阅读说明：本技术 应用微流控芯片产生微气泡并促进水合物生成的实验装置 (Experimental device for generating micro-bubbles and promoting generation of hydrate by applying micro-fluidic chip ) 是由 宋永臣 刘冬蕾 蒋兰兰 刘瑜 杨明军 张毅 赵佳飞 王思佳 于 2020-07-20 设计创作，主要内容包括：应用微流控芯片产生微气泡并促进水合物生成的实验装置,其属于水合物应用领域。该装置主要包括扁平式结构的微流控芯片、芯片连接件,以及为配套的注气系统、注液系统、控温系统等。本发明能够实现利用微流控芯片平台产生微气泡,并利用CCD相机观察和记录微流控芯片中产生的微气泡的过程,以及微气泡在水合物成核和生长过程中的促进作用。相比较震荡法、搅拌法、外加磁场法、添加促进剂法等传统促进水合物生成的方法,微气泡法不仅提高了水合物生成效率,同时也避免了需要另外施加外力或者促进剂影响环境的缺点。(An experimental device for generating micro bubbles and promoting generation of hydrates by applying a micro-fluidic chip belongs to the field of hydrate application. The device mainly comprises a micro-fluidic chip with a flat structure, a chip connecting piece, a gas injection system, a liquid injection system, a temperature control system and the like which are matched. The invention can realize the process of generating micro bubbles by using the micro-fluidic chip platform and observing and recording the micro bubbles generated in the micro-fluidic chip by using the CCD camera and the promotion effect of the micro bubbles in the nucleation and growth process of the hydrate. Compared with traditional methods for promoting the generation of the hydrate, such as a vibration method, a stirring method, an external magnetic field method, an accelerator adding method and the like, the microbubble method not only improves the generation efficiency of the hydrate, but also avoids the defect that the environment is influenced by additional external force or an accelerator.)

应用微流控芯片产生微气泡并促进水合物生成的实验装置

技术领域

本发明属于水合物应用领域，涉及到一种应用微流控芯片产生微气泡并促进水合物生成的实验装置。

背景技术

水合物是由客体分子（如甲烷、二氧化碳等）与水在低温高压下形成的一种笼型包合物。其中，天然气水合物由于其外形类似于冰，同时具有可燃的特点，又被称为“可燃冰”。它的储量巨大，并且能量密度很高，一立方米的可燃冰可以分解为164立方米的甲烷，被看作为一种燃烧热值高、清洁无污染的新型非常规能源。除此之外，水合物作为高度浓缩的化合物，在经过了几十年的研究和发展后，已经形成了一门基于水合物生成和分解的具有重要工业应用前景的水合物技术，这对人类社会具有多方面的意义。例如，天然气水合物可用于天然气的运输与储存、工业中天然气的分离加工与提纯，其他客体分子形成的水合物还可用于污水处理与海水淡化、气体混合物分离、水合物蓄冷、液体的近临界和超临界萃取、生物蛋白酶提取、有机水溶液浓缩、二氧化碳深海贮藏、纳米级半导体微晶合成、以及汽车驱动等众多领域。

然而，水合物的生成有着诱导时间长、形成条件高（低温高压）、形成速率缓慢等缺点，因此，水合物的快速生成有着重要的意义。目前常用的促进水合物的生成的方法有震荡法、搅拌法、外加磁场法、添加促进剂法（如：THF、SDS）等，但各自有着需要另外施加外力或者对容易对环境造成破坏等缺点。因此，针对促进水合物的生成问题，亟待一种新型的水合物促进生成方法。

发明内容

针对促进水合物生成技术现存的上述问题，本发明提供一种新型的促进水合物生成的方法，利用所设计的微芯片的特殊结构，向孔道中注入气体，生成微气泡（直径为10-100μm的气泡），利用微气泡与普通气泡相比具有稳定性好、比表面积大、内压高、界面电位高等特点，并且能够增大气液界面的接触面积并增强扰动，使水合物的成核条件变得温和，从而促进水合物的生成。

为了实现上述功能，本发明提供的技术方案是应用微流控芯片产生微气泡并促进水合物生成的实验装置，该装置采用气瓶经过注气ISCO泵后，由进气管连接至微流控芯片，去离子水瓶经过注液ISCO泵、进液管后，分别由第一进液支管和第二进液支管连接至微流控芯片，微流控芯片通过气液出口管后，分别经出气管连接至气体回收器，经出液管连接至液体回收瓶；所述微流控芯片通过连接件设置在密闭冷却室上，密闭冷却室连接冷却循环泵。

