CN104330282B - 一种快速收集雾水的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速收集雾水的装置及方法，由于本发明的快速收集雾水的装置设有风机快速导入雾气，以及采用冷凝管快速冷凝空气，同时因柱状金属罩的内壁、冷凝管和雾水收集皿的接触面均由仿荷叶表面微纳米结构的超疏水膜材料制成，所以，本发明的装置具有较高的雾水收集率，且能够最大程度的保留雾水中的原有物质。进而，本发明的装置能够高效的对雾水原料进行采集，为今后开展有关雾水的科研活动提供保障。

Description

一种快速收集雾水的装置及方法

技术领域

本发明涉及生态工程领域，特别是涉及一种快速收集雾水的装置及方法。

背景技术

雾，是近地层空气中悬浮着大量微细水滴的可见集合体。雾滴的平均直径多在10μm以下，密度约为107～108/m3。清洁的雾水对人体健康和对整个陆地生态系统是十分有利的。

但是，随着全球环境问题的日益严重，大气污染物与雾滴之间相互作用，许多城市雾水已被污染。雾水中的化学成分，如重金属盐、高浓度的离子、严重酸化的雾水、雾中吸附的尘埃以及病菌等对人体健康和生态环境都造成了很大的影响。

2006年，12月24日～12月27日，南京市出现连续4天的强浓雾天气，由于浓雾中含有大量的污染物，导致这四天南京市各大医院受浓雾影响的患者数量明显增多；在滨海地区，由于海雾中含有大量的可溶性盐，当海雾凝结成雾水不断地附着在园林绿化植物叶片上后，对植物会产生盐害作用，严重影响了植物的正常生长。因此，需要了解雾水的化学特征，才能对怎样防雾和怎样治雾提供一定的科学依据。但是，另一方面，目前国内关于雾水的采集装置却普遍存在雾水收集率过低的问题。

荷花“出淤泥而不染”这一现象来源于荷叶表面独特的微纳米结构，即自然界的“超疏水原理”。通过电子显微镜可以清晰地看到荷叶表面布满了类似于半球状的隆起，在每个半球状隆起的顶部又有一个尖状的凸顶。研究表明，在所有半球状隆起间的凹陷部位布满了空气，形成一层纳米级厚的空气层。这就使得在荷叶上的雨水或雾水隔着一层极薄的纳米级空气层，只能与半球状隆起顶部的几个点接触，水珠和荷叶表面的接触面积仅有2％～3％，从而降低两者间的摩擦力，水珠在自身表面张力作用下形成球体，不粘附荷叶自由滚落。

受自然界超疏水现象的启示，人们在仿超疏水材料方面的研究也不断加大。一般认为超疏水材料应同时具备两个条件：(1)大的接触角(通常以大于150°为界限)；(2)低的滚动角(一般以小于10°为界限)。通常情况下荷叶的水接触角和滚动角分别为160°和2°。目前，已经有不少学者以荷叶表面的微纳米结构为模板，制作出类荷叶表面结构的膜。

发明内容

本发明的目的是针对目前雾水采集装置普遍存在雾水收集率过低的问题，提出一种快速收集雾水的装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种快速收集雾水的装置，包括顶部为倒扣碗形结构的顶盖以及与所述顶盖下部相连的柱状外罩，所述柱状外罩的内部设有雾水反应皿，所述雾水反应皿的下部设有漏斗状集水皿以及与所述漏斗状集水皿底部相连接的集水瓶，所述雾水反应皿包括至少两个沿垂直方向设置的环状空心冷凝管以及至少一个贯通连接所述环状空心冷凝管的垂直空心冷凝管，并且所述装置内部与雾水的接触面至少部分表面附有微纳米级的超疏水结构层。

