CN115404948A - 一种基于金属有机框架材料的仿生集水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及淡水收集技术领域，公开了一种基于金属有机框架材料的仿生集水装置，其包括：集水系统，包括吸附室、吸附板和集水箱，吸附室设有可分别开闭的进气口和排气口，吸附室的底部设有集水槽，吸附板竖立设置在吸附室内，吸附板包括仿生层和吸附层，仿生层的至少一面上设有成叶脉状分布，并向吸附板的下端汇聚的引流槽，引流槽的内侧壁疏水处理设置，引流槽的下端与集水槽连通，吸附层对应仿生层设有引流槽的一面，贴设在仿生层外，吸附层由金属有机框架材料成型制成；集水箱设置在吸附室外，并与集水槽连通。其能够降低集水过程中的能量消耗。
Description
技术领域
本发明涉及淡水收集技术领域，具体涉及一种基于金属有机框架材料的仿生集水装置。
背景技术
随着全球人口数量的增加，缺水问题在全球范围内逐渐表现出来，尤其在沙漠的极端环境下，用水问题严重影响着人们的生活，并且对沙漠治理中植物的灌溉也带来困难。大气中含有大量的水分，实际上，以塔克拉玛干沙漠为例，夜晚的相对湿度可以达到40％～70％，如果将这部分水分捕集下来，将会极大的缓解用水问题。
为了将空气中的水分捕集下来，可通过三种不同的过程来实现，(1)将空气冷却到露点以下；(2)用大网收集雾；(3)吸附剂辅助捕集水。在第一种集水方式中，露点和环境温度则是关键因素，往往需要外界能量的输入以帮助湿空气降到露点以下获得水。第二种取水方式严重依赖于雾的出现频率，对地区条件要求高，第三种集水技术通过干燥剂吸收水分，然后通过变压挥着加热释放吸附剂中的水蒸气，最后通过冷凝器将浓缩的水蒸气凝结，相比于第一种方式所需的能耗更低。金属有机框材料由于具有高的孔隙率、比表面积大、再生温度低等优势，且水分子吸附上具有很好的效果，而且由于自身的多孔且体积大，对水分子有较高的束缚能力。因而在集水领域也用很多应用，如：专利CN112012273A一种基于多功能MOF(Metal-OrganicFrameworks,金属有机框架(材料))材料的新型智能集/取水装置，其利用了MOF材料的吸水性进行水分的捕集。如：专利CN112739875A有源大气水分收集器中利用MOF材料通过吸附模式和再生模式实现水的收集。
尽管MOF材料的使用在降低能耗的同时也提高水分收集效率。但是始终脱离不了能量的输入，若能将仿生集水的技术与MOF材料结合，即可进一步的降低水分捕集的能耗问题。如：专利CN112111751A一种集水产氢装置及方法中，涉及了仿生结构的设计，但是也仅仅是铜网与PS基本的仿生集水。如：专利CN111236360A一种汇聚空气水成分的自动取水系统中，其整体结构上采用了仿生学，但是其水分捕集的主结构：集水片所采用的材料不涉及MOF材料，吸水柱采用MOF材料制成，其属于积水装置，作为的液态水的收集。并非是将MOF材料直接构造成仿生集水结构。
因此，为了将空气中的水分捕集下来，有必要设计一种新集水装置。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于金属有机框架材料的仿生集水装置。通过金属有机框架材料的吸水性和疏水材料构建导水通路的结合，以实现液态水收集，降低集水过程中的能量消耗。
为达上述目的，本发明的基于金属有机框架材料的仿生集水装置包括集水系统，所述集水系统包括吸附室、吸附板和集水箱，所述吸附室设有可分别开闭的进气口和排气口，所述吸附室的底部设有集水槽，所述吸附板竖立设置在所述吸附室内，所述吸附板包括仿生层和吸附层，所述仿生层的至少一面上设有成叶脉状分布，并向所述吸附板的下端汇聚的引流槽，所述引流槽的内侧壁疏水处理设置，所述引流槽的下端与所述集水槽连通，所述吸附层对应所述仿生层设有所述引流槽的一面，贴设在所述仿生层外，所述吸附层由金属有机框架材料成型制成；所述集水箱设置在所述吸附室外，并与所述集水槽连通。
使用时，在夜晚同时打开进气口和排气口，外部的空气通过进气口送入吸附室，空气与吸附层接触，由金属有机框架材料吸附空气内的水分，水分在金属有机框架材料的空隙内毛细凝聚，随着凝聚的水量增加，水分逐渐汇集到吸附层与仿生层的引流槽的结合面处，当水分进一步汇集到一定的程度，则会形成水滴，随着水滴的增大，在重力和引流槽疏水内壁的作用下，水滴被输送到集水槽形成液态水，然后流入集水箱储存。引流槽疏水内壁促进了水滴向集水槽流动，不需要额外输入能力促进水滴汇聚，降低了集水过程中的能量消耗。