所述微流控芯片包括上刻蚀片和下载片两层，上刻蚀片上设置第一进液口、第二进液口、进气口、气液出口和气液混合区，第一进液口经过第一液体过滤结构、第一液体流道后，由气液微流通道连通至气液混合区；第二进液口经过第二液体过滤结构、第二液体流道后，由气液微流通道连通至气液混合区；进气口经过气体过滤结构、气体流道后，由气液微流通道连通至气液混合区；第一液体流道与第二液体流道对称设置在气体流道的两侧；气液出口经过出口过滤结构、出口流道连通至气液混合区；所述气液微流道、气液混合区及二者之间的微流道开口形成扁平式结构；所述连接件用螺栓通过两侧的螺栓孔连接面板、垫板和底板，微流控芯片夹持在面板和底板中间，夹持微流控芯片的连接件设置在密闭冷却室内；面板与底板上设置观察窗，所述面板上还设置有第一进液连接孔、进气连接孔、第二进液连接孔和气液出口连接孔；所述第一进液支管通过第一进液支管连接头连接至第一进液口，第二进液支管通过第二进液支管连接头连接至第二进液口，进气管通过进气管连接头连接至进气口，气液出口通过出口管连接头连接气液出口管；所述观察窗的上方还设置CCD相机，CCD相机电连接至数据采集系统。

所述气液微流通道的直径小于100。

通过所述气液微流通道形成的微气泡进入微流控芯片中促进水合物的生成的气液混合区。

该装置主要包括微流控芯片、密闭冷却室、注气系统、注液系统、控温系统、数据采集系统；

微流控芯片为扁平式结构的耐高压刻蚀玻璃载片，玻璃载片内限定有四周键合密闭的的刻蚀区，所示刻蚀区包括气体流道、液体流道及气液混合区（即水合物生成区）。气体流道为前端带有过滤结构的通向气液混合区的直通流道，液体流道区为前端带有过滤结构的对称分布在气体流道区上下两边的互连方形流道。气液混合区为气液流道后方的方形刻蚀区，其与气液流道所连接的一侧开有直径小于100的开口，液体与气体能够通过此开口进入气液混合区，其另一侧开有后端带有过滤结构的直道以排出气体、液体。气液体流道、气液混合区及之间的微流道开口形成了扁平式结构，此结构能够使气体剪切液体进入微流道，因此能够产生微气泡，微气泡进入气液混合区并在此区域内促进水合物的形成。芯片连接件包括一个钢片式底板、一个钢片式面板和四个钢片式垫板。底板开有四个带螺纹的小孔，四个垫板各开有两个小孔，面板上方开有方形的观察窗口、四个带螺纹的的大孔和四个带螺纹的小孔。大孔的位置与微流控芯片上的进气、进液、出气液口相对应，气液管道通过螺纹件与连接件将气液注入微流控芯片。钢铁片上小孔的一一对应，用以固定芯片。

注气系统包括气瓶、气瓶出口处的减压阀、与气瓶通过管路连接的注气ISCO泵、从注气ISCO泵通向芯片连接件注气口的管路以及管路末端与连接件相连的螺纹件。注液系统包括装有通过进液管连接注液ISCO泵的去离子水瓶、不锈钢反应釜以及第一进液支路和第二进液支路。

控温系统包括冷浴循环装置、与冷浴循环装置相连接的密闭冷却室、水槽外的保温层、乙二醇制冷剂。数据采集系统包括CCD相机及相应软件、微流控芯片进气进液、出气出液口处的温度传感器以及压力传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够实现利用微流控芯片平台产生微气泡并促进水合物生成，并利用CCD相机观察和记录微流控芯片中产生的微气泡的过程，以及微气泡在水合物成核和生长过程中的促进作用。相比较震荡法、搅拌法、外加磁场法、添加促进剂法等传统促进水合物生成的方法，微气泡法不仅提高了水合物生成效率，同时也避免了需要另外施加外力或者促进剂影响环境的缺点。具体包括：（1）本发明采用扁平式结构产生微气泡，在能够稳定产生微气泡的同时能够利用结构特点在气液混合区用微气泡促进生成水合物；（2）本发明采用微芯片生成微气泡的方式促进生成水合物，在快速生成水合物的同时避免了添加促进剂对环境的影响；（3）本发明降低了水合物生成的温压条件，并且不需要外加作用场，能够降低生成过程的能耗。

附图说明

图1是一种应用微流控芯片产生微气泡并促进水合物生成的实验装置的示意图。

图2是微流控芯片的结构图。

图3是连接件的结构图。

图4是连接件与微流控芯片的组合图。

图中：1、气瓶，1a、进气管，1b、进气管连接头，2、注气ISCO泵，3、注液ISCO泵，4、去离子水，4a、进液管，4b、第一进液支管，4c、第一进液支管连接头，4d、第二进液支管，4e、第二进液支管连接头，5、减压阀，6、CCD相机，7、密闭冷却室，8、气体回收器，8a、气液出口管，8b、气液出口管连接头，8c、出气管，8d、出液管，8e、液体回收瓶，9、冷却循环泵，10、数据采集系统，11a、第一针阀，11b、第二针阀，11c、第三针阀，11d、第四针阀，11e、第五针阀，11f、第六针阀，11g、第七针阀，12、微流控芯片，12a、上刻蚀片，12b、下载片，12c、第一进液口，12d、第二进液口，12e、进气口，12f、第一液体过滤结构，12g、气体过滤结构，12h、第二液体过滤结构，12i、第一液体流道，12j、气体流道，12k、第二液体流道，12r、气液微流通道，12m、气液混合区，12n、出口流道，12p、出口过滤结构，12q、气液出口；13、连接件，13a、面板，13b、垫板，13c、底板，13d、观察窗，13e、第一进液连接孔，13f、进气连接孔，13g、第二进液连接孔，13h、气液出口连接孔，13i、螺栓孔。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1到图4示出了一种应用微流控芯片产生微气泡并促进水合物生成的实验装置，该装置采用甲烷气瓶1经过注气ISCO泵2后，由进气管1a连接至微流控芯片12，去离子水瓶4经过注液ISCO泵3、进液管4a后，分别由第一进液支管4b和第二进液支管4d连接至微流控芯片12，微流控芯片12通过气液出口管8a后，分别经出气管8c连接至气体回收器8，经出液管8d连接至液体回收瓶8e；所述微流控芯片12通过连接件13设置在密闭冷却室7上，密闭冷却室7连接冷却循环泵9；