优选地，所述顶盖的顶部设有风机接口，并且所述风机接口通过管道连接风机。

优选地，所述柱状外罩的底部设有支架。

优选地，所述顶盖通过固定螺钉连接所述柱状外罩。

优选地，所述漏斗状集水皿的漏斗开口外沿与所述柱状外罩的内壁紧密连接。

优选地，所述垂直空心冷凝管至少为螺旋状空心冷凝管、网笼状空心冷凝管、线状空心冷凝管。

优选地，位于顶部的环状空心冷凝管上设有防冻液注入口及排气口，位于底部的环状空心冷凝管上设有防冻液导出口。

优选地，所述柱状外罩的内壁还设有温度计。

进一步，优选地，至少两个所述环状空心冷凝管上均分别设有至少一组水平空心冷凝管，并且处于不同高度位置上的所述水平空心冷凝管之间也贯通连接有所述垂直空心冷凝管。

本发明的另一目的在于提供一种快速收集雾水的方法，所述方法包括如下步骤：

A、完成雾水收集前的准备工作，包括整理地面以及采用去离子水清洗所述的装置；

B、将所述柱状外罩放在整理好的地面上，并采用所述支架固定平稳；

C、将所述集水瓶放入柱状外罩内中央位置固定，并在所述集水瓶中放入少量矿物油，之后将所述漏斗状集水皿固定在所述柱状外罩内部，并将漏斗底部的漏斗嘴伸入所述集水瓶中；

D、将内部充满防冻液的雾水反应皿插入柱状外罩内固定，之后在所述顶盖上的风机接口处通过管道连接风机；

E、观察所述温度计的显示值，当温度达到稳定时，打开风机，开始收集雾水；

F、收集一定时间后，当所述装置内部温度接近外部空气温度时，结束收集。

基于上述技术方案，本发明的优点是：

由于本发明的快速收集雾水的装置设有风机快速导入雾气，以及采用冷凝管快速冷凝空气，同时因柱状金属罩的内壁、冷凝管和雾水收集皿的接触面均由仿荷叶表面微纳米结构的超疏水膜材料制成，所以，本发明的装置具有较高的雾水收集率，且能够最大程度的保留雾水中的原有物质。进而，本发明的装置能够高效的对雾水原料进行采集，为今后开展有关雾水的科研活动提供保障。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为雾水收集装置结构示意图；

图2为雾水反应皿结构示意图；

图3为雾水反应皿俯视示意图；

其中，1～支架；2～集水瓶；3～漏斗状集水皿；4～柱状外罩；5～雾水反应皿；6～固定螺钉；7～顶盖；8～风机接口；9～温度计；10～环状空心冷凝管；11～垂直空心冷凝管；12～水平空心冷凝管；13～防冻液注入口；14～排气口；15～防冻液导出口。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本发明提供了一种快速收集雾水的装置，如图1所示，包括顶部为倒扣碗形结构的顶盖7以及与所述顶盖7下部相连的柱状外罩4，所述柱状外罩4的内部设有雾水反应皿5，所述雾水反应皿5的下部设有漏斗状集水皿3以及与所述漏斗状集水皿3底部相连接的集水瓶2。

所述顶盖7顶部的倒扣碗形结构符合空气动力学原理，阻力很小。而且，所述顶盖7的顶部设有风机接口8，所述风机接口8通过管道连接风机。通过风机配合所述顶盖7顶部的倒扣碗形结构，能够将海雾快速抽入雾水反应皿5内。所述顶盖7通过固定螺钉6连接所述柱状外罩4，以固定及密封顶盖7。

而所述柱状外罩4整体连接并支撑装置，其材质为保温材料，以保证整个装置与外界处于较好的隔热状态。所述柱状外罩4的底部设有支架1，用于支撑固定整体装置。在所述柱状外罩4的内壁还设有温度计9，用于显示本发明的雾水收集装置内部的温度。

进一步，本发明的核心部件为雾水反应皿5。如图2、图3所示，所述雾水反应皿5包括至少两个沿垂直方向设置的环状空心冷凝管10以及至少一个贯通连接所述环状空心冷凝管10的垂直空心冷凝管11。优选地，至少两个所述环状空心冷凝管10上均分别设有至少一组水平空心冷凝管12，并且处于不同高度位置上的所述水平空心冷凝管12之间也贯通连接有所述垂直空心冷凝管11。

