一种仿生高效率连续化雾水收集器的制作方法

1.本发明属于水收集仿生技术领域，特别涉及一种仿生高效率连续化雾水收集器。


背景技术：

2.世界上所有生物的生存都需要水。因此，水资源在我们的日常生活中扮演着重要的角色。随着人类社会的发展和生活水平的提高，世界用水量正以每年5％的速度递增，若不采取有力措施，在2025年前，地球上将有1/2以上的人口面临淡水资源危机，1/3以上的人口得不到清洁的饮用水。
3.淡水资源的短缺已成为当今全球性的社会和经济发展的主要制约因素。水是自然环境中储量最丰富的资源，但其中海水资源占到了地球上所有水资源的96.54％，淡水资源仅占了2.53％，而且只有0.36％的淡水资源能够被人类直接利用。超过2/3的淡水被冻结在冰川和极地冰帽里，未被冻结的则成为地下水，只有很小一部分淡水资源存在于地表或者空气里[alireza gohari et al,water transfer as a solution to water shortage:a fix that can backfire,journal of hydrology,volume 491,29 may 2013,pages 23-39]。
[0004]
水对于包括人类在内的所有地球上的生物来说都至关重要，因此，如何获取更多的可利用淡水资源是一个亟待解决的问题。淡水是人类生存和发展不可或缺的自然资源，在各国国计民生之中占有极为重要的地位。目前，海水淡化是解决淡水短缺问题的常用方法。但是，这种方法对能源的依赖显著提高了其成本，限制了它的应用。自然界中，几乎所有生物都拥有应对恶劣环境的独特特性，展现出功能与结构的协调统一[marc andr
é
meyers,po-yu chen,albert yu-minlin,yasuakiseki,biological materials:structure and mechanical properties,progress in materials science volume 53,issue 1,january 2008,pages 1-206]。从自然界获得的理论依据对新型材料的研发具有很好的启发作用[江雷,从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[j].化工进展，2003，22(12)：1258-1264]。
[0005]
经过长期的自然选择，一些生物已经进化出了智能优化结构[andrew r.parker&chris r.lawrence,water capture by a desert beetle,nature,volume 414,pages 33
–
34(2001)]，能够从雾气中获得水分供自身生存，这为淡水收集系统中功能仿生材料的设计和制造提供了灵感[lous,guo x,fant,etal butterflies：inspiration for solar cells and sunlight water splitting catalysts[j].energy&environmental science,2012,5(11):9195-9216]迄今为止，已经开发出了大量的仿生集水材料。
[0006]
从大自然中获得创造灵感，我们生产制造了许多具有集水能力的功能材料。目前众多具有优异雾水收集能力的材料仅适用于实验室，要实现其大规模制造还需要更多的努力。但需要指出的是，这些材料的制备和实验过程还都处于初级阶段，大部分材料的集水能力测试实验是在湿度大于60％的条件下进行的，而实际的干旱地区的湿度都在20％以下。所以，如何使材料能够在低湿度环境中实现集水应该被重点考虑且挑战很大。另外，除了解决低湿度问题，外部条件如风速、风向、温度以及磁场与集水效率之间的关系也需要进行理
论论证。同时，仿生材料还存在表面结构的易损坏失效、不稳固长久以及高成本问题。最后，现有的集水材料主要集中在一维和二维表面，很少有三维材料或三维结构。
[0007]
