CN106223405A - 一种高效收集雾气的多段锥形铜丝及其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效收集雾气的多段锥形铜丝及其制备方法及应用。多段锥形铜丝共有2～10段，每段锥形铜丝的长度为5～15mm圆锥角度为1～10°，每一段锥形铜丝为下大上小的锥形结构，多段铜丝依次连接，每一段铜丝底部的直径为0.3～1mm。本发明同时应用外加隔离保护法与梯度电化学腐蚀法来制备多段锥形铜丝，应用所述的多段锥形铜丝进行雾气收集，在重力与多段锥形结构形成的拉普拉斯力的共同作用下，能高效长距离地运输雾气集聚在铜丝上的小液滴，使得铜丝表面更新速率增强，从而大大提高了雾气的收集速率。

Description

一种高效收集雾气的多段锥形铜丝及其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及雾气收集，特别涉及到一种高效收集雾气的多段锥形铜丝及其制备方法及应用，属于化学仿生技术领域。
背景技术
水是地球上一切生物赖以生存的资源，但水资源危机已成为世界性难题。虽然地球上的水数量巨大，但是淡水资源只占总水量的2.5％。其中87％的淡水资源分布在南极、北极、高山冰川及永冻积雪中，所以可供人类直接生产与生活利用的淡水资源占全球总水量的0.26％。同时由于水资源分布不均以及人类的生产活动对水资源造成的污染，使得人们可以利用的淡水资源更加匮乏。
雾气分布在全球的每一个区域，包括降水量极少的沙漠地带。近年来，大家对自然界中生物利用自身结构来收集雾气以维持生存进行了深入地研究，并且仿造自然界生物的身体结构来制备雾气收集装置。文献ACS.Applied.Materials.Interfaces.2014,6,8032-8041.报道了利用气相法在长度约为1mm的氧化锌锥形针刺上生长出长度约为0.1mm的锥形氧化锌微米簇，使得其收集雾气的效率是仙人掌针刺收集效率的1.4～5倍。文献Advanced.Functional.Materials.2014,24,3235-3240.报道了利用磁性粒子聚集形成高度约为1.7mm的阵列锥形针刺，在利用裹贴法将聚合物溶液涂在针刺表面，成功制备出仿仙人掌模型的雾气收集装置，相应提高了雾气收集效率。但文献中制备所得的针刺长度非常短，在收集过程中，雾气在针刺上集聚形成的较大体积水滴极易将针刺完全覆盖，从而使得针刺表面更新速率变小，导致雾气收集效率降低。所以，本领域急需寻找一种能够实现针刺表面快速更新制备方法，从而实现雾气的高效率收集。
发明内容
针对现有技术中由于雾气在针刺上集聚的液滴极易将针刺完全覆盖，进而导致针刺表面更新速率慢，雾气收集效率低的缺陷，本发明的目的在于提供一种高效收集雾气的多段锥形铜丝及其制备方法及应用。
本发明利用重力与多段锥形结构形成的拉普拉斯力的共同作用来长距离运输雾气集聚在铜丝上的液滴，从而使得铜丝表面更新速率增大，实现雾气的高效收集。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种高效收集雾气的多段锥形铜丝，所述的多段锥形铜丝共有2～10段，每段锥形铜丝的长度为5～15mm，圆锥角度为1～10°，每一段锥形铜丝为下大上小的锥形结构，多段铜丝依次连接，每一段铜丝底部的直径为0.3～1mm。
所述高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备方法，包括如下步骤：
1)取一根洁净的铜丝，均匀标记为多段，将铜丝的第一段暴露在空气中，铜丝的余下部分插入固态胶中形成保护层，然后将铜丝第一段朝上竖直放入装有电解液的电解槽中，使铜丝第一段完全浸入电解液中，以铜丝为阳极，石墨为阴极进行电解；电解过程中同时用微量注射泵以向外抽取电解液，当电解液液面低于固态胶的上端面时停止抽取和电解，此时便得到了第一段锥形铜丝；
2)将经步骤1)处理后的铜丝第二段从固态胶中抽出，余下部分仍用固态胶保护；将铜丝再次竖直放入电解槽中，电解液的液面恰好处于第一段铜丝与第二段铜丝的结汇处；
3)重复步骤1)电解过程，得到第二段锥形铜丝；
4)重复步骤2)和步骤3)，得到多段锥形铜丝。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述的铜丝为紫铜丝。
优选地，所述固态胶为天然橡胶或合成橡胶。
优选地，所述的电解液的浓度为0.1～5mol/L。
优选地，所述电解液为盐酸溶液或氢氧化钠溶液。
优选地，所述电解为恒电压电解，电压为1～30V。
优选地，所述微量注射泵的抽取速率为1～10mm/min。