在其中一个实施例中，所述引流槽的各分支对应仙人球刺的形状设置，所述引流槽的内壁能使水滴受到，从远离所述引流槽与所述集水槽的连接处的一端，向靠近所述引流槽与所述集水槽的连接处的一端，拉普拉斯压差作用力。
水滴在引流槽上流动时引流槽使水滴在流动过程中同时受到拉普拉斯压差作用力作用，增加水滴向集水槽汇聚流动速度，使水滴更快的流入集水槽。
在其中一个实施例中，所述仿生层的两面分别设有所述引流槽，所述吸附层分别对应设置在所述仿生层的两面上。
仿生层的两面分别设置吸附层增大吸附层的总面积，提高仿生层的利用率。
在其中一个实施例中，所述吸附板平行间隔设置为多组，所述吸附室底部还设有导水斜槽，所述导水斜槽沿所述吸附板的分布方向向下倾斜设置，且所述导水斜槽与各所述吸附板的所述引流槽的下端连通，所述集水槽设于所述导水斜槽的下端，并与所述导水斜槽连通。
吸附板平行间隔设置使吸附层与进入吸附室内空气的充分接触，充分吸附空气内的水分，提高装置的集水效率。
在其中一个实施例中，所述吸附室由透明亲水材料制成。
吸附室采用透明亲水材料，以便于白天太阳对吸附板结构加热，解吸金属有机框架材料内部吸附的水分，水分汽化后在吸附室的内壁上凝聚，然后经集水槽流入集水箱，提高集水率；同时也有利于提高金属有机框架材料在夜晚捕集水分的效果。
在其中一个实施例中，所述吸附层上还分散掺杂设有，导热系数大于所述金属有机框架材料的导热系数的导热颗粒。
导热颗粒加快吸附层传递、吸收热量，使吸附层升温更快，加快金属有机框架材料内吸附的水分的解吸速度。
在其中一个实施例中，所述吸附室的内壁上设有成叶脉状分布的辅助引流槽，辅助引流槽向所述吸附室的底部汇聚设置，所述辅助引流槽的内侧壁疏水处理设置，所述辅助引流槽的下端与所述集水槽连通。
辅助引流槽对吸附室内壁上的水滴进行汇聚引流，提高集水效率。
在其中一个实施例中，所述金属有机框架材料为MOF-808或MOF-801或MOF-1中的一种或几种。
在其中一个实施例中的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，还包括送风系统，所述送风系统用于将外部空气送入所述进气口。
在其中一个实施例中，所述送风系统包括送风机，所述送风机的出风口通过横截面逐渐增大的扩口管与所述进气口连接。
扩口管对流入进气口的空气进行分散，避免空气集中流向部分吸附板，使吸附板充分吸收空气中的水分。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一实施例提供的基于金属有机框架材料的仿生集水装置的结构示意图；
图2为图1所示的吸附板的立体结构示意图；
图3为图1所示的吸附板在吸附室内的排布结构示意图；
附图标记：
1-集水系统，11-吸附室，111-进气口，112-排气口，113-进气阀，114-排气阀，12-集水槽，13-吸附板，131-仿生层，132-引流槽，133-吸附层，14-集水箱，15-基座，151-导水斜槽；
2-送风系统，21-送风机，22-扩口管，23-供电装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
需要理解的是，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1至图3，一实施方式中的基于金属有机框架材料的仿生集水装置包括：集水系统1，集水系统1包括吸附室11、吸附板13和集水箱14，其能够通过金属有机框架材料的吸水性和疏水材料构建导水通路的结合，实现液态水收集，降低集水过程中的能量消耗。
具体的，吸附室11设有可分别开闭的进气口111和排气口112。吸附室11的底部设有集水槽12。一实施方式中，进气口111和排气口112处分别对应设有进气阀113和排气阀114。进气阀113用于控制进气口111开闭，排气阀114用于控制排气口112开闭。进气阀113和排气阀114可以采用闸门板阀或现有技术中的其他阀结构。集水槽12用于收集吸附室11内的液态水。一实施方式中，进气口111和排气口112分别设置在吸附室11的相对的两面上。