总的来说，仿生集水材料在解决干旱和偏远地区的缺水问题上，开辟了新的有效途径，但实际进展不大。另外，雾水收集过程中的液滴移除十分关键，对于水滴的移除过程来说，选用合适的基底至关重要。现研究中大多数实验选择的基底包括亲水性海绵、双面膜或其它材料，这些材料通常有一些共同的缺点，比如，从基底中移除水分的过程不仅耗时，而且需要消耗能量。因此，如何设计一种雾水收集器，最大限度地提高集水效率(同时实现雾水的捕捉、凝结和移除)，仍然是一个巨大的挑战和需要继续努力的方向。因此，继续优化雾滴捕获、运输和聚合(供应)协同机制，设计更高效率集水的雾水收集装置实现大规模应用是接下来仍要不断努力的方向。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的是针对干旱地区或者缺乏淡水的地区，克服现有技术中集水效率不高，无法满足广大缺水地区对水的需求，且成本高，不环保的缺陷，提供一种仿生的高效率的圆柱体状雾水收集器。
[0009]
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种仿生高效率连续化雾水收集器，包括：壳体、复合式仿生雾滴捕获结构件、集水装置、冷凝器和压缩机；
[0010]
所述复合式仿生雾滴捕获结构件、集水装置、冷凝器和压缩机分别由上至下设置在壳体内；所述复合式仿生雾滴捕获结构件为拱形三层结构，外部为超疏水/超亲水相间复合层，中间为蒸发器，底部为铜基超疏水层；
[0011]
所述超疏水/超亲水相间复合层用于对空气中的水蒸汽进行快速冷凝与收集；所述蒸发器和压缩机、冷凝器组成微型制冷系统，为外部的超疏水/超亲水相间复合层和底部的铜基超疏水层提供制冷；冷凝水从外部的超疏水/超亲水相间复合层和底部的铜基超疏水层排出，收集在集水装置内。
[0012]
进一步的，超疏水/超亲水相间复合层包括铜基超疏水基底以及基底上紧密排列的集水单元阵列；所述集水单元包括数根松针状微结构并簇生成团，所有微结构尾部合拢固定在铜基超疏水基底，顶部呈发散状，每根微结构按照一定的角度进行折弯。
[0013]
进一步的，铜基超疏水基底和铜基超疏水层为相同结构，表面具有网状层叠结构，水的接触角为163～165.50
°
，都采用以下步骤制备而成：
[0014]
(1)将cu片分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10～15分钟后氮气吹干，去除表面的污渍；
[0015]
(2)清洗完成的cu片置于2.5～2.6mol/l氢氧化钠和0.13～0.14mol/l过硫酸铵混合溶液水浴加热，35～37℃下刻蚀8～10min，刻蚀后使用大量去离子水冲洗掉试样表面残余的刻蚀液；
[0016]
(3)将刻蚀后的样品置于鼓风干燥箱中，160～170下氧化6～7h；
[0017]
(4)将氧化后样品置于体积分数为1％～1.5％十二硫醇乙醇溶液中修饰15～20min，取出后置于真空干燥箱中60～80℃下干燥40～60min后获得。
[0018]
进一步的，微结构长度为20～30mm，直径为80～120μm，集水单元之间的间距为5mm～6mm；微结构可采用微细铜丝、高柔韧性聚甲基丙烯酸甲酯纤维或聚氨基甲酸乙酯纤维，
其表面覆盖或电镀一层超亲水的cu(oh)2铜膜。
[0019]
进一步的，蒸发器为数个铜制平直型翅片将超疏水/超亲水相间复合层和铜基超疏水层之间的夹层空间均匀地分割成大小相近的单元空间结构，每个分割单元内设置有穿过单元空间结构的软态毛细铜管，所述软态毛细铜管通过循环管道连接压缩机和冷凝器，并且循环管道内流动着环保制冷剂。
[0020]
进一步的，集水装置包括由上而下设置的双层水箱和过滤水水箱；
[0021]
所述双层水箱包括垂直的外侧壁和内侧壁，以及底部的水质过滤层；外侧壁和内侧壁之间形成夹层；
[0022]
拱形复合式仿生雾滴捕获结构件的外部和底部形成的水滴直接落入水箱内，或从两端流入夹层内；内侧壁的底部设置有进/出水缝隙，可动态调节夹层水位；
[0023]
双层水箱内的水由水质过滤层过滤后进入过滤水水箱。
[0024]
进一步的，水质过滤层包括一层以上的滤芯，所述滤芯为树脂过滤层构成，或者为活性炭和pp棉组成的复合滤芯。
[0025]
进一步的，壳体包括内外设置的内壳和外壳，所述复合式仿生雾滴捕获结构件和集水装置设置在内壳内，冷凝器和压缩机设置在外壳内。
[0026]
进一步的，雾水收集器还包括负压风扇，设置在复合式仿生雾滴捕获结构件的上。
