一种适用于细微矿物颗粒的微流控分离方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202210872547.5 | 申请日 | 2022-07-21 | 公开(公告)号 | CN115301396A | 公开(公告)日 | 2022-11-08 |
| 申请人 | 中南大学; | 发明人 | 张文超; 颜旭; 黎佳未; 杨志辉; 史美清; 胡文吉豪; 王云燕; 朱德懿; 阳钰玮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种适用于细微矿物颗粒的微流控分离方法，包括以下步骤：S1、配置微细矿物颗粒悬浊的液体和鞘流液；S2、将配置的悬浊液和鞘流液通入 微 流体 系统 ；S3、对悬浊液中微细矿物颗粒进行微流控分选。确保微细矿物颗粒在微流控系统中稳定流通，并通过惯性微流控装置对微细颗粒进行高效高 精度 分离，能够对微米级不同粒径的矿物颗粒进行基于粒径的连续分选，克服了常规分离技术分离效率低、分离 分辨率 低的缺点。气压驱动组合流控分选系统，并实现微细矿物颗粒在系统中稳定流通，避免了常规流驱动装置导致的沉降及流量脉冲问题；通过惯性微流控装置对微细矿物颗粒进行基于粒径的连续分离，补充常规分离技术无法分选微米级粒径微细矿物颗粒的技术空白。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种适用于细微矿物颗粒的微流控分离方法，其特征在于：包括以下步骤： |
||||||
| 说明书全文 | 一种适用于细微矿物颗粒的微流控分离方法技术领域[0001] 本发明涉及微流控技术领域，具体为一种适用于细微矿物颗粒的微流控分离方法。 背景技术[0002] 微细矿物颗粒存在于冶炼化工行业的危险废物中，如冶炼废渣、废水处理污泥和烟尘等。危险废物中有价金属以微细矿物颗粒形式混杂在一起，由于粒径仅有1.5‑20μm，不同矿物颗粒间粒度极为相近，差距甚至小于几个微米。此外，固废中微细矿物颗粒是影响其毒性、迁移性以及污染处理有效性的重要影响因素。鉴于此，微细矿物的有效分选可以提取有价资源并减少有毒物质流入环境，对于固废的资源化和无害化处理有重要意义。 [0003] 目前，传统的分选技术难以应用于分选微细矿物颗粒的精细分选，包括离心、过滤、筛分等，操作复杂、处理能力小、设备昂贵、分选回收率低。除常规技术外，一些选矿技术主要集中在水力旋流器和浮选等。其中，水力旋流器毫米级的分选能力(5‑200mm)难以适用于微米级的微细矿物颗粒。尽管，浮选技术对10‑70μm的矿物颗粒分选效果较好，但需要考虑矿物的浮选特性，并且不可避免的消耗高成本化学品，还会产生废水二次污染。总体上，微细矿物颗粒总体粒度较小，不同矿物之间的粒度差异较小，现有技术难以进行有效分选。 [0004] 弯曲管道惯性微流控技术是无外场微流控颗粒分选技术，在微米级颗粒分选上展现应用潜力，并具有高通量、高分离精度和高分离效率的优势。弯曲管道惯性微流控技术通过微尺度下特有的水动力协同作用基于粒度实现颗粒分选功能，并且该技术不需要添置外场避免了大面积占地和高额设备投入。该技术的分离机制为，较大颗粒受到惯性升力作用在管道内侧壁聚焦从内壁出口流出，较小颗粒受到迪恩涡旋的作用迁移到管道外侧壁从外出口流出。目前，该技术已广泛应用于分选0.5‑30μm的生物颗粒，例如癌细胞、外泌体等。因此，惯性微流控技术有望应用于微细矿物颗粒(1.5‑20μm)的有效分选。此前，针对矿物颗粒易于在微流控体系中沉积堵塞的问题，我们已经公开一个能够使微细矿物颗粒在微流控系统稳定流通的专利(申请号202210266418.1)。然而，目前还未有真正实现微流体中矿物颗粒分离的报道和应用，亟需发明相关微流控装置及成套系统，并根据微细矿物颗粒特征对微流控装置的水力参数和操作条件进行设计与优化，以实现对微细矿物颗粒的分离有效性。 [0005] 综上所述，对于废渣中粒度差异小(微米级差异)的微细矿物颗粒，常规颗粒分离方法难以实现高效分离，导致废渣中有价资源流失和环境风险。鉴于此，本发明创新将惯性微流控技术作为分离微细矿物颗粒的新方法，提供了一种惯性微流控装置用于微细矿物颗粒分选，对于优化微细矿物分选的技术路线具有推动意义。 发明内容[0006] 本发明的目的在于提供一种适用于细微矿物颗粒的微流控分离方法，提供一种适用于微细矿物颗粒的微流控分离方法。本方法主要利用惯性微流控技术中惯性迁移原理和迪恩涡旋原理分离不同粒径的微细矿物颗粒以实现物相分离，以解决上述背景技术中提出的问题。 [0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于细微矿物颗粒的微流控分离方法，包括以下步骤： [0008] S1、配置微细矿物颗粒悬浊的液体和鞘流液：所述配置微细矿物颗粒悬浊的液体3 和鞘流液均为水，密度为1.01g/cm ,粘度1.0087Pa·s，所述微细矿物颗粒悬浊液总浓度为 0.5～1g每100mL,小粒径和大粒径矿物颗粒的质量比为0.8‑1.1； [0009] S2、将配置的悬浊液和鞘流液通入微流体系统：微流体系统包括流驱动及控制组件、微流控分选装置和收集装置，以及一些连接导管，所述流驱动及控制组件通过气压驱动注液，使微细矿物颗粒悬浊液和鞘流液通入微流控装置，所述气压驱动注液通过调控恒定输出气压控制注液流量，注液流量通过流量传感器实时反馈，并将流体通入微流控分选装置； [0010] S3、对悬浊液中微细矿物颗粒进行微流控分选：所述微流控分选装置为弯曲管道惯性微流控分选装置，无需添置外场，微流控装置设计两个入口，用于微细矿物颗粒悬浊液和鞘流液的通入，入口管道宽度分别为100μm和200μm。 [0011] 优选的，所述S1中微细矿物颗粒的粒径为1‑15μm，分选矿物间粒径差异为2‑10μm，3 矿物密度为2‑7g/cm。 [0012] 优选的，所述S2中通过流驱动装置将微细颗粒悬浊液以恒定流量通入定制微流控装置并稳定流通以实现微细矿物颗粒分选；定制微流控装置设计为带有鞘流的弯曲管道惯性微流控装置，以颗粒粒度作为分选根据，所述恒定流量大小为1000μL/min‑2000μL/min，鞘流液和微细矿物颗粒悬浊液的流量比值为1:1。 [0013] 优选的，所述S3所述微流控装置设计两个出口，用于分别收集不同粒径微细矿物颗粒，出口管道宽度均为150μm，所述微流控装置功能管道为矩形截面管道，宽300μm，高60μm，几何形状为180°半圆，弯曲半径为1.25cm，所述管道颗粒临界分选粒度为6‑7μm。 [0014] 优选的，所述S3所述微流控装置通过刻有管路结构的主体和基板粘合组成，主体和基板均采用PDMS材质，尺寸均为5cm×3cm，厚度为3‑5mm。 [0015] 优选的，所述微流体系统包括储样瓶和储水瓶，所述储样瓶和储水瓶一侧设置有控制箱,所述控制箱上部对应储样瓶和储水瓶设置有两组恒压气泵，所述恒压气泵输出端与储样瓶和储水瓶连通安装，所述储样瓶储水瓶底部均设置有第一输送导管，所述第一输送导管输出端设置有流量传感器，所述流量传感器输出端安装有第二输送导管，所述第二输送导管输出端连通安装在微流控分选板上部，所述微流控分选板下部设置有两组收集箱。 [0018] 优选的，所述微流控分选板活动卡接安装在微流控制装置内部，所述微流控制装置顶端密封卡接安装有盖板，所述微流控制装置内部四拐点均安装有放置板，所述微流控分选板下表面贴合放置板上表面。 [0019] 优选的，所述微流控分选板上表面一侧开设有外侧入口和内侧入口，所述微流控分选板上表面另一侧开设有外侧出口和内侧出口，所述储样瓶和储水瓶输出端插入外侧入口和内侧入口内部，所述外侧出口和内侧出口底端设置有导管，且导管末端与收集箱连通安装，所述收集箱活动安装在微流控制装置内部。 [0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0021] 本发明提出的一种适用于微细矿物颗粒的微流体分选方法，确保微细矿物颗粒在微流控系统中稳定流通，并通过惯性微流控装置对微细颗粒进行高效高精度分离，能够对微米级不同粒径的矿物颗粒进行基于粒径的连续分选，克服了常规分离技术分离效率低、分离分辨率低的缺点。 [0022] 本发明通过气压驱动组合流控分选系统，并实现微细矿物颗粒在系统中稳定流通，避免了常规流驱动装置导致的沉降及流量脉冲问题；通过惯性微流控装置对微细矿物颗粒进行基于粒径的连续分离，补充常规分离技术无法分选微米级粒径微细矿物颗粒的技术空白；通过设置恒定输出气压大小以控制微流控系统流量，保证微细矿物颗粒的分离效果。附图说明 [0023] 图1为本发明工艺流程图； [0024] 图2为本发明微流控系统的模块示意图； [0025] 图3为本发明弯曲管道惯性微流控装置的结构示意图； [0026] 图4为本发明数据对比图； [0027] 图5为本发明装置整体结构视图； [0028] 图6为本发明储样瓶结构拆分图； [0029] 图7为本发明微流控分选板安装结构拆分图。 [0030] 图中：1、控制箱；2、储样瓶；3、储水瓶；4、卡口；5、驱动箱；6、伸缩杆；7、连接板；8、弧形定位板；9、密封盖板；10、第一输送导管；11、支撑腿；12、流量传感器；13、恒压气泵；14、第二输送导管；15、微流控制装置；16、盖板；17、放置板；18、微流控分选板；19、外侧入口；20、内侧入口；21、外侧出口；22、内侧出口；23、导管；24、收集箱。 具体实施方式[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0032] 实施例1 [0033] 本发明提供一种适用于细微矿物颗粒的微流控分离方法，如图1‑4所示，包括以下步骤： [0034] S1、配置微细矿物颗粒悬浊的液体和鞘流液：配置微细矿物颗粒悬浊的液体和鞘3 流液均为水，密度为1.01g/cm ,粘度1.0087Pa·s，微细矿物颗粒悬浊液总浓度为0.5～1g每100mL,小粒径和大粒径矿物颗粒的质量比为0.8‑1.1； [0035] S2、将配置的悬浊液和鞘流液通入微流体系统：微流体系统包括流驱动及控制组件、微流控分选装置和收集装置，以及一些连接导管，流驱动及控制组件通过气压驱动注液，使微细矿物颗粒悬浊液和鞘流液通入微流控装置，气压驱动注液通过调控恒定输出气压控制注液流量，注液流量通过流量传感器实时反馈，并将流体通入微流控分选装置； [0036] S3、对悬浊液中微细矿物颗粒进行微流控分选：微流控分选装置为弯曲管道惯性微流控分选装置，无需添置外场，微流控装置设计两个入口，用于微细矿物颗粒悬浊液和鞘流液的通入，入口管道宽度分别为100μm和200μm。 [0037] 作为优选的，S1中微细矿物颗粒的粒径为1‑15μm，分选矿物间粒径差异为2‑10μm，3 矿物密度为2‑7g/cm。 [0038] 进一步的，S2中通过流驱动装置将微细颗粒悬浊液以恒定流量通入定制微流控装置并稳定流通以实现微细矿物颗粒分选；定制微流控装置设计为带有鞘流的弯曲管道惯性微流控装置，以颗粒粒度作为分选根据，恒定流量大小为1000μL/min‑2000μL/min，鞘流液和微细矿物颗粒悬浊液的流量比值为1:1。 [0039] 更进一步的，S3微流控装置设计两个出口，用于分别收集不同粒径微细矿物颗粒，出口管道宽度均为150μm，微流控装置功能管道为矩形截面管道，宽300μm，高60μm，几何形状为180°半圆，弯曲半径为1.25cm，管道颗粒临界分选粒度为6‑7μm。 [0040] 值得说明的，S3微流控装置通过刻有管路结构的主体和基板粘合组成，主体和基板钧采用PDMS材质，尺寸均为5cm×3cm，厚度为3‑5mm。 [0041] 采用该方法和装置分选5.5μm的黄钠铁矾颗粒和6.85μm的硫酸铅。首先，将0.25g黄钠铁矾和0.25g硫酸铅加入50mL水中形成混合微细矿物颗粒悬浊液，并装入储液瓶中。其次，高纯水作为鞘流液装入另一储液瓶中。