CN105973021B - 一种具有梯度亲疏水性能的集水器及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集水节能技术领域，特别涉及一种具有梯度亲疏水性能的集水器及应用。所述具有梯度亲疏水性能的集水器，包括梯度孔径亲水多孔泡沫、疏水多孔泡沫、集液槽、防护罩和多孔泡沫固定结构；所述防护罩中填充有梯度孔径亲水多孔泡沫和疏水多孔泡沫；所述疏水多孔泡沫两侧设置两个空间，前侧空间是疏水多孔泡沫与梯度孔径亲水多孔泡沫之间的间隔缝隙，其宽度为毫米量级，后侧空间设置集液槽，疏水多孔泡沫通过多孔泡沫固定结构悬空安装，使得前侧的间隔缝隙与集液槽相通。
Description
技术领域
本发明属于集水节能技术领域，特别涉及一种具有梯度亲疏水性能的集水器及应用。
背景技术
地球上不含盐分的水有三分之一散布在空气中，收集空气中的水，是解决缺水问题的一个途径。一般集水方式主要有三种：地下水蒸发，植物蒸发集水和空气中捕雾集水。对于干燥少水地区，植被稀少、地下水缺乏，第三种捕雾集水成为其主要的淡水收集方式。
近年来，基于对大自然的认识以及仿生科学技术的发展，科学家们对干旱沙漠中的一种纳米布甲壳虫进行了研究，并证明其背部复杂的“麻点”和沟壑在大雾来临时可以很快凝结并收集水滴。模仿纳米布甲壳虫的表面结构，韩国设计师Kitae Pak设计了露水收集器“露珠银行”。整个收集器是一个外形类似龟壳的金属装置，由于水蒸气更容易在金属外壳上凝结，经过日夜温差变化，凝结的水蒸气可沿着弯曲的收集器表面流入底部储水槽中；其结构简单，且翻转后可做脸盘使用。2012年NBD Nano公司的Deckard Sorensen制作了由吸水涂层和防水涂层组成的表面，利用风扇加快空气流通，让水凝结在防水涂层表面流动并存储。奥地利工业设计师Kristof Retezár发明的自动蓄水瓶装置主要包括过滤器、太阳能供电装置和水瓶，利用太阳能发电促进冷却表面的液滴冷凝，冷凝水通过倾斜超疏水表面汇集于水瓶。2015年Ap Verheggen设计的太阳能水滴，也是利用太阳能发电在低温表面冷凝空气中的水，水滴在重力作用下在液滴内部收集；此结构还处于概念中，其性能受限于太阳能电池的效率和功率。
目前，先进集水器多利用太阳能或直流电池发电，带动风扇或半导体给多翅片换热器降温，从而强化空气中水蒸气的冷凝。同时冷凝水的收集多利用超疏水表面结合重力作用，自动汇集于储液腔。根据近来学者研究，具有亲水性质的“麻点”是甲壳虫在空气中冷凝水分的起点，亲水性表面有利于强化水汽的冷凝。由纳米布甲壳虫表面“麻点”与沟壑的面积比可知，凝水的汇聚和及时脱离也是收集过程中重要因素。增大沟壑面积促进冷凝液滴的快速脱离，能加快“麻点”的更新再生，从而加快冷凝速度；与此同时增大沟壑或超疏水表面面积，也相应减小了液滴的冷凝面积，抑制液滴的高效冷凝。冷凝面积(亲水表面)和液滴脱离面积(疏水表面)在固定的、有限的冷凝换热表面上是一对此消彼长的矛盾，均衡各自得失，才能获得比较良好的集水性能。最后，目前集水器的关键部件，大部分利用材料表面改性的方法赋予其冷凝捕雾的功能，如涂覆微纳颗粒结构、局部亲疏水表面涂层处理等；却很少有利用复杂结构材料，耦合其结构特性发挥更优异的集水性能。
事实上，近年来应用广泛的多孔泡沫金属具有高导热系数、密度小、孔隙可控、表面积大等优点；同时多孔结构内部的孔隙构成了复杂的微通道，对在其中流动的流体具有较强的毛细吸引力。其金属性能的高导热系数使得冷凝表面能够尽快散热，保持冷凝过程较大的过冷度。密度小、表面积大能大幅度增大湿空气与冷凝表满的接触面积。同时利用表面材料处理技术，制备梯度超亲水和超疏水的多孔泡沫结构；结合多孔泡沫自身毛细孔道，能够将冷凝液通过孔道及时排出，不占据表面与湿空气接触的冷凝换热面积；极限扩大换热表面上冷凝面积与导流面积之比，从而大大提高雾水冷凝效率。