[0027]
进一步的，雾水收集器采用常规电路供电和太阳能供电的双供电系统，雾水收集器还包括监控控制装置，用于监测环境的温度与湿度、太阳光辐射追踪以及连续化雾水收集器内部各装置的参数，并控制各装置运行情况。
[0028]
本发明装置适合应用的范围很广，既适合于平均相对湿度只有20％左右的沙漠干旱地区，也适合于空气湿度在30％到90％的地区，收集空气中的水滴成为可使用的淡水，其收集淡水的成本远低于海水淡化的成本。对于更多的淡水的需求，可按照本发明的思路构建大型装置并合理布局来达到最理想的效果。
附图说明
[0029]
图1是实施例用于高效地收集大气中水蒸汽的雾水收集器装置的结构示意图；
[0030]
其中：1—变频式负压风扇；2—主体设备外壳；3—主体设备内壳；4—复合式仿生雾滴捕获结构件；5—拱形超疏水/超亲水相间复合层；8—蒸发器；9—毛细铜管；10—拱形铜基超疏水层；11—支撑架；12—双层集水箱；13—双层集水箱外侧壁；14—双层集水箱的夹层；15—双层集水箱内侧壁；16—双层集水箱的夹层进/出水缝隙；17—水质过滤层；18—初级过滤水水箱；19—初级过滤水水箱壁；20—排水控制阀；21—冷凝器；22—环保制冷剂循环系统管道；23—压缩机；24—柔性折叠式太阳能充电板；25—太阳能蓄电池；26—各类电源线，探头及插头的布线空间；27—plc。
[0031]
图2是实施例复合式仿生雾滴捕获结构件的俯视图。
[0032]
图3是实施例复合式仿生雾滴捕获结构件的截面示意图。
[0033]
图4是火龙果叶片通过其丝状微结构表现出良好的捕雾性能。
[0034]
图5是实施例拱形超疏水/超亲水相间复合外表面的结构示意图。
[0035]
其中：5—拱形超疏水/超亲水相间复合层；6—铜基超疏水基底；7—单个仿生超亲水顶端集水单元。
[0036]
图6是实施例单个仿生超亲水顶端集水单元的集水效果示意图。
[0037]
图7是实施例拱形铜基超疏水层的实际疏水效果图。
[0038]
图8是实施例柔性折叠式太阳能充电板结构示意图。
具体实施方式
[0039]
需要说明的为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
[0040]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0041]
一种仿生的高效率的雾水收集器，包括以下主要部件：壳体、变频式负压风扇1、复合式仿生雾滴捕获结构件4、冷凝器21、压缩机23和集水装置。
[0042]
壳体包括内外设置的内壳3和外壳2，复合式仿生雾滴捕获结构件和集水装置设置在内壳内，冷凝器和压缩机设置在外壳内。
[0043]
其中变频式负压风扇是利用空气对流、负压换气的降温原理，从外界环境自然吸入新鲜空气，然后将雾水收集器装置内的空气迅速强制排出，其降温换气效果可达90％-97％。由于变频式负压风扇的风速对雾滴捕获的效率有着巨大的影响，因此可以通过改变电机的频率来调节其风速。在未开启变频式负压风扇1前，复合式仿生雾滴捕获结构件4便可开始发挥雾滴捕获作用。为了更有效地捕获雾滴，开启变频式负压风扇1，将本装置周围的空气源源不断地抽进装置内。
[0044]
本发明装置中的最核心部件是复合式仿生雾滴捕获结构件4，其形状与结构如图1、2、3和5所示。图1中显示出该复合式仿生雾滴捕获结构件4在整个雾水收集器中的位置。图2是雾滴捕获结构件的俯视图。图3是雾滴捕获结构件的截面示意图。图5是拱形超疏水/超亲水相间复合外表面的结构示意图。结构件4由拱形超疏水/超亲水相间复合层作为外表面5，拱形铜基超疏水层作为内表面10和蒸发器8构成。复合式仿生雾滴捕获结构件4通过支撑架11固定在壳体内。
[0045]
该结构件是三层复合结构，既利用了仿生学中的超疏水/超亲水相结合的原理，同时利用对两个热传导性极好的铜基底集水面的人工快速冷凝从而达到最大效率的淡水收集。结构件中的拱形超疏水/超亲水相间复合层5这种混合形式为疏水基底 亲水顶端，具有高对比度的组合润湿表面的水收集效果要明显好于单一亲水表面。因此,利用超疏水/超亲水的组合表面是高效收集和保存水的有效途径。超疏水/超亲水相间复合层5由铜基超疏水基底6和若干个仿生超亲水顶端集水单元7形成的阵列构成。
