本發(fā)明屬于流體操控技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種具有氣泡誘導(dǎo)生成和輸運(yùn)功能的可燃冰采運(yùn)裝置和采運(yùn)方法。

背景技術(shù)：

利用固體與流體間的特殊相互作用來調(diào)控流體的生成、輸運(yùn)、合并及分離行為，是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)研究的關(guān)鍵生長點(diǎn)。具有特殊表面浸潤性的材料，因其與流體具有較強(qiáng)的相互作用力，被大量的應(yīng)用于流體輸運(yùn)界面的構(gòu)建之中。作為一種重要的流體，水下氣體在眾多自然及工業(yè)過程中發(fā)揮了極大的作用，例如自然界中的潛水鐘蜘蛛利用其超親氣外殼將氧氣帶入水下，從而實(shí)現(xiàn)水下生存。工業(yè)中的暴氣、增氧、以及電解過程，也是氣-液作用的重要應(yīng)用領(lǐng)域。在水下環(huán)境中，具有疏水性的界面往往對氣體具有一定的捕獲收集能力，這為進(jìn)一步構(gòu)建具有氣體操控能力的功能界面提供了思路。

能源是人類發(fā)展的血液，在化石燃料大量消耗的今天，對于海底可燃冰的開采，已經(jīng)成為各個國家爭奪的新興能源領(lǐng)域。開采可燃冰中一個重要方法就是將其加熱氣化，原位收集生成的甲烷氣體。然而，由于深海環(huán)境中壓強(qiáng)較大，利用管式封閉氣路容易海水倒灌，同時由于可燃冰往往伴隨泥沙，管路的污染與堵塞也會降低開采效率、加大開采難度。因此開發(fā)一種非管式、耐高壓、可整合的氣體輸運(yùn)界面以及對應(yīng)的海底可燃冰開采系統(tǒng)就顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的是海底可燃冰開采技術(shù)中管式封閉氣路存在的各種技術(shù)問題，提供了一種基于超潤滑氣體輸運(yùn)界面的可燃冰采運(yùn)裝置和采運(yùn)方法，利用低表面能的微/納米尺度多孔基底吸附疏水潤滑液形成具有超潤滑氣體輸運(yùn)界面，并在浸潤有疏水潤滑液的低表面能的微/納米尺度多孔基底一端固定有加熱氣化元件構(gòu)成運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元；單個或多個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成開放式或通道式的可燃冰采運(yùn)裝置；采運(yùn)時加熱氣化元件插入可燃冰層，低表面能的微/納米尺度多孔基底以一定傾斜角度設(shè)置，即可用于海底可燃冰的原位氣化與甲烷氣泡定向運(yùn)輸，為海底可燃冰的原位開采提供了一種新型有效的可行方案。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種基于超潤滑氣體輸運(yùn)界面的可燃冰采運(yùn)裝置，包括低表面能的微/納米尺度多孔基底；所述低表面能的微/納米尺度多孔基底浸潤有疏水潤滑液，形成超潤滑氣體輸運(yùn)界面；

浸潤有疏水潤滑液的所述低表面能的微/納米尺度多孔基底一端固定有加熱氣化元件構(gòu)成運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元；

一個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元單獨(dú)設(shè)置或者多個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元間隔層狀排列，構(gòu)成能使氣泡在所述超潤滑氣體輸運(yùn)界面運(yùn)輸?shù)目扇急蛇\(yùn)裝置；

可燃冰采運(yùn)裝置的所述加熱氣化元件用于插入于可燃冰層，并且所述低表面能的微/納米尺度多孔基底以大于20°小于90°的傾斜角度設(shè)置。

其中，所述低表面能的微/納米尺度多孔基底由微/納米尺度多孔基底經(jīng)過低表面能處理得到，所述微/納米尺度多孔基底為紙基板、纖維素基板、玻璃纖維板、混凝土板、氧化鋁板、銅板、abs板中的一種。

