Page 63 - 应用声学2019年第2期
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第 38 卷 第 2 期 关昭等： 基于兰姆波在倾斜镜子基板上的油水微分离实验 209
微型分离器 [23] 、微型泵 [24] 等。然而，这些技术通
0 引言
常被应用于微流体系统的分离 [25] 和图案化 [26] ，而
随着现代工业技术的迅速发展和经济水平的 对于乳液分离则关注较少。Schmitt 等 [19] 和 Liang
不断提高，工业含油污水肆意排放、化学污染严重、 等 [20] 学者，利用表面声波技术在非压电基板上实
石油大量泄漏、资源短缺等诸多问题的产生，使得 现对液滴运动机理的研究。如果应用表面声波技术
油水分离方法得到了相应的重视和研究 [1−3] 。根据 去驱动两种不相溶的混合液滴，显而易见该混合液
油水两种液体本身固有的物理、化学性质，相关学 滴可被推进，但可否实现混合物分离呢？
者已经顺利开展了探究油水分离方法的相关研究， 基于一些研究学者利用超声波技术实现对液
成功地发现了一些油水分离方法，并得到了具体的 滴的推进和乳液分离探究的基础上，应用兰姆波装
发展和应用。例如：物理法、物理化学法、化学破乳 置有望将油滴从油水混合液滴中分离出来。本实验
法、生物化学法和电化学法等 [4−6] 。而传统、应用领 中，利用压电陶瓷的逆压电效应，在倾斜的镜子基板
域较为广泛的油水分离方法则是物理方法。其中较 上激发兰姆波以产生声流力，驱动并推进油水混合
为简单的油水分离方法，则是将油水混合物加热至 液滴，最终将油滴从混合液滴中分离出来。实验中，
合适的温度，由于油的沸点相对较高，水在该温度下 使用橄榄油和水作为两种不相溶的代表性液体，进
形成水蒸气，这样就容易地实现了油水分离。根据 行实验现象、效果的探究和说明。通过相关实验，分
油水这两种液体的密度不同，当混合物被放置在容 析得出了影响油水分离位移 (油水混合液滴由起始
器中时，产生重力差异，使密度较大的水在重力的作 位置到达临界分离位置所走过的位移) 相关因素之
用下发生沉降，从而将水从油中分离出来。此外，依 间的关系。
靠油水这两种不相溶混合液体的疏液性，各种各样
1 理论分析
的网状结构得到广泛的推广和应用，如碳纳米管网
络 [7] 、纳米复合材料 [8] 以及Cu(OH) 2 纳米线 [9] 等。
基于动量守恒原理，油水混合液滴在分离过程
然而，传统的油水分离方法通常被应用于分离
中的流动通常是不可压缩的定常流动，满足二维时
大量的油水混合物。此外，这些油水分离方法对于
间依赖的Navier-Stokes方程 [27−29] ：
油水混合物的微分离而言，则表现为分离效率低、 ∂u
仪器设备庞大复杂、运行成本相对较高等问题。因 ρ ∂t + ρ (u · ∇) u
[ ( )]
此，一些研究人员试图寻找一种廉价、高效、易于应 = F S + F G + ∇ · −pI + µ ∇u + (∇u) T ,
用到常规设备的油水分离方法。其中，Luo等 [10] 利
(1)
用两个非平行的基板，通过挤压油水混合液滴实现
∇ · u = 0, (2)
有效的分离。但是，实验所需要的基板涂层必须要
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满足关键的技术要求。Zhang 等 [11] 应用双功能膜 其中：ρ 为液滴的密度，kg/m ；u 为声流的速度，
结构，有效地实现油水分离，但制备模的过程则需要 m/s；p为压力，Pa；I 为单位对角矩阵；µ为液滴的黏
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复杂的化学反应。近几十年来，随着复合材料表面 度，Pa·s；F S 为声流力，N/m ；F G 液滴重力，N/m ；
改性技术的快速发展，各种纳米材料和纳米技术被 ∇为梯度。
广泛应用到超润湿表面领域，实现对油水混合物的 在此项研究中，油水混合液滴在倾斜的镜子基
分离，如超疏水、超亲油以及水下超疏油材料 [12−15] 板上实现油水微分离的过程中，油水分离位移长短
等。然而，这些超润湿过滤膜的大网孔由于其尺寸 主要受到三个力的控制，即液滴所受的声流力 F S ，
的限制，则不能被应用于各种乳液的分离。 混合液滴的自身的重力 mg，以及阻碍油水混合液
近 年 来， 表 面 声 波 (Surface acoustic wave, 滴沿基板表面下滑的阻力 F r 。在倾斜的镜子基板
SAW) 技术，已被成功地应用于驱动和操纵微流 上，兰姆波驱动油水混合液滴运动模型如图1所示。
体流动，如瑞利波 [16−18] 和兰姆波 [19−21] 。同时，表 为了进一步分析油水混合液滴在分离过程中，
面声波凭借本身固有的技术特性，在微流体领域 水滴和油滴所受到声流力的大小，基于 Nyborg 的
中得到了广泛的关注和推广，如声学微反应器 [22] 、 声流理论 [30] 以及 Shiokawa 等 [31] 的推导，声流力