具体地，在本实施例中，雾水反应皿5的整体结构为一柱状体，以匹配所述柱状外罩4的形状。所述雾水反应皿5由两个上下对称的环状空心冷凝管10和五根螺纹状的垂直空心冷凝管11组成，所述环状冷凝管10和垂直空心冷凝管11之间相互贯通。当然，所述垂直空心冷凝管11也可以为网笼状空心冷凝管、线状空心冷凝管等，以保证雾水反应皿5有足够大的表面积与雾气接触冷凝。

进一步，如图2所示，在本装置中，位于顶部的环状空心冷凝管10上设有直径为5～10mm防冻液注入口13及排气口14，位于底部的环状空心冷凝管10上设有一个防冻液导出口15，用于防冻液的导出。当向冷凝管中注入防冻液时，打开防冻液注入口13及排气口14，关闭防冻液导出口15，以保证所有冷凝管内的空气能够全部排出。当导出冷凝液时，至少打开防冻液注入口13或排气口14，且打开防冻液导出口15，以保证冷凝管内气压平衡，是防冻液能够全部放出。本发明中所有冷凝管可以使用玻璃材料或者导温类硬质材料，以同时兼顾导热性能和材料强度。

所述雾水反应皿5在本发明中主要起到三个作用：(1)雾水反应皿中环状冷凝管10及垂直空心冷凝管11为雾水提供了大量的附着面积；(2)当向雾水反应皿5中的冷凝管中注满防冻液后，能够为进入该仪器的雾气提供一个冷凝环境，雾气遇冷后就会凝结成很多小水珠，沿着附着载体流入集水瓶2内；(3)雾水反应皿5内部与雾气的接触面全部由仿荷叶表面的微纳米级超疏水结构层组成，由此大大的提高了雾水收集效率，并且最大程度地保留雾水中的原有物质，进一步以便为开展对雾水的科研活动提供优质的雾水原料。

通过所述雾水反应皿5的冷凝作用，雾气转变为雾水，流入所述漏斗状集水皿3中。所述漏斗状集水皿3的形状类似漏斗，其材质可以为玻璃、钢或塑料等硬质材料。整个漏斗状集水皿5与雾气接触面(内壁)均附有仿荷叶表面的微纳米级超疏水结构层，不仅提高了雾水收集效率，并且最大程度地保留雾水中的原有物质。所述漏斗状集水皿3的漏斗开口外沿与所述柱状外罩4的内壁紧密连接，以保证密闭性，避免漏水。

所述漏斗状集水皿3经雾水反应皿5中的雾水收集，并最终导入集水瓶2中，以完成雾水的收集。在本发明的装置中，所述装置内部与雾水的接触面至少部分表面附有微纳米级的超疏水结构层，使得雾水或者雾气难以附着在雾水收集装置的内壁，雾水能够迅速向下流动，以保证雾水高效的收集。

本发明通过风机将空气中的雾气迅速导入到雾水反应皿5中，进入雾水反应皿5中的雾气以所述柱状外罩4的内壁、冷凝管和漏斗状集水皿3的接触面为附着点，通过对冷凝管中注入了预先冷却到-10℃的防冻液，在冷凝作用下，雾气凝结成很多小水珠，然后汇入集水瓶2。所述柱状外罩4的内壁、冷凝管和漏斗状集水皿3的接触面均由仿荷叶表面微纳米结构的超疏水膜材料制成，当雾气凝结成雾水在超疏水膜上形成球状水珠时，水珠顺着超疏水膜自由向下滚落，最终汇入集水瓶2中，达到了快速收集雾水的目的。

实施例2

本发明还提供了一种快速收集雾水的方法，所述方法包括如下步骤：

A、完成雾水收集前的准备工作，包括整理地面以及采用去离子水清洗雾水收集装置。

在选择好收集地点后，应对地面进行简单整理。将地面上明显的凸物如石块、树枝等移开，尽可能保证地面平整，以保证雾水收集装置能够安置稳定。为保证实验数据的准确性，避免有灰尘、污渍、残液等混入收集的雾水中，每次收集前都用去离子水对所述装置内部进行清洗，重点清洗雾气与装置内部的接触面。

