仿生凹槽(62)可咬合；所述仿生凹槽(62)表面亲油、油接触角小于3<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卓星，于存龙，董智超，江雷，
申请(专利权)人：北京仿生界面科学未来技术研究院，
类型：发明
国别省市：