多孔泡沫结构用于雾水捕捉的主要优势，在于其表面孔隙结构增强了雾气的捕捉能力；且换热表面积大大增大；同时耦合利用梯度孔隙控制以及梯度亲疏水表面性能，能够及时将冷凝雾水通过泡沫材料厚度方向上的孔道及时导离，缩短冷凝换热面的再生周期。其金属的高导热性能更便于调节冷凝温差，促进冷凝的发生。本发明提出利用梯度多孔泡沫材料进行雾水捕捉，是从雾水冷凝的基本物理过程出发，基于强化传热基本原理，从根本上强化雾水冷凝的新技术、新方法、新思路。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种具有梯度亲疏水性能的集水器及应用，具体技术方案为：
一种具有梯度亲疏水性能的集水器，包括梯度孔径亲水多孔泡沫1、疏水多孔泡沫2、集液槽3、防护罩4和多孔泡沫固定结构5；所述防护罩4中填充有梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2，疏水多孔泡沫2与梯度孔径亲水多孔泡沫1通过多孔泡沫固定结构5进行固定，疏水多孔泡沫2两侧设置两个空间，前侧空间是疏水多孔泡沫2与梯度孔径亲水多孔泡沫1之间的间隔缝隙，其宽度为毫米量级，后侧空间设置集液槽3；疏水多孔泡沫2通过多孔泡沫固定结构5悬空安装，使得前侧的间隔缝隙与后侧空间的集液槽3相通。
优选地，还可利用风扇8强化空气对流。风扇8可加快湿空气的流通速度，从而显著提高集水器的集水性能。
此时，所述梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2的形状，可以为圆筒式、板式、帽盔状等多种。圆筒形状便于设计成集水杯等便携产品；板状易于生产、加工，便于扩展换热面积和体积，可设计为类似板式换热器形状，易于雾水捕捉集成化处理；帽盔状则适合不容易安放集水器的地区，直接扣于地面，用于局部集水。
优选地，所述梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2的形状为板式；此时，将梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2作为单元组，两个单元组背靠背排列固定，并在中间孔隙处设置集液槽3，集液槽3下方设置有出水口9，将底部汇聚的冷凝液7导出，顶部设置的风扇8同时与所有孔隙联通，抽离空气强化集水器内部空气流动。
优选地，所述梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2的形状可为圆筒式；此时，只有一对由梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2组成的单元组，梯度孔径亲水多孔泡沫1作为圆筒集水器外壁，疏水多孔泡沫2作为圆筒集水器内壁，在疏水多孔泡沫2围成的圆筒集水器内壁内侧的空间上下底面分别设置风扇8和集液槽3。
优选地，梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2均为通孔材料，梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2的材质均为导热、散热性能良好的金属泡沫(如铝、铜等)，或本身即具有较大孔隙的陶瓷泡沫。所述金属泡沫材质梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2的制备方法为电镀、粉末烧结、空心球烧结、电沉积等。