B、将所述柱状外罩4放在整理好的地面上，并采用所述支架1固定平稳。

C、将所述集水瓶2放入柱状外罩4内中央位置固定，并在所述集水瓶2中放入少量矿物油，以减少雾水的蒸发。之后将所述漏斗状集水皿3固定在所述柱状外罩4内部，并将漏斗底部的漏斗嘴伸入所述集水瓶2中2～3cm处，以防止雾水洒落。同时，所述漏斗状集水皿3的大口径应在与柱状外罩4的连接处保证密闭性，以避免漏水

D、将内部充满防冻液的雾水反应皿5插入柱状外罩4内固定，之后在所述顶盖7上的风机接口8处通过管道连接风机。通过风机的引风，大量的雾气经过本发明的装置内，使得雾水收集更加高效。

E、观察所述温度计9的显示值，当温度达到稳定时，打开风机，开始收集雾水。

F、收集一定时间后，当所述装置内部温度接近外部空气温度时，结束收集，以保证雾水收集过程一直处于高效的收集状态。

本发明的快速收集雾水的装置，除降雨、天气气温低于雾水反应皿5中温度时不能使用外，其他环境均可适用。

由于本发明的快速收集雾水的装置设有风机快速导入雾气，以及采用冷凝管快速冷凝空气，同时因柱状金属罩的内壁、冷凝管和雾水收集皿的接触面均由仿荷叶表面微纳米结构的超疏水膜材料制成。所以，采用本发明的快速收集雾水的方法收集雾水，具有较高的雾水收集率，且能够最大程度的保留雾水中的原有物质。进而，本发明的雾水收集方法能够通过高效的对雾水原料进行采集，为今后开展有关雾水的科研活动提供保障。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种快速收集雾水的装置，包括顶部为倒扣碗形结构的顶盖(7)以及与所述顶盖(7)下部相连的柱状外罩(4)，所述柱状外罩(4)的内部设有雾水反应皿(5)，所述雾水反应皿(5)的下部设有漏斗状集水皿(3)以及与所述漏斗状集水皿(3)底部相连接的集水瓶(2)，其特征在于：所述顶盖(7)的顶部设有风机接口(8)，并且所述风机接口(8)通过管道连接风机，所述雾水反应皿(5)包括至少两个沿垂直方向设置的环状空心冷凝管(10)以及至少一个贯通连接所述环状空心冷凝管(10)的垂直空心冷凝管(11)，并且所述装置内部与雾水的接触面至少部分表面附有微纳米级的超疏水结构层，所述环状空心冷凝管(10)上均分别设有至少一组水平空心冷凝管(12)，并且处于不同高度位置上的所述水平空心冷凝管(12)之间也贯通连接有所述垂直空心冷凝管(11)，所述柱状外罩(4)的内壁还设有温度计(9)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述柱状外罩(4)的底部设有支架(1)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述顶盖(7)通过固定螺钉(6)连接所述柱状外罩(4)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述漏斗状集水皿(3)的漏斗开口外沿与所述柱状外罩(4)的内壁紧密连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述垂直空心冷凝管(11)为螺旋状空心冷凝管、网笼状空心冷凝管或线状空心冷凝管。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：位于顶部的环状空心冷凝管(10)上设有防冻液注入口(13)及排气口(14)，位于底部的环状空心冷凝管(10)上设有防冻液导出口(15)。

7.一种快速收集雾水的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

A、完成雾水收集前的准备工作，包括整理地面以及采用去离子水清洗上述任意一项权利要求中所述的装置；

B、将所述柱状外罩(4)放在整理好的地面上，并采用支架(1)固定平稳；

C、将所述集水瓶(2)放入柱状外罩(4)内中央位置固定，并在所述集水瓶(2)中放入少量矿物油，之后将所述漏斗状集水皿(3)固定在所述柱状外罩(4)内部，并将漏斗底部的漏斗嘴伸入所述集水瓶(2)中；

D、将内部充满防冻液的雾水反应皿(5)插入柱状外罩(4)内固定，之后在所述顶盖(7)上的风机接口(8)处通过管道连接风机；

E、观察所述温度计(9)的显示值，当温度达到稳定时，打开风机，开始收集雾水；

F、收集一定时间后，当所述装置内部温度接近外部空气温度时，结束收集。