其中，所述微/納米尺度多孔基底具有孔徑為10～5000nm的微/納米多孔結(jié)構(gòu)。

其中，所述低表面能的微/納米尺度多孔基底浸潤有疏水潤滑液，是指所述疏水潤滑液吸附于所述低表面能的微/納米尺度多孔基底內(nèi)部的微-納米多孔結(jié)構(gòu)中并附著于所述低表面能的微/納米尺度多孔基底表面，其中附著于所述低表面能的微/納米尺度多孔基底表面的所述疏水潤滑液厚度為10～200微米。

其中，所述疏水潤滑液為全氟硅油、二甲基硅油、石蠟油中的一種。

其中，所述疏水潤滑液的沸點(diǎn)為150℃-300℃。

其中，每個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元的寬度為0.1-1m，多個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元間隔層狀排列的間距為5-50mm。

其中，所述加熱氣化元件在所述運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元的一端與所述低表面能的微/納米尺度多孔基底相接觸且螺旋排列或多層排列。

一種基于超潤滑氣體輸運(yùn)界面的可燃冰采運(yùn)方法，該方法按照以下步驟進(jìn)行：

(1)制備微/納米尺度多孔基底，并對所述微/納米尺度多孔基底進(jìn)行低表面能處理，得到低表面能的微/納米尺度多孔基底；

(2)將所述低表面能的微/納米尺度多孔基底在所述疏水潤滑液中浸泡0.5-2小時后取出，水洗去除表面多余的所述疏水潤滑液，所述低表面能的微/納米尺度多孔基底浸潤有所述疏水潤滑液形成超潤滑氣體輸運(yùn)界面；

(3)在浸潤有所述疏水潤滑液的所述低表面能的微/納米尺度多孔基底的一端固定加熱氣化元件，形成運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元；

(4)一個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元單獨(dú)設(shè)置或者多個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元間隔層狀排列，構(gòu)成能使氣泡在所述超潤滑氣體輸運(yùn)界面運(yùn)輸?shù)目扇急蛇\(yùn)裝置；

(5)將可燃冰采運(yùn)裝置的所述加熱氣化元件插入可燃冰層，并且使低表面能的微/納米尺度多孔基底以大于20°小于90°的傾斜角度設(shè)置；所述加熱氣化元件原位加熱氣化可燃冰層中的甲烷成分，溢出的甲烷氣泡在接觸到所述超潤滑氣體輸運(yùn)界面之時自發(fā)被捕獲，浮力作用下甲烷氣泡在所述超潤滑氣體輸運(yùn)界面上向上輸運(yùn)，同時泥沙、巖石等雜質(zhì)被留在低層，從而實(shí)現(xiàn)可燃冰的原位氣化采運(yùn)。

其中：

所述微/納米尺度多孔基底為纖維素板、混凝土板、氧化鋁板、銅板、abs板中的一種；

所述微/納米尺度多孔基底具有孔徑為10～5000nm的微/納米多孔結(jié)構(gòu)；

所述低表面能的微/納米尺度多孔基底浸潤有疏水潤滑液，是指所述疏水潤滑液吸附于所述低表面能的微/納米尺度多孔基底內(nèi)部的微-納米多孔結(jié)構(gòu)中并附著于所述低表面能的微/納米尺度多孔基底表面，其中附著于所述低表面能的微/納米尺度多孔基底表面的所述疏水潤滑液厚度為10～200微米；

所述疏水高沸點(diǎn)潤滑液為全氟硅油、二甲基硅油、石蠟油中的一種；

所述疏水潤滑液的沸點(diǎn)為150℃-300℃；

每個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元的寬度為0.1-1m，多個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元間隔層狀排列的間距為5-50mm；