[0046]
不断吸入的新鲜空气主要作用于拱形超疏水/超亲水相间复合外表面5，少许的空气作用于拱形铜基超疏水内表面10。由于风速对雾滴捕获的效率有着巨大的影响，因此可以通过改变电机的频率来调节其风速。
[0047]
图4是火龙果叶片通过其丝状微结构表现出良好的捕雾性能，这种结构可以显著减少雾流的偏离，且表面固有的亲水性使雾水以水滴的形式积聚，使其具有比2d平面快100倍的高效供水能力，有效解决了雾水供应问题。而在我国庐山的多雾山区，人们采用在松树下放置木桶等简单方法收集由松针表面聚集的水滴。
[0048]
受松针表面在雾水中能聚集水滴的启发，在本发明中的每个亲水顶端集水单元7的外形类似于蓬莱松的刺状叶片并簇生成团，但在本发明中不同的是每根丝状微结构会按照一定的角度进行折弯以方便水珠的定向滑落。图5和图6中所示的仿生超亲水顶端集水单元7的结构来源于受自然界集水生物启发，对蓬莱松的刺状叶片集水功能的仿生。每个超亲水顶端集水单元7由若干丝状微结构组合而成的3d结构，每根丝状微结构以一定的方式紧密地排列在一起构成刺状团以增大同空气的接触面积来获得更多的露水。集水单元7的根茎和铜基超疏水基底6之间靠无机粘合剂或焊接连在一起。在本发明中，每根丝状微结构大约20～30毫米长，直径为80～120μm。每根丝状微结构是由外层覆盖超亲水的cu(oh)2膜的微细铜丝构成或由外层覆盖/电镀一层cu(oh)2铜膜的高柔韧性聚甲基丙烯酸甲酯纤维构成。超亲水的cu(oh)2膜能够方便丝状微结构更加轻易地“捕获”空气中的小水滴。每根丝状微结构还可由的聚氨基甲酸乙酯纤维制成。聚氨基甲酸乙酯吸水、性能强、与雾气的接触面积大、散热快，因而能够凝聚大量的水分。为了最大限度地增强集水的效果，每个亲水顶端集水单元7以更密集的排列方式集成，如图5所示，铜基超疏水基底6上面布满了排列紧密的集水单元7组成的阵列，而每个集水单元之间的间隔大约是5毫米，从而大大地增加了亲水区域的面积，构建出具有超高效率和机械耐用性的集雾器。
[0049]
由图6的示意图可以看出，超亲水顶端集水单元7的丝状微结构在含有一定湿度的空气中表现出非常良好的捕雾性能。在复合外表面5上，由于超亲水与冷凝的共同作用，当超亲水的丝状微结构顶端的水珠越积越大，逐渐变大然后在重力的作用下顺着丝状微结构上的折弯迅速地滑落到铜基超疏水基底6，因为该基底是超疏水且被加工成拱形，超疏水表面可以促进表面捕捉的微小水滴结合成较大的水滴，大水滴在该表面不能够稳定存在进一步被快速移除而顺势迅速地滑落进双层集水箱12之中。同理，部分含水的空气接触到拱形铜基超疏水内表面10时迅速地发生冷凝，然后形成的水珠在该超疏水内表面沿着拱形的弧度迅速地滑落进集水箱中。
[0050]
拱形铜基超疏水基底6和拱形铜基超疏水层10的制作工艺相同，两者均是采用更高热导率的铜为原料。cu及其合金具有良好的抗压强度、可塑弹性以及耐磨性，在cu表面构造超疏水表面可以有效的使铜基体的耐蚀性得到提高，具有很大实际应用价值。在本发明中，铜基超疏水基底6和拱形铜基超疏水层10的制作工艺如下:cu片分别用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗10～15分钟后氮气吹干，去除表面的污渍。清洗完成的cu片置于2.5～2.6mol/l氢氧化钠、0.13～0.14mol/l过硫酸铵混合溶液水浴加热35℃～37℃下刻蚀8～10min，刻蚀后使用大量去离子水冲洗掉试样表面残余的刻蚀液。将刻蚀后的样品置于鼓风干燥箱中160℃～170下氧化6～7h。配置50ml体积分数为1～1.5％的十二硫醇乙醇溶液，将氧化后样品置于含有十二硫醇的乙醇溶液中修饰15～20min，取出后置于真空干燥箱中60～80℃下干燥40～60min。基体表面形成了具有足够粗糙度并可以捕获大量空气的网状层叠结构，此时基体表面疏水性最好，水的接触角为163～165.50
°
。该铜基超疏水表面的实际疏水效果如图7所示。随着冷凝热流增加,通常的疏水表面上的液滴会发生融合甚至连接铺
展成膜,从而使冷凝形态转变为膜状,不易脱落，影响传热。为了促进表面上的液滴尽快脱落，随着传热增加,在本发明的超疏水表面上液滴将从跳跃模式直接过渡到脱落模式而不产生液泛。