采用通孔泡沫材料，湿空气可以穿透换热表面，经过多孔结构内部的多孔扰流，湿空气中的雾气能更充分地与金属表面接触并冷凝；同时与普通平面基底的封闭情况相比，通孔结构降低了风阻。
优选地，所述梯度孔径亲水多孔泡沫1的亲水处理方式可因基样而异，如化学氧化法或高温烧结法。
优选地，所述疏水多孔泡沫2的疏水处理方式为气相沉积法或液相沉积法。
优选地，为了便于收集凝液，集液槽3设计为中间凹陷的沟槽结构，使得冷凝液在集液槽底部收集并通过出水口导出。
此外，本发明所述的集水器还可以包括其他辅助部件，所述辅助部件可以利用太阳能光电转化薄膜，提供小功率电源带动风扇转动，强化湿空气在多孔泡沫中的对流流动；或利用热电效应原理，利用半导体和太阳能光电转换部件相连，将冷凝多孔泡沫作为半导体冷端延伸部分，以强化提高冷凝表面过热度，促进快速冷凝。
本发明所述的梯度孔径亲水多孔泡沫，其梯度包括两种含义，一为孔径尺寸上的梯度，其孔隙尺寸在泡沫厚度方向上由大到小，即泡沫材料内部孔道直径沿厚度方向越来越小，以增大对其内部流动液体的毛细引力，促进冷凝液的导离；二为亲、疏水表面性能的梯度，即在亲水多孔泡沫厚度上沿空气流动方向亲水性越来越强。
梯度孔径亲水多孔泡沫，可以是多层不同孔径的泡沫材料按照孔隙尺寸大小依次排列，组合成梯度孔隙换热面；也可以是在泡沫材料制备时，利用不同粒径粉末、空心球等按一定尺寸依次排布烧结制备而成的一个整体。
多孔泡沫的梯度亲疏水性，可以是模拟纳米布甲壳虫在多孔金属表面做局部亲水点；也可以是在泡沫材料厚度方向上显示的梯度亲水性变化，从而在表面张力梯度作用下强化液滴在多孔泡沫孔道内的流动。此梯度亲疏水性能还指亲水多孔泡沫与疏水泡沫的结合使用。在亲水泡沫尽头，液体被导离冷凝表面到达亲水泡沫孔道出口，距离亲水泡沫孔道出口几个毫米的位置设置超疏水泡沫，对液滴进行阻挡收集，促进液滴的汇聚。
如上所述的不包含风扇8的集水器在集水方面的应用：湿空气按照湿空气流动方向6流经集水器，首先通过防护罩4，过滤空气中大的颗粒和杂质，然后与梯度孔径亲水多孔泡沫1表面接触，在亲水表面的作用下，湿空气中的雾气发生冷凝，形成的冷凝液7在梯度孔径亲水多孔泡沫1的作用下被快速吸入孔隙内，并在梯度孔径亲水多孔泡沫1的末端汇聚，受疏水多孔泡沫2的排斥作用，冷凝液7从孔隙处滴落，并汇集于集液槽3。
如上所述的包含风扇8的集水器在集水方面的应用：在风扇8抽离空气的强制对流下，湿空气沿湿空气流动方向6快速从环境侧进入集水器，首先通过防护罩4，然后与梯度孔径亲水多孔泡沫1表面接触，在亲水表面的作用下，湿空气中的雾气发生冷凝，形成的冷凝液7在梯度孔径亲水多孔泡沫1的作用及风扇8的抽吸下被快速吸入孔隙内，并在梯度孔径亲水多孔泡沫1的末端汇聚；具有风扇8的集水器，受疏水多空泡沫2的阻挡及重力作用，冷凝液7从孔隙处滴落，并汇集于集液槽3，最终通过出水口9排出；失去雾气而形成的干空气则直接通过疏水多孔泡沫2并被风扇8抽走。
