本發(fā)明屬于流體操控技術領域，具體地說，是涉及一種具有氣泡誘導生成和輸運功能的可燃冰采運裝置和采運方法。

背景技術：

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、合并及分離行為，是當今科學技術研究的關鍵生長點。具有特殊表面浸潤性的材料，因其與流體具有較強的相互作用力，被大量的應用于流體輸運界面的構建之中。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-液作用的重要應用領域。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，這為進一步構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、可整合的氣體輸運界面以及對應的海底可燃冰開采系統(tǒng)就顯得尤為重要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的是海底可燃冰開采技術中管式封閉氣路存在的各種技術問題，提供了一種基于超潤滑氣體輸運界面的可燃冰采運裝置和采運方法，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成運輸結構單元；單個或多個運輸結構單元構成開放式或通道式的可燃冰采運裝置；采運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置，即可用于海底可燃冰的原位氣化與甲烷氣泡定向運輸，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。

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

一種基于超潤滑氣體輸運界面的可燃冰采運裝置，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成運輸結構單元；

一個運輸結構單元單獨設置或者多個運輸結構單元間隔層狀排列，構成能使氣泡在所述超潤滑氣體輸運界面運輸?shù)目扇急蛇\裝置；

可燃冰采運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/納米多孔結構。

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-納米多孔結構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為150℃-300℃。

其中，每個運輸結構單元的寬度為0.1-1m，多個運輸結構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輸結構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界面的可燃冰采運方法，該方法按照以下步驟進行：

(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，形成運輸結構單元；

(4)一個運輸結構單元單獨設置或者多個運輸結構單元間隔層狀排列，構成能使氣泡在所述超潤滑氣體輸運界面運輸?shù)目扇急蛇\裝置；

(5)將可燃冰采運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界面上向上輸運，同時泥沙、巖石等雜質(zhì)被留在低層，從而實現(xiàn)可燃冰的原位氣化采運。

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/納米多孔結構；

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-納米多孔結構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為150℃-300℃；

每個運輸結構單元的寬度為0.1-1m，多個運輸結構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輸結構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界面的可燃冰采運裝置和采運方法，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界面所捕獲，實現(xiàn)良好的甲烷氣泡快速定向運輸功能，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，生產(chǎn)工藝簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)和推廣應用，可以在高壓力及高溫下實現(xiàn)氣體輸運，并且可以應用深海等嚴酷環(huán)境；對于可燃冰氣化、收集及輸運的作用明顯，可以實現(xiàn)在開放界面下的實現(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輸。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的可燃冰采運裝置的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的可燃冰采運裝置中超潤滑氣體輸運界面的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的可燃冰采運裝置的使用狀態(tài)示意圖；

圖4是本發(fā)明超潤滑氣體輸運界面的水下氣泡輸運的攝像機拍攝截圖。

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。

具體實施方式

下面通過具體的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述：

以下實施例可以使本專業(yè)技術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界面的可燃冰采運裝置，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界面。超潤滑氣體輸運界面是指水下環(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/納米多孔結構，這些微/納米多孔結構形成互通的網(wǎng)絡結構。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構，也可以將其截面變形為弧形、折線形、波浪形等開放式結構，以使氣泡可沿長條形開放式界面向上進行輸運而同時固體雜質(zhì)不向上運輸；微/納米尺度多孔基底的長度根據(jù)工況任意設定，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。

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行低表面能處理后，與疏水性潤滑液2具有較強的相互作用，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，其具體實現(xiàn)手段有很多且均為成熟的現(xiàn)有技術，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、石蠟油等高沸點且具有疏水特性的潤滑液，其沸點一般在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-納米多孔結構中，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界面捕獲，因此加熱氣化元件3應與低表面能的微/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設安裝槽。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界面所捕獲，從而實現(xiàn)可燃冰原位氣化-捕獲-輸運的全過程。

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后構成運輸結構單元?？扇急蛇\裝置可以由一個運輸結構單元單獨設置構成開放式結構，也可以由多個運輸結構單元以5-50mm的間隔層狀排列構成通道式結構，從而使氣體在可燃冰采運裝置表面或層間快速運輸。使用時，可燃冰采運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°的傾斜角度設置，該角度范圍能夠保證氣體在超潤滑氣體輸運界面上以浮力為驅動進行輸運。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界面之時，會自發(fā)被超潤滑氣體輸運界面所快速捕獲(甲烷氣泡與超潤滑氣體輸運界面接觸后可在50毫秒之內(nèi)被穩(wěn)定吸附)，甲烷氣泡進而富集并長大。在浮力的作用下，甲烷氣泡會在開放的或通道內(nèi)的超潤滑氣體輸運界面上向上輸運。輸運速度在30°傾斜角時可以達到20mm/s，輸運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，最大速率可以達到1m/s。最終，泥沙、巖石等雜質(zhì)會被留在低層，從而實現(xiàn)可燃冰的原位氣化和開采運送。

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

(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，形成運輸結構單元；

(4)一個運輸結構單元單獨設置或者多個運輸結構單元間隔層狀排列，構成能使氣泡在超潤滑氣體輸運界面運輸?shù)目扇急蛇\裝置；

(5)將可燃冰采運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界面上向上輸運，同時泥沙、巖石等雜質(zhì)被留在低層，從而實現(xiàn)可燃冰的原位氣化采運。

實施例1：

將疏水二氧化硅納米粒子(一次粒子直徑7～10nm，表面由疏水性基團覆蓋)與聚二甲基硅氧烷預聚物(熱固型硅橡膠)分散于低級性有機溶劑之中(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，進而將細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有機相被氣化，生成的小氣泡被氣體輸運界面捕獲并沿著氣體輸運界面快速傳遞，實現(xiàn)水下有機相的原位氣化+輸運過程。

實施例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)進行處理(所用醇溶液的質(zhì)量分數(shù)在1～10％之間)。后利用二甲基硅油(50cp)對改性的板材進行浸潤。在混凝土板、氧化鋁板、玻璃纖維板等一端進行微加工雕刻，按照電熱絲尺寸進行開槽，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)境下進行測試，將裝置通電，在電熱作用下，水下低沸點有機相氣化，生成的小氣泡在兩片混凝土氣體輸運界面之間連續(xù)收集并滑動輸運，實現(xiàn)水下有機相原位氣化+輸運過程。

實施例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5～60分鐘，使其表面形成氧化銅-氫氧化銅的微納米復合多孔結構。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。反應后的紫銅板利用組裝方法得到多層結構，并將組合紫銅板浸入石蠟油之中浸潤10～30分鐘后取出。利用粘結方法將電熱絲及導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有機相被氣化，生成的小氣泡被氣體輸運界面捕獲并沿著氣體輸運界面快速傳遞，實現(xiàn)水下有機相的原位氣化+輸運過程。

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