吸附板13竖立设置在吸附室11内。吸附板13包括仿生层131和吸附层133。仿生层131的至少一面上设有成叶脉状分布，并向吸附板13的下端汇聚的引流槽132。引流槽132的内侧壁疏水处理设置，引流槽132的下端与集水槽12连通。吸附层133对应仿生层131设有引流槽132的一面，贴设在仿生层131外。吸附层133由金属有机框架材料成型制成。集水箱14设置在吸附室11外，并与集水槽12连通。具体的，引流槽132的内侧壁采用疏水或超疏水材料制成或设有疏水或超疏水涂层。疏水材料可以采用通过电化学沉积有纳米乳突结构的镀银层或基于荷叶效应制备超疏水材料等。引流槽132对应吸附层133分布设置在仿生层131上。集水箱14设置在引流槽132下方，引流槽132内的液态水能够自动流入集水箱14内。一实施方式中，金属有机框架材料为MOF-808或MOF-801或MOF-1中的一种或几种。金属有机框架材料可以利用粘结剂等通过模板法成型。
仿生集水装置使用时，在夜晚同时打开进气口111和排气口112，外部的空气通过进气口111送入吸附室11，空气与吸附层133接触，由金属有机框架材料吸附空气内的水分，水分在金属有机框架材料的空隙内毛细凝聚，随着凝聚的水量增加，水分逐渐汇集到吸附层133与仿生层131的引流槽132的结合面处，当水分进一步汇集到一定的程度，则会形成水滴，随着水滴的增大，在重力和引流槽132疏水内壁的作用下，水滴被输送到集水槽12形成液态水，然后流入集水箱14储存。引流槽132疏水内壁促进了水滴向集水槽12流动，不需要额外输入能力促进水滴汇聚，降低了集水过程中的能量消耗。
一实施方式中的仿生集水装置还包括送风系统2。送风系统2用于将外部空气送入进气口111。具体的，送风系统2包括送风机21。送风机21的出风口与吸附室11的进气口111连接。送风机21可以为鼓风机、引风机或风扇等装置。送风机21通过供电装置23供电。供电装置23可以是输电线路或发电机，包括但不限于太阳能发电机、柴油发电机或蓄电池等。一实施方式中，送风机21的出风口通过横截面逐渐增大的扩口管22与进气口111连接。扩口管22对流入进气口111的空气进行分散，避免空气集中流向部分吸附板13，使吸附板13充分吸收空气中的水分。
一实施方式中，引流槽132的各分支对应仙人球刺的形状设置。引流槽132的内壁能使水滴受到，从远离引流槽132与集水槽12的连接处的一端，向靠近引流槽132与集水槽12的连接处的一端，拉普拉斯压差作用力。具体的，引流槽132的各分支从远离引流槽132与集水槽12的连接处的一端，向靠近引流槽132与集水槽12的连接处的一端，成横截面半径连续增大的圆锥形结构(可以是完整圆锥或不完整圆锥)。水滴在引流槽132上流动时引流槽132使水滴在流动过程中同时受到拉普拉斯压差作用力作用，增加水滴向集水槽12汇聚流动速度，使水滴更快的流入集水槽12。一实施方式中，仿生层131的两面分别设有引流槽132。吸附层133分别对应设置在仿生层131的两面上。仿生层131的两面分别设置吸附层133增大吸附层133的总面积，提高仿生层131的利用率。
一实施方式中，吸附板13平行间隔设置为多组。吸附室11底部还设有导水斜槽151。导水斜槽151沿吸附板13的分布方向向下倾斜设置，且导水斜槽151与各吸附板13的引流槽132的下端连通。集水槽12设于导水斜槽151的下端，并与导水斜槽151连通。具体的，吸附板13的下方设有基座15，基座15设有上设有向下倾斜的安装面，吸附板13的底部安装在安装面上。导水斜槽151沿安装面的倾斜方向延伸并设置在安装面上。集水槽12设置在安装面的下端，并与各导水斜槽151连通。优选的，吸附板13的间隔为3mm～6mm。吸附板13平行间隔设置使吸附层133与进入吸附室11内空气的充分接触，充分吸附空气内的水分，提高装置的集水效率。
一实施方式中，吸附室11由透明亲水材料制成。包括但不限于聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸或玻璃等亲水材料。吸附室11采用透明亲水材料时，白天太阳能够对吸附板13结构加热，解吸金属有机框架材料内部吸附的水分，水分汽化后在吸附室11的内壁上凝聚，然后经集水槽12流入集水箱14，提高集水率，同时也有利于提高金属有机框架材料在夜晚捕集水分的效果。进一步的，吸附层133上还分散掺杂设有，导热系数大于金属有机框架材料的导热系数的导热颗粒。导热颗粒加快吸附层133传递、吸收热量，使吸附层133升温更快，加快金属有机框架材料内吸附的水分的解吸速度。具体的，导热颗粒可以选用导热性能好的金属微粒，金纳米粒子、银纳米粒子、铜纳米粒子等。一实施方式中，吸附室11的内壁上设有成叶脉状分布的辅助引流槽(图未示)。辅助引流槽向吸附室11的底部汇聚设置。辅助引流槽的内侧壁疏水处理设置，辅助引流槽的下端与集水槽12连通。辅助引流槽的结构参考引流槽132的结构设置。辅助引流槽对吸附室11内壁上的水滴进行汇聚引流，提高集水效率。