进一步，将装有微细矿物颗粒悬浊液和鞘流液的储液瓶装入微流控装置中，此处储液瓶形成密闭条件以方便气压驱动注液。进一步，通过气压驱动微细矿物颗粒悬浊液和鞘流液注入微流控装置以进行分离。进一步，设置恒定输出气压以控制注入微细矿物颗粒和鞘流液的流量稳定于700μL/min和700μL/min，此时微流控装置中总流量为1400μL/min。进一步，在出口处收集分离后颗粒悬浊液。 [0042] 通过该方法和装置分选5.5μm的黄钠铁矾和6.85μm的硫酸铅，在外出口颗粒悬浊液中能收集66.58％的铁矾颗粒，在内出口能收集63.18％的硫酸铅颗粒。该方法能够有效的分离粒径差异仅有1.35μm，粒径仅为5.5μm和6.85μm的黄钠铁矾和硫酸铅颗粒。 [0043] 实施例2 [0044] 采用该方法和装置分选2.21μm的黄钾铁矾颗粒和6.85μm的硫酸铅。首先，将0.25g黄钠铁矾和0.25g硫酸铅加入50mL水中形成混合微细矿物颗粒悬浊液，并装入储液瓶中。其次，高纯水作为鞘流液装入另一储液瓶中。进一步，将装有微细矿物颗粒悬浊液和鞘流液的储液瓶装入微流控装置中，此处储液瓶形成密闭条件以方便气压驱动注液。进一步，通过气压驱动微细矿物颗粒悬浊液和鞘流液注入微流控装置以进行分离。进一步，设置恒定输出气压以控制注入微细矿物颗粒和鞘流液的流量稳定于600μL/min和600μL/min，此时微流控装置中总流量为1200μL/min。进一步，在出口处收集分离后颗粒悬浊液。 [0045] 通过该方法和装置分选分选2.21μm的黄钠铁矾和6.85μm的硫酸铅，在外出口颗粒悬浊液中能收集67.58％的铁矾颗粒，在内出口能收集70.59％的硫酸铅颗粒。该方法能够有效的分离粒径差异仅有4.64μm，粒径仅为2.21μm和6.85μm的黄钠铁矾和硫酸铅颗粒。 [0046] 对比例1 [0047] 采用离心法分选5.5μm的黄钠铁矾颗粒和6.85μm的硫酸铅。首先，将0.25g黄钠铁矾和0.25g硫酸铅加入50mL水中形成混合微细矿物颗粒悬浊液并装入50mL离心管中。进一步，将离心管放入离心机，设置离心机转速参数为8000rpm，离心时间为5min。进一步，取出离心管观察分离效果，分离后硫酸铅和铁矾颗粒全部沉积于离心管底部，无法进行微细矿物颗粒之间的分选。 [0048] 结果表明，离心会导致悬浊液内所有微细矿物颗粒沉底，无法分选微米级微细矿物颗粒，并且批次操作复杂。 [0049] 实施例3 [0050] 如图5‑7所示，微流体系统包括储样瓶2和储水瓶3，储样瓶2和储水瓶3一侧设置有控制箱1,控制箱1上部对应储样瓶2和储水瓶3设置有两组恒压气泵13，恒压气泵13输出端与储样瓶2和储水瓶3连通安装，储样瓶2储水瓶3底部均设置有第一输送导管10，第一输送导管10输出端设置有流量传感器12，流量传感器12输出端安装有第二输送导管14，第二输送导管14输出端连通安装在微流控分选板18上部，微流控分选板18下部设置有两组收集箱24。 [0051] 作为优选的，储样瓶2和储水瓶3顶端开设有卡口4，储样瓶2和储水瓶3外侧均贴合安装有驱动箱5，驱动箱5内部设置有气缸，且气缸输出端设置有伸缩杆6，伸缩杆6顶端固定安装有连接板7。 [0052] 更进一步的，储样瓶2顶端卡接安装有密封盖板9，密封盖板9后侧贴合安装栓接安装有弧形定位板8，弧形定位板8贴合安装在连接板7前侧，储样瓶2底部设置有支撑腿11。 [0053] 具体的，微流控分选板18活动卡接安装在微流控制装置15内部，微流控制装置15顶端密封卡接安装有盖板16，微流控制装置15内部四拐点均安装有放置板17，微流控分选板18下表面贴合放置板17上表面。 [0054] 另外，微流控分选板18上表面一侧开设有外侧入口19和内侧入口20，微流控分选板18上表面另一侧开设有外侧出口21和内侧出口22，储样瓶2和储水瓶3输出端插入外侧入口19和内侧入口20内部，外侧出口21和内侧出口22底端设置有导管23，且导管23末端与收集箱24连通安装，收集箱24活动安装在微流控制装置15内部。 |
||||||