所述加熱氣化元件在所述運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元的一端與所述低表面能的微/納米尺度多孔基底相接觸且螺旋排列或多層排列。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的基于超潤滑氣體輸運(yùn)界面的可燃冰采運(yùn)裝置和采運(yùn)方法，可原位氣化海底可燃冰等氣體源，并使氣化后的氣體在加熱溢出之后快速被氣體輸運(yùn)界面所捕獲，實(shí)現(xiàn)良好的甲烷氣泡快速定向運(yùn)輸功能，保證原位、連續(xù)、高效的收集海底可燃冰。本發(fā)明制備成本低廉，原料廣泛易得，材料可選性強(qiáng)，生產(chǎn)工藝簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，可以在高壓力及高溫下實(shí)現(xiàn)氣體輸運(yùn)，并且可以應(yīng)用深海等嚴(yán)酷環(huán)境；對于可燃冰氣化、收集及輸運(yùn)的作用明顯，可以實(shí)現(xiàn)在開放界面下的實(shí)現(xiàn)氣體定向傳輸，保證高效、快速、安全的氣體生產(chǎn)及傳輸過程，不僅為海底可燃冰開采提供了新思路，也適用于其他類型的水下原位氣泡的原位開采和收集運(yùn)輸。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的可燃冰采運(yùn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的可燃冰采運(yùn)裝置中超潤滑氣體輸運(yùn)界面的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的可燃冰采運(yùn)裝置的使用狀態(tài)示意圖；

圖4是本發(fā)明超潤滑氣體輸運(yùn)界面的水下氣泡輸運(yùn)的攝像機(jī)拍攝截圖。

上述圖1和圖中：1-低表面能的微/納米尺度多孔基底；2-疏水潤滑液；3-加熱氣化元件。

具體實(shí)施方式

下面通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

以下實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供了一種基于超潤滑氣體輸運(yùn)界面的可燃冰采運(yùn)裝置，該裝置首先包括一個低表面能的微/納米尺度多孔基底1，低表面能的微/納米尺度多孔基底1浸潤有疏水潤滑液2，形成超潤滑氣體輸運(yùn)界面。超潤滑氣體輸運(yùn)界面是指水下環(huán)境中表面吸附有疏水潤滑液層的界面。

低表面能的微/納米尺度多孔基底1由微/納米尺度多孔基底制備而成，微/納米尺度多孔基底具有孔徑為10～5000nm的微/納米多孔結(jié)構(gòu)，這些微/納米多孔結(jié)構(gòu)形成互通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。微/納米尺度多孔基底可選用纖維素板、混凝土板、氧化鋁板、銅板、abs板等能加工能改性的基地材料制成，其形狀通常為長條狀的平板結(jié)構(gòu)，也可以將其截面變形為弧形、折線形、波浪形等開放式結(jié)構(gòu)，以使氣泡可沿長條形開放式界面向上進(jìn)行輸運(yùn)而同時固體雜質(zhì)不向上運(yùn)輸；微/納米尺度多孔基底的長度根據(jù)工況任意設(shè)定，寬度一般在0.1-1m范圍內(nèi)，此寬度條件下能夠較好的保證氣泡可以被界面捕獲并且穩(wěn)定輸運(yùn)。

低表面能的微/納米尺度多孔基底1由微/納米尺度多孔基底經(jīng)過低表面能處理得到，微/納米尺度多孔基底在進(jìn)行低表面能處理后，與疏水性潤滑液2具有較強(qiáng)的相互作用，使其在水下環(huán)境可以穩(wěn)定于材料表面。低表面能處理是指利用化學(xué)或物理手段形成水滴接觸角大于120°的界面的方法，其具體實(shí)現(xiàn)手段有很多且均為成熟的現(xiàn)有技術(shù)，此處不再一一列舉。

如圖2所示，低表面能的微/納米尺度多孔基底1浸潤有疏水潤滑液2，經(jīng)過疏水潤滑液2浸潤的表面具有可滑動的接觸表面，可使氣泡在界面上更容易滑動。疏水潤滑液可選用全氟硅油、二甲基硅油、石蠟油等高沸點(diǎn)且具有疏水特性的潤滑液，其沸點(diǎn)一般在150℃-300℃范圍內(nèi)。疏水潤滑液2吸附于低表面能的微/納米尺度多孔基底1內(nèi)部的微-納米多孔結(jié)構(gòu)中，并附著于低表面能的微/納米尺度多孔基底表面1，其中附著于低表面能的微/納米尺度多孔基底1表面的疏水潤滑液厚度一般為10～200微米。