[0051]
复合式仿生雾滴捕获结构件4的大小(拱形超疏水/超亲水相间复合层5和拱形铜基超疏水层10的面积之和)决定了单位时间内的集水量和集水效率。在实际应用中，可根据淡水量的日平均需求来制造4的大小。
[0052]
当蒸发器8与压缩机23、冷凝器21组成了微型制冷系统。如图3所示，蒸发器8布局在拱形超疏水/超亲水相间复合层5和拱形铜基超疏水层10之间。蒸发器8采用按照一定距离间隔排列的铜制平直型翅片将拱形超疏水/超亲水相间复合层5的拱面和拱形铜基超疏水层10的拱面之间的夹层空间均匀地分割成大小相近的单元空间结构，然后软态毛细铜管9将逐一地贯穿每个分割单元形成网状。软态毛细铜管9的外径约为小于单元空间结构的直径。软态毛细铜管通过循环管道连接压缩机和冷凝器，并且循环管道内设置有制冷剂。
[0053]
因为内含制冷剂的软态毛细铜管9能够很均匀地分布在蒸发器8内的各个单位空间，而且大小接近于单元空间结构的直径，所以软态毛细铜管9可以非常紧密地贴合在拱形超疏水/超亲水相间复合层5和拱形铜基超疏水层10之间，在若干铜制平直型翅片的帮助下从而使拱形超疏水/超亲水相间复合层5和拱形铜基超疏水层10的表面制冷效果很好。毛细铜管9和循环系统管道22内流动的环保制冷剂可选用常见的r134a、r410a、r407c等。当蒸发器8开始工作时，拱形超疏水/超亲水相间复合层5和拱形铜基超疏水层10两者因为均含有铜基底所以具有极佳的热导性。拱形超疏水/超亲水相间复合层5和拱形铜基超疏水层10将很容易被冷至环境温度以下(温差》15℃)，从而极大地促进周围湿空气在这两个表面的冷凝。
[0054]
集水装置包括由上而下设置的双层集水箱12和过滤水水箱18。双层水箱包括垂直的外侧壁13和内侧壁15，以及底部的水质过滤层17；外侧壁和内侧壁之间形成夹层14。在拱形超疏水/超亲水相间复合层5上收集和冷凝的水会迅速地滑落进集水箱12的夹层14中。在拱形铜基超疏水内表面10上收集和冷凝的水会迅速地滑落进集水箱12或者夹层14中。内侧壁的底部设置有进/出水缝隙16，可动态调节夹层水位，所以夹层14中不会过多的积水。夹层14与水箱内的水位平衡将由进/出水缝隙16与水质过滤层17来进行动态调节。
[0055]
本发明中含有两个集水箱。其中的双层集水箱12从复合式仿生雾滴捕获结构件4收集的水经过水质过滤层17的过滤后再由初级过滤水水箱18收集。在本发明中，为了简便只使用了单层水质过滤层。该水质过滤层可由树脂过滤层构成或活性炭加pp棉组成的复合滤芯构成。在实际应用中，可以根据对水质的不同要求而增加水质过滤层或过滤系统。
[0056]
本发明装置采用双供电系统工作。既可以采用常规供电，也可采用如图8所示的柔性折叠式太阳能充电板24在有光照的情况下给系统充电。如图1所示，柔性折叠式太阳能充电板24在展开使用前是经过折叠后均匀地包裹在圆柱体状的雾水收集器的圆周外壳上的。展开柔性折叠式太阳能充电板24以后，受光面积变大成一个平面。可采用工业云台实时追踪太阳光,有效提高了太阳能的利用效率。柔性折叠式太阳能充电板24发电后将电储存在太阳能蓄电池25之中，然后供系统全天候的使用。
[0057]
本发明装置适合应用的范围很广，既适合于平均相对湿度只有20％左右的沙漠干旱地区，也适合于空气湿度在30％到90％的地区，收集空气中的水滴成为可使用的淡水，其
收集淡水的成本远低于海水淡化的成本。对于更多的淡水的需求，可按照本发明的思路构建大型装置并合理布局来达到最理想的效果。
[0058]
为了方便操作与美观，各类电源线，探头及插头将布线在空间26之内。整套设备的控制由plc 27来完成。plc 27将监测与控制如下的参数：环境的温度与湿度；雾水收集器装置内的温度与湿度；蒸发器的温度；制冷系统的能耗；负压风扇的转速；太阳光辐射追踪；太阳能蓄电池的电量；整机的能耗状况等。
[0059]
本发明装置经过测试，在20％的空气湿度下，每平米每天大约能制造饮用水30升左右。在70％的空气湿度下，每平米每天大约能制造饮用水95升左右。完全能满足一个家庭每天饮用水的需求量。
[0060]
上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。