本发明所述的含梯度多孔泡沫结构的集水器的集水原理为：利用具有较大比表面积的多孔泡沫结构作为冷凝换热表面，大大增加了捕捉湿空气的换热面积，同时利用其孔道毛细结构耦合亲疏水表面处理，捕捉并迅速导离冷凝液滴，加快了冷凝表面的再生。同时金属高导热性能能够轻易提高冷凝表面过冷度，从而从根本上提高湿空气的冷凝速度。在超疏水多孔结构的阻挡下，液滴和湿空气中的雾气在亲水多孔结构和疏水多孔结构的孔隙内汇聚并流入集液槽中。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用梯度多孔泡沫材料进行雾气的捕捉和收集，将雾气冷凝与多孔泡沫材料进行耦合，增大了换热面积，促进了雾气在表面的捕捉；并结合利用亲、疏水金属泡沫，利用泡沫的浸润自相容性(超亲水泡沫阻气，超疏水泡沫阻水)，强化冷凝液滴沿泡沫厚度方向上的导离，促进冷凝表面的再生，提高了冷凝速率。
(2)本发明利用多孔泡沫材料将复杂结构材料与冷凝传热两相流流动进行耦合，并巧妙利用梯度孔结构及梯度亲疏水性从根本上强化冷凝传热。
附图说明
图1是具有梯度亲疏水性能的集水器(不包含风扇)的示意图；
图2是具有梯度亲疏水性能的集水器(包含风扇)的示意图；
图3是利用多层不同孔径泡沫金属叠加方法制备梯度多孔泡沫的示意图；
图中标号：1-梯度孔径亲水多孔泡沫；2-疏水多孔泡沫；3-集液槽；4-防护罩；5-多孔泡沫固定结构；6-湿空气流动方向；7-冷凝液；8-风扇；9-出水口；10-不同孔径的泡沫金属；11-亲水化处理；12-孔径较大具有亲水性的多孔泡沫金属；13-孔径略小亲水性略强的多孔泡沫金属；14-孔径最小亲水性最强的多孔泡沫金属；15-超疏水化处理。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明，但不以任何方式限制本发明。
图1是具有梯度亲疏水性能的集水器(不包含风扇)的示意图。集水器包括梯度孔径亲水多孔泡沫1、疏水多孔泡沫2、集液槽3、防护罩4和多孔泡沫固定结构5；所述防护罩4中填充有梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2，疏水多孔泡沫2与梯度孔径亲水多孔泡沫1通过多孔泡沫固定结构5进行固定；疏水多孔泡沫2两侧设置两个空间，前侧空间是疏水多孔泡沫2与梯度孔径亲水多孔泡沫1之间的间隔缝隙，其宽度为毫米量级，后侧空间设置集液槽3；疏水多孔泡沫2通过多孔泡沫固定结构5悬空安装，使得前侧的间隔缝隙与后侧空间的集液槽3相通。
当湿空气按照湿空气流动方向6流经集水器时，湿空气首先通过防护罩4，过滤空气中大的颗粒和杂质，然后与梯度孔径亲水多孔泡沫1表面接触，在亲水表面的作用下，湿空气中的雾气发生冷凝，形成的冷凝液7在梯度孔径亲水多孔泡沫1的作用下被快速吸入孔隙内，并在梯度孔径亲水多孔泡沫1的末端汇聚，受疏水多孔泡沫2的排斥作用，冷凝液7从孔隙处滴落，并汇集于集液槽3。
图2是具有梯度亲疏水性能的集水器(包含风扇)的示意图。集水器包括梯度孔径亲水多孔泡沫1、疏水多孔泡沫2、集液槽3、防护罩4、多孔泡沫固定结构5、风扇8和出水口9；所述防护罩4中填充有梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2，疏水多孔泡沫2与梯度孔径亲水多孔泡沫1之间设置有多孔泡沫固定结构5；梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2形成的形状为板式；此时，梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2作为单元组，两个单元组背靠背排列固定，并在中间孔隙处设置集液槽3，集液槽3下方设置有出水口9，将底部汇聚的冷凝液7导出；顶部设置的风扇8同时与所有孔隙联通，抽取空气强化对流。