根据上述实施方式中的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，使用时，在夜晚同时打开进气阀113和排气阀114，送风系统2通过进气口111将外部空气送入吸附室11，空气与吸附层133接触，由金属有机框架材料吸附空气内的水分，水分在金属有机框架材料的空隙内毛细凝聚，随着凝聚的水量增加，水分逐渐汇集到吸附层133与仿生层131的引流槽132的结合面处，当水分进一步汇集到一定的程度，则会形成水滴，随着水滴的增大，在重力和引流槽132疏水内壁的作用下，水滴被输送到集水槽12形成液态水，然后流入集水箱14储存。引流槽132疏水内壁促进了水滴向集水槽12流动，不需要额外输入能力促进水滴汇聚，降低了集水过程中的能量消耗。白天时，关闭进气阀113和排气阀114，吸附层133随着太阳照射温度升高，金属有机框架材料的温度上升，使金属有机框架材料内的水分解析出来，并最终流入集水箱14。提高了集水率和金属有机框架材料在晚捕集水分的效果。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种基于金属有机框架材料的仿生集水装置，其特征在于，包括集水系统，所述集水系统包括吸附室、吸附板和集水箱，所述吸附室设有可分别开闭的进气口和排气口，所述吸附室的底部设有集水槽，所述吸附板竖立设置在所述吸附室内，所述吸附板包括仿生层和吸附层，所述仿生层的至少一面上设有成叶脉状分布，并向所述吸附板的下端汇聚的引流槽，所述引流槽的内侧壁疏水处理设置，所述引流槽的下端与所述集水槽连通，所述吸附层对应所述仿生层设有所述引流槽的一面，贴设在所述仿生层外，所述吸附层由金属有机框架材料成型制成；所述集水箱设置在所述吸附室外，并与所述集水槽连通。
2.根据权利要求1所述的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，其特征在于，所述引流槽的各分支对应仙人球刺的形状设置，所述引流槽的内壁能使水滴受到，从远离所述引流槽与所述集水槽的连接处的一端，向靠近所述引流槽与所述集水槽的连接处的一端，拉普拉斯压差作用力。
3.根据权利要求1所述的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，其特征在于，所述仿生层的两面分别设有所述引流槽，所述吸附层分别对应设置在所述仿生层的两面上。
4.根据权利要求3所述的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，其特征在于，所述吸附板平行间隔设置为多组，所述吸附室底部还设有导水斜槽，所述导水斜槽沿所述吸附板的分布方向向下倾斜设置，且所述导水斜槽与各所述吸附板的所述引流槽的下端连通，所述集水槽设于所述导水斜槽的下端，并与所述导水斜槽连通。
5.根据权利要求1所述的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，其特征在于，所述吸附室由透明亲水材料制成。
6.根据权利要求5所述的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，其特征在于，所述吸附层上还分散掺杂设有，导热系数大于所述金属有机框架材料的导热系数的导热颗粒。
7.根据权利要求5所述的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，其特征在于，所述吸附室的内壁上设有成叶脉状分布的辅助引流槽，辅助引流槽向所述吸附室的底部汇聚设置，所述辅助引流槽的内侧壁疏水处理设置，所述辅助引流槽的下端与所述集水槽连通。
8.根据权利要求1所述的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，所述金属有机框架材料为MOF-808或MOF-801或MOF-1中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，其特征在于，还包括送风系统，所述送风系统用于将外部空气送入所述进气口。
10.根据权利要求9所述的基于金属有机框架材料的仿生集水装置，其特征在于，所述送风系统包括送风机，所述送风机的出风口通过横截面逐渐增大的扩口管与所述进气口连接。
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