所述微流控芯片12包括上刻蚀片12a和下载片12b两层，上刻蚀片12a上设置第一进液口12c、第二进液口12d、进气口12e、气液出口12q和气液混合区12m，第一进液口12c经过第一液体过滤结构12f、第一液体流道12i后，由气液微流通道12r连通至气液混合区12m；第二进液口12d经过第二液体过滤结构12h、第二液体流道12k后，由气液微流通道12r连通至气液混合区12m；进气口12e经过气体过滤结构12g、气体流道12j后，由气液微流通道12r连通至气液混合区12m；第一液体流道12i与第二液体流道12k对称设置在气体流道12j的两侧；气液出口12q经过出口过滤结构12p、出口流道12n连通至气液混合区12m；所述连接件13包括面板13a、垫板13b和底板13c，微流控芯片12夹持在面板13a和底板13c中间，夹持微流控芯片12的连接件13设置在密闭冷却室7内；面板13a与底板13c上设置观察窗13d，面板13a上还设置有第一进液连接孔13e、进气连接孔13f、第二进液连接孔13g和气液出口连接孔13h；所述第一进液支管4b通过第一进液支管连接头4c连接至第一进液口12c，第二进液支管4d通过第二进液支管连接头4e连接至第二进液口12d，进气管1a通过进气管连接头1b连接至进气口12e，气液出口12q通过出口管连接头8b连接气液出口管8a；所述观察窗13d的上方还设置CCD相机6，CCD相机6电连接至数据采集系统10。

所述气液微流通道12r的直径小于100。

气液微流通道12r形成的微气泡进入微流控芯片12中气液混合区12m，在该区域促进水合物的生成。

采用上述技术方案工作时，以1mL/min的流量向芯片中注入甲烷气体生成微气泡并在温压条件达到7Mpa、275K时生成甲烷水合物，观察并计算微气泡对水合物生成促进效果的实验。按图1的实验装置系统图连接系统，并对系统进行试压，确认没有漏气处。

打开第五针11e和第六针阀11f，向注液ISCO泵3注入去离子水至填满泵全部体积后，关闭第五针11e和第六针阀11f。打开第四针阀通过注液ISCO泵3经进液管4a后，分为两个支管；第一进液支管4b通过第进液支管连接头4c向微流控芯片12中第一进液口12c中缓慢注入去离子水；第二进液支管4d通过第二支管连接头4e向微流控芯片12中第二进液口12d中缓慢注入去离子水，两个进液口中同时注入去离子水，以驱替微流控芯片12中的残余气体并饱和芯片。去离子水从第一进液口12c进入后，经过第一液体过滤结构12f、第一液体流道12i、气液微流通道12r后进入气液混合区12m。去离子水从第二进液口12d进入后，经过第二液体过滤结构12h、第二液体流道12k后进入气液混合区12m。等到液体流道、气液混合区12m完全水饱和后关闭第四针阀11d。

向放置密闭冷却室7的水浴槽中加入含有约30%质量浓度的乙二醇溶液作为制冷剂，打开冷却循环泵9，将整个系统的温度降到所需温度275K；

打开减压阀5、第一针阀11a，从甲烷气瓶1向注气ISCO泵2注入甲烷气体至填满泵全部体积后，泵内初始压力为2MPa，与芯片连接后通过泵压缩气体加压至预设压力7Mpa。关闭第一针阀11a。打开第二针阀11b、第三针阀11c通过注气ISCO泵2将甲烷气体以1mL/min的流量通过进气管1a由进气口12e经气体过滤结构12g后缓慢注入气体流道12j，甲烷气体在气体流道12j通向气液混合区12m的气液微流通道12r中被压缩并在气液混合区12m中生成微气泡。

保持注气ISCO泵2注入流量不变，使用CCD相机6记录并观察微气泡在微流控芯片内气液混合区12m中生成的情况，并记录微流控芯片12气液出入口处的温压值，待气液混合区12m中水合物生成稳定后关闭第二针阀11b、第三针阀11c，记录水合物诱导时间。关闭冷却循环泵9，打开第七针阀11g，分解并排出芯片内的去离子水及甲烷气体。

以上实施例是本发明具体实施方式的一种，本领域技术人员在本技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明内。