在风扇8抽离空气的强制对流下，湿空气沿湿空气流动方向6快速从环境侧进入集水器，首先通过防护罩4，然后与梯度孔径亲水多孔泡沫1表面接触，在亲水表面的作用下，湿空气中的雾气发生冷凝，形成的冷凝液7在梯度孔径亲水多孔泡沫1的作用及风扇8的抽吸下被快速吸入孔隙内，并在梯度孔径亲水多孔泡沫1的末端汇聚；具有风扇8的集水器，受疏水多空泡沫2的阻挡及重力作用，冷凝液7从孔隙处滴落，并汇集于集液槽3，最终通过出水口9排出；失去雾气而形成的干空气则直接通过疏水多孔泡沫2并被风扇8抽走。图3是利用多层不同孔径泡沫金属叠加方法制备梯度多孔泡沫的示意图。其中，梯度孔径亲水多孔泡沫1由三种不同孔径的泡沫金属按孔径大小依次排列构成，此梯度尺寸多孔结构简单易得。分别对不同孔径的泡沫金属10进行亲水化处理11，通过改变亲水处理条件获得不同亲水性能的多孔泡沫，包括孔径较大具有亲水性的多孔泡沫金属12，孔径略小亲水性略强的多孔泡沫金属13，孔径最小亲水性最强的多孔泡沫金属14。将三个梯度多孔泡沫依次排列构成梯度尺寸亲水多孔泡沫1。同时对不同孔径的泡沫金属10进行超疏水化处理15，获得疏水多孔泡沫2。亲水化处理11包括化学氧化法、高温烧结法等；超疏水化处理15包括气相沉积法、液相沉积法等。
实施例1
选用长宽高分别为50mm×50mm×3mm、孔径分别为100目、150目、200目三种孔径的紫铜泡沫金属为基样材料。首先利用碱液高温浸泡氧化法分别对三种孔径的泡沫金属进行亲水化处理。用丙酮超声清洗10min去除表面油脂，去离子水超声清洗10min；然后将试样浸入2.0mol/L HCl水溶液，超声浸泡10min，去除金属氧化膜；最后用去离子水清洗3次，彻底去除试样表面残留酸液，取出试样氮气吹干，备用。将预处理完毕的金属丝网浸泡于NaClO2，NaOH，Na3PO4·12H2O，及DI water(3.75:5:10:100wt％)的氧化液中，维持氧化温度在96℃恒定；氧化时间20min，待氧化完毕，取出试样利用去离子水和丙酮分别超声清洗，氮气吹干。由于其孔径不同，100目、150目、200目泡沫金属的亲水静态接触角虽均近似为0°，但利用高速摄像测定结果显示，相同体积液滴在其表面的铺展速度逐渐增大。
同时利用液相化学沉积方法对200目、3mm厚度、具有超亲水微结构的铜泡沫进行氟硅烷(全氟辛基三氯硅烷：C8H4Cl3F13Si)表面修饰，具体方法为：将其浸泡于20℃、浓度为0.1mol/L全氟辛基硅烷的正己烷溶液中静置30min，待沉积完毕，丙酮清洗，氮气吹干后，置于真空马弗炉180°热处理20min。利用静态接触角测定其表面接触角为153°。
利用金属铝合金加工泡沫金属支架，将三种孔径亲水泡沫金属叠加按孔径由大到小依次压紧固定于支架前侧；同时距离5mm的位置固定超疏水铜泡沫，并在支架后方安装风扇，得到本发明所述的集水器。控制环境相对湿度为80％，控制风扇转速使风速在0.5-1m/s。经测定其集水能力在100～300ml/h。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (13)
1.一种具有梯度亲疏水性能的集水器，其特征在于，包括梯度孔径亲水多孔泡沫(1)、疏水多孔泡沫(2)、集液槽(3)、防护罩(4)和多孔泡沫固定结构(5)；所述防护罩(4)中填充有梯度孔径亲水多孔泡沫(1)和疏水多孔泡沫(2)，疏水多孔泡沫(2)与梯度孔径亲水多孔泡沫(1)通过多孔泡沫固定结构(5)进行固定；疏水多孔泡沫(2)两侧设置两个空间，前侧空间是疏水多孔泡沫(2)与梯度孔径亲水多孔泡沫(1)之间的间隔缝隙，其宽度为毫米量级，后侧空间设置集液槽(3)；疏水多孔泡沫(2)通过多孔泡沫固定结构(5)悬空安装，使得前侧的间隔缝隙与后侧空间的集液槽(3)相通。