低表面能的微/納米尺度多孔基底1一端固定有加熱氣化元件3，加熱氣化元件3可以是電熱絲、電熱板、熱電偶等利用焦耳效應(yīng)加熱的電熱元件制成。加熱氣化元件3用于原位氣化可燃冰并幫助氣體在溢出后快速被超潤滑氣體輸運(yùn)界面捕獲，因此加熱氣化元件3應(yīng)與低表面能的微/納米尺度多孔基底1相接觸，如嵌裝或粘貼于低表面能的微/納米尺度多孔基底1，此時低表面能的微/納米尺度多孔基底1可通過數(shù)控加工、3d打印和激光雕刻等微加工工藝預(yù)設(shè)安裝槽。加熱氣化元件3以在低表面能的微/納米尺度多孔基底1的端部螺旋排列或多層排列為佳，這樣可以使加熱氣化的小氣泡更快速、穩(wěn)定的被超潤滑氣體輸運(yùn)界面所捕獲，從而實(shí)現(xiàn)可燃冰原位氣化-捕獲-輸運(yùn)的全過程。

如圖3和圖4所示，浸潤有疏水潤滑液2的低表面能的微/納米尺度多孔基底1安裝加熱氣化元件3后構(gòu)成運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元?？扇急蛇\(yùn)裝置可以由一個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元單獨(dú)設(shè)置構(gòu)成開放式結(jié)構(gòu)，也可以由多個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元以5-50mm的間隔層狀排列構(gòu)成通道式結(jié)構(gòu)，從而使氣體在可燃冰采運(yùn)裝置表面或?qū)娱g快速運(yùn)輸。使用時，可燃冰采運(yùn)裝置的加熱氣化元件3插入于可燃冰層，并且低表面能的微/納米尺度多孔基底1以大于20°小于90°的傾斜角度設(shè)置，該角度范圍能夠保證氣體在超潤滑氣體輸運(yùn)界面上以浮力為驅(qū)動進(jìn)行輸運(yùn)。加熱氣化元件3原位加熱氣化可燃冰層中的甲烷成分，溢出的甲烷氣泡在接觸到超潤滑氣體輸運(yùn)界面之時，會自發(fā)被超潤滑氣體輸運(yùn)界面所快速捕獲(甲烷氣泡與超潤滑氣體輸運(yùn)界面接觸后可在50毫秒之內(nèi)被穩(wěn)定吸附)，甲烷氣泡進(jìn)而富集并長大。在浮力的作用下，甲烷氣泡會在開放的或通道內(nèi)的超潤滑氣體輸運(yùn)界面上向上輸運(yùn)。輸運(yùn)速度在30°傾斜角時可以達(dá)到20mm/s，輸運(yùn)速度隨著傾斜角度的增大而增大，隨著氣泡大小的變化而發(fā)生一定變化，最大速率可以達(dá)到1m/s。最終，泥沙、巖石等雜質(zhì)會被留在低層，從而實(shí)現(xiàn)可燃冰的原位氣化和開采運(yùn)送。

本發(fā)明還提供了上述基于超潤滑氣體輸運(yùn)界面的可燃冰采運(yùn)裝置的采運(yùn)方法，具體按照如下步驟進(jìn)行：

(1)制備微/納米尺度多孔基底，并對微/納米尺度多孔基底進(jìn)行低表面能處理，得到低表面能的微/納米尺度多孔基底1；

(2)將低表面能的微/納米尺度多孔基底1在疏水潤滑液中浸泡0.5-2小時后取出，水洗5分鐘去除表面多余的疏水潤滑液，此時低表面能的微/納米尺度多孔基底1浸潤有疏水潤滑液2形成超潤滑氣體輸運(yùn)界面；

(3)在浸潤有疏水潤滑液2的低表面能的微/納米尺度多孔基底1的一端固定加熱氣化元件3，形成運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元；

(4)一個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元單獨(dú)設(shè)置或者多個運(yùn)輸結(jié)構(gòu)單元間隔層狀排列，構(gòu)成能使氣泡在超潤滑氣體輸運(yùn)界面運(yùn)輸?shù)目扇急蛇\(yùn)裝置；