优选地，所述洁净铜丝是将铜丝依次用盐酸溶液、无水乙醇、蒸馏水在超声震荡中各清洗得到。
所述的多段锥形铜丝在高效收集雾气中的应用：多段锥形铜丝在雾气下收集水滴，雾气集聚在铜丝上的小液滴在多段锥形结构形成的拉普拉斯力的作用下被运输到铜丝根部，提高了液滴在铜丝表面更新速率，实现了雾气的高效收集。
相对于现有技术，本发明具有的优点在于：
1)本发明提供的一种高效收集雾气的多段锥形铜丝利用重力与多段锥形结构形成的拉普拉斯力共同作用下，能高效长距离地运输液滴，使得铜丝表面更新速率增大，实现了雾气的高效收集。
2)本发明提供的一种高效收集雾气的多段锥形铜丝原材料易得，制备过程简单，可操作性强，对环境无危害。
附图说明
图1是本发明一种高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备方法的原理示意图。
图2是本发明实施例1制备得到的高效收集雾气的多段锥形铜丝的结构示意图。
图3是实施例2制备得到的三段锥形铜丝上液滴移动距离的光学示意图。
图4是实施例2制备得到的三段锥形铜丝在雾气收集过程中的光学示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，但实施例并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备原料参见图1。如图1所示，取一根洁净的铜丝1，均匀标记为多段，将铜丝1的第一段暴露在空气中，铜丝1的余下部分插入固态胶3中形成保护层，然后将铜丝1第一段朝上竖直放入装有适量电解液5的电解槽2中，使铜丝1的第一段完全浸入在电解液5中，以铜丝1为阳极，石墨4为阴极进行电解。电解过程中同时用微量注射泵6以一定的速率向外抽取电解液5，当电解液液面略低于固态胶的上端面时停止抽取和电解，此时便得到了第一段锥形铜丝。然后将铜丝第二段从固态胶3中抽取出来，余下部分仍用固态胶3保护起来。将铜丝再次竖直放入电解槽中，电解液5的液面恰好处于第一段铜丝与第二段铜丝的结汇处，重复上述电解过程便可得到第二段锥形铜丝。重复以上步骤，便可得到多段锥形铜丝。
本发明高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备过程参见下面实施例。
实施例1
取一根长度为10mm、直径为0.46mm的紫铜丝，分别用2mol/L的盐酸溶液、无水乙醇、蒸馏水在超声震荡中各清洗铜丝3min，得到洁净铜丝。将铜丝均匀标记为2段，铜丝的第二段完全插入合成橡胶中以被保护起来。然后将铜丝第一段朝上竖直放入装有浓度为2mol/L氢氧化钠溶液的电解槽中，铜丝的第一段完全浸入在氢氧化钠溶液中，以铜丝为阳极，石墨为阴极进行电解，电解电压恒为20V。电解过程中用微量注射泵以1mm/min的速率向外抽取电解液，当电解液液面略低于固态胶的上端面时停止抽取和电解，此时便得到了第一段锥形铜丝。然后将铜丝的第二段从合成橡胶中抽取出来，将铜丝再次竖直放入电解槽中，电解液的液面恰好处于第一段铜丝与第二段铜丝的结汇处，电解过程中微量注射泵以同样的速率向外抽取电解液，抽取结束时，便得到二段锥形铜丝。得到的高效收集雾气的多段锥形铜丝的结构如图2所示多段锥形铜丝共有2段，每段锥形铜丝的长度为5mm，圆锥角度为5°，每一段锥形铜丝为下大上小的锥形结构，两段铜丝依次连接，每一段铜丝底部的直径为0.46mm。
对上述制备得到的二段锥形铜丝进行液滴移动距离与雾气收集速率的测试。结果显示，2ml体积的液滴在二段锥形铜丝上的移动距离是9.2mm，是2ml液滴在同样反应条件下得到的单段锥形铜丝上移动距离的1.8倍。在雾气流速为0.8m/s的条件下，二段锥形铜丝的雾气收集速率为0.39μL/min，是单段锥形铜丝的雾气收集速率的2.2倍。
实施例2
取一根长度为18mm、直径为0.5mm的紫铜丝，分别用2mol/L的盐酸溶液、无水乙醇、蒸馏水在超声震荡中各清洗铜丝3min，得到洁净铜丝。将铜丝均匀标记为3段，铜丝的第二、三段部分完全插入合成橡胶中以被保护起来。然后将铜丝第一段朝上竖直放入装有浓度为1mol/L盐酸溶液的电解槽中，铜丝的第一段完全浸入在盐酸溶液中，以铜丝为阳极，石墨为阴极进行电解，电解电压恒为10V。电解过程中用微量注射泵以0.5mm/min的速率向外抽取电解液，当电解液液面略低于固态胶的上端面时停止抽取和电解，此时便得到了第一段锥形铜丝。然后将铜丝的第二段从合成橡胶中抽出，铜丝的第三段仍完全插入合成橡胶中以被保护起来，将铜丝再次竖直放入电解槽中，电解液的液面恰好处于第一段铜丝与第二段铜丝的结汇处，电解过程中微量注射泵以同样的速率向外抽取电解液，当电解液液面略低于固态胶的上端面时停止抽取和电解，便得到第二段锥形铜丝。然后将铜丝的第三段从合成橡胶中抽取出来，将铜丝再次竖直放入电解槽中，电解液的液面恰好处于第二段铜丝与第三段铜丝的结汇处，电解过程中微量注射泵以同样的速率向外抽取电解液，抽取结束时，便得到三段锥形铜丝。三段锥形铜丝的长度为6mm，圆锥角度为4°，每一段锥形铜丝为下大上小的锥形结构，两段铜丝依次连接，每一段铜丝底部的直径为0.5mm。