2.根据权利要求1所述的集水器，其特征在于，还利用风扇(8)强化空气对流。
3.根据权利要求2所述的集水器，其特征在于，集水器还包括风扇(8)和出水口(9)；疏水多孔泡沫(2)与梯度孔径亲水多孔泡沫(1)之间设置有多孔泡沫固定结构(5)；所述风扇(8)设置于集液槽(3)顶部，同时与所有孔隙联通。
4.根据权利要求3所述的集水器，其特征在于，所述梯度孔径亲水多孔泡沫(1)和疏水多孔泡沫(2)的形状为板式；此时，将梯度孔径亲水多孔泡沫(1)和疏水多孔泡沫(2)作为单元组，两个单元组背靠背排列固定，并在中间孔隙处设置集液槽(3)，集液槽(3)下方设置有出水口(9)，将底部汇聚的冷凝液(7)导出；顶部设置的风扇(8)同时与所有孔隙联通。
5.根据权利要求3所述的集水器，其特征在于，所述梯度孔径亲水多孔泡沫(1)和疏水多孔泡沫(2)的形状为圆筒式；此时，只有一对由梯度孔径亲水多孔泡沫(1)和疏水多孔泡沫(2)组成的单元组，梯度孔径亲水多孔泡沫(1)作为集水器外壁，疏水多孔泡沫(2)作为集水器内壁，在疏水多孔泡沫(2)围成的圆筒集水器内壁内侧的空间上下底面分别设置风扇(8)和集液槽(3)。
6.根据权利要求1所述的集水器，其特征在于，梯度孔径亲水多孔泡沫(1)和疏水多孔泡沫(2)均为通孔材料，梯度孔径亲水多孔泡沫(1)和疏水多孔泡沫(2)的材质均为导热、散热性能良好的金属泡沫，或本身即具有孔隙的陶瓷泡沫。
7.根据权利要求1所述的集水器，其特征在于，所述梯度孔径亲水多孔泡沫(1)的梯度是指孔径和亲水性同时存在的梯度。
8.根据权利要求7所述的集水器，其特征在于，所述孔径上的梯度，是多层不同孔径的泡沫材料按照孔隙尺寸大小依次排列，组合成梯度孔隙换热面；或者是在泡沫材料制备时，利用不同粒径粉末、空心球按一定尺寸依次排布烧结制备而成的一个整体。
9.根据权利要求1所述的集水器，其特征在于，所述梯度孔径亲水多孔泡沫(1)的亲水处理方式为化学氧化法或高温烧结法。
10.根据权利要求1所述的集水器，其特征在于，所述疏水多孔泡沫(2)的疏水处理方式为气相沉积法或液相沉积法。
11.根据权利要求1所述的集水器，其特征在于，所述集液槽(3)为中间凹陷的沟槽结构。
12.权利要求1所述的集水器在集水方面的应用，其特征在于，湿空气按照湿空气流动方向(6)流经集水器，首先通过防护罩(4)，然后与梯度孔径亲水多孔泡沫(1)表面接触，在亲水表面的作用下，湿空气中的雾气发生冷凝，形成的冷凝液(7)在梯度孔径亲水多孔泡沫(1)的作用下被吸入孔隙内，并在梯度孔径亲水多孔泡沫(1)的末端汇聚，受疏水多孔泡沫(2)的排斥作用，冷凝液(7)从孔隙处滴落，并汇集于集液槽(3)。
13.权利要求2-5任一项所述的集水器在集水方面的应用，其特征在于，在风扇(8)抽离空气的强制对流下，湿空气沿湿空气流动方向(6)从环境侧进入集水器，首先通过防护罩(4)，然后与梯度孔径亲水多孔泡沫(1)表面接触，在亲水表面的作用下，湿空气中的雾气发生冷凝，形成的冷凝液(7)在梯度孔径亲水多孔泡沫(1)的作用及风扇(8)的抽吸下被吸入孔隙内，并在梯度孔径亲水多孔泡沫(1)的末端汇聚；受疏水多孔泡沫(2)的阻挡及重力作用，冷凝液(7)从孔隙处滴落，并汇集于集液槽(3)，最终通过出水口(9)排出；失去雾气而形成的干空气则直接通过疏水多孔泡沫(2)并被风扇(8)抽走。
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