(5)將可燃冰采運(yùn)裝置的加熱氣化元件3插入可燃冰層，并且使低表面能的微/納米尺度多孔基底1以大于20°小于90°的傾斜角度設(shè)置；加熱氣化元件3原位加熱氣化可燃冰層中的甲烷成分，溢出的甲烷氣泡在接觸到超潤滑氣體輸運(yùn)界面之時自發(fā)被捕獲，浮力作用下甲烷氣泡在超潤滑氣體輸運(yùn)界面上向上輸運(yùn)，同時泥沙、巖石等雜質(zhì)被留在低層，從而實(shí)現(xiàn)可燃冰的原位氣化采運(yùn)。

實(shí)施例1：

將疏水二氧化硅納米粒子(一次粒子直徑7～10nm，表面由疏水性基團(tuán)覆蓋)與聚二甲基硅氧烷預(yù)聚物(熱固型硅橡膠)分散于低級性有機(jī)溶劑之中(如正己烷、環(huán)己烷或石油醚)，二者質(zhì)量比1：2到2：1之間。將商品化濾紙、纖維素板或abs板浸泡于上述溶液之中10分鐘，后將處理后的板材在烘箱中80度加熱固化1小時，得到具有低表面能的微/納米尺度多孔基底1。利用全氟硅油浸潤所得低表面能的微/納米尺度多孔基底1，得到超潤滑氣體輸運(yùn)界面。利用激光刻蝕方法在商品化濾紙、纖維素板或abs板一端雕刻出通孔陣列，進(jìn)而將細(xì)電熱絲以編制方法穿過通孔陣列，固定于低表面能的微/納米尺度多孔基底1，電熱絲兩端利用焊錫與導(dǎo)線相連。將制備的裝置置于水下后通低壓直流電，在電熱作用下水下低沸點(diǎn)有機(jī)相被氣化，生成的小氣泡被氣體輸運(yùn)界面捕獲并沿著氣體輸運(yùn)界面快速傳遞，實(shí)現(xiàn)水下有機(jī)相的原位氣化+輸運(yùn)過程。

實(shí)施例2

將商品化混凝土板、氧化鋁板、玻璃纖維板等表面利用疏水硅烷偶聯(lián)劑(正十二烷基三甲氧基硅烷、正辛烷基三甲氧基硅烷、正十二烷基三氯硅烷等)進(jìn)行處理(所用醇溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1～10％之間)。后利用二甲基硅油(50cp)對改性的板材進(jìn)行浸潤。在混凝土板、氧化鋁板、玻璃纖維板等一端進(jìn)行微加工雕刻，按照電熱絲尺寸進(jìn)行開槽，將螺旋狀電熱絲置于一端的槽中。電熱絲兩段接電，用于電熱絲加熱。將兩片功能化的混凝土板疊層組裝，中間間隙小于50mm。所制備得到的可燃冰開采裝置可以簡單在開放水環(huán)境下進(jìn)行測試，將裝置通電，在電熱作用下，水下低沸點(diǎn)有機(jī)相氣化，生成的小氣泡在兩片混凝土氣體輸運(yùn)界面之間連續(xù)收集并滑動輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)水下有機(jī)相原位氣化+輸運(yùn)過程。

實(shí)施例3

將商品化的紫銅板浸泡于氫氧化鈉/過硫酸銨的混合溶液之中，反應(yīng)5～60分鐘，使其表面形成氧化銅-氫氧化銅的微納米復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)。將所得的紫銅板浸入疏水性硫醇溶液之中(全氟化硫醇、烷基硫醇、烷基酸等，醇溶液濃度在1～20毫摩爾每升)，處理3～24小時。反應(yīng)后的紫銅板利用組裝方法得到多層結(jié)構(gòu)，并將組合紫銅板浸入石蠟油之中浸潤10～30分鐘后取出。利用粘結(jié)方法將電熱絲及導(dǎo)線固定在組合紫銅板的一端，得到開采裝置。將制備的裝置置于水下后通電，在電熱作用下水下低沸點(diǎn)有機(jī)相被氣化，生成的小氣泡被氣體輸運(yùn)界面捕獲并沿著氣體輸運(yùn)界面快速傳遞，實(shí)現(xiàn)水下有機(jī)相的原位氣化+輸運(yùn)過程。

盡管上面對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。