将制备得到的三段锥形铜丝朝上竖直固定，用微量进样器在第一段铜丝尖端处滴加2ml的液滴，液滴在重力及铜丝锥形结构形成的拉普拉斯力的共同作用下沿着铜丝向下移动，直至移动到第三段锥形铜丝根部停止。用工业高速照相机连续记录整个实验过程，便得到如图3所示的三段锥形铜丝上液滴移动距离的光学示意图。
将制备得到的三段锥形铜丝朝上竖直固定，并置于雾气环境中。雾气中的小水滴在接触到铜丝时，会不断在铜丝上凝聚，进而形成大水滴。当水滴的体积足够大时，水滴便会在重力与铜丝锥形结构形成的拉普拉斯力的共同作用下沿着铜丝向下移动，在移动过程中，液滴会不断融合下面的液滴一起沿着铜丝向下移动。用工业高速照相机连续记录整个实验过程，便得到如图4所示的三段锥形铜丝在雾气收集过程中的光学示意图。
对上述制备得到的三段锥形铜丝进行液滴移动距离与雾气收集速率的测试。结果显示，2ml体积的液滴在三段锥形铜丝上的移动距离是13.6mm，是2ml液滴在同样反应条件下得到的单段锥形铜丝上移动距离的2.7倍。在雾气流速为0.8m/s的条件下，三段锥形铜丝的雾气收集速率为0.74μL/min，是单段锥形铜丝的雾气收集速率的4.2倍。

Claims (10)

1.一种高效收集雾气的多段锥形铜丝，其特征在于，所述的多段锥形铜丝共有2～10段，每段锥形铜丝的长度为5～15mm，圆锥角度为1～10°，每一段锥形铜丝为下大上小的锥形结构，多段铜丝依次连接，每一段铜丝底部的直径为0.3～1mm。
2.权利要求1所述高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)取一根洁净的铜丝，均匀标记为多段，将铜丝的第一段暴露在空气中，铜丝的余下部分插入固态胶中形成保护层，然后将铜丝第一段朝上竖直放入装有电解液的电解槽中，使铜丝第一段完全浸入电解液中，以铜丝为阳极，石墨为阴极进行电解；电解过程中同时用微量注射泵以向外抽取电解液，当电解液液面低于固态胶的上端面时停止抽取和电解，此时便得到了第一段锥形铜丝；
2)将经步骤1)处理后的铜丝第二段从固态胶中抽出，余下部分仍用固态胶保护；将铜丝再次竖直放入电解槽中，电解液的液面恰好处于第一段铜丝与第二段铜丝的结汇处；
3)重复步骤1)电解过程，得到第二段锥形铜丝；
4)重复步骤2)和步骤3)，得到多段锥形铜丝。
3.根据权利要求2所述的高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备方法，其特征在于：所述的铜丝为紫铜丝。
4.根据权利要求2所述的高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备方法，其特征在于：所述固态胶为天然橡胶或合成橡胶。
5.根据权利要求2所述的高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备方法，其特征在于：所述的电解液的浓度为0.1～5mol/L。
6.根据权利要求5所述的高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备方法，其特征在于：所述电解液为盐酸溶液或氢氧化钠溶液。
7.根据权利要求2所述的高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备方法，其特征在于：所述电解为恒电压电解，电压为1～30V。
8.根据权利要求2所述的高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备方法，其特征在于：所述微量注射泵的抽取速率为1～10mm/min。
9.根据权利要求2所述的高效收集雾气的多段锥形铜丝的制备方法，其特征在于：所述洁净铜丝是将铜丝依次用盐酸溶液、无水乙醇、蒸馏水在超声震荡中各清洗得到。
10.根据权利要求1所述的多段锥形铜丝在高效收集雾气中的应用，其特征在于：多段锥形铜丝在雾气下收集水滴，雾气集聚在铜丝上的小液滴在多段锥形结构形成的拉普拉斯力的作用下被运输到铜丝根部，提高了液滴在铜丝表面更新速率，实现了雾气的高效收集。
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