一種基于PDMS的微型空氣取水裝置研究*

王貝貝，李 爻，李松晶

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體控制及自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

在干旱或不易于獲得淡水的地區(qū)，直接從空氣中生成淡水是獲得淡水資源的重要手段之一。現(xiàn)有的空氣取水裝置可以分為兩種類型［1］:冷卻結(jié)露式［2-3］和吸附解吸式［4-5］。

加拿大不列顛哥倫比亞省基隆拿Element Four 公司生產(chǎn)的一種新型冷卻結(jié)露式家用空氣取水機(jī)“水磨”可以從戶外空氣中轉(zhuǎn)換出一定量淡水資源。但由于冷卻結(jié)露式空氣取水裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積龐大，只適用于日常應(yīng)用中的固定取水場合，并且冷卻結(jié)露式取水裝置的取水效率以及產(chǎn)水量的都受到一定限制，其發(fā)展遠(yuǎn)不如吸附解吸式。Hu 等人設(shè)計(jì)了一種基于PDMS 和微觀親水金屬球的吸附解吸式空氣取水裝置，實(shí)驗(yàn)表明在金屬球表面能夠生成大量的小水滴。聚二甲基硅氧烷PDMS 是一種有著彈性、透明、靈活的表面化學(xué)性質(zhì)，低滲水率和高導(dǎo)電性等優(yōu)異物化特性的柔和聚合物［6］。

本研究在PDMS 應(yīng)用的基礎(chǔ)上，采用吸附效果更佳的吸附材料，設(shè)計(jì)一種微型便攜式取水裝置，適用于野外生存和緊急救生等場合。

1 空氣取水裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

本研究所設(shè)計(jì)微型空氣取水裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。裝置包括:微流道膜，吸濕材料，平膜，PI 電熱膜，單向閥，收集槽以及電源等幾部分。裝置中微流道膜由PDMS 制成，包含有空腔和微流道。

圖1 空氣取水裝置的結(jié)構(gòu)圖

吸濕材料選用有機(jī)高分子類吸濕材料，并對(duì)其中的分子篩、硅膠和氧化鋁3 種材料的吸濕性能進(jìn)行了測試如圖2 所示。經(jīng)過比較得出，硅膠是目前研究的吸附劑中最適宜應(yīng)用于吸附解吸式空氣取水的吸濕材料。水蒸汽在微流道膜上的微流道內(nèi)冷凝成水滴，并沿著微流道流出。平膜由PDMS 薄膜材料加工而成，用來與微流道膜形成密閉的空腔并使吸濕材料能夠從空氣中吸收水。PI 電熱膜(6 000 W/m2)用來在解吸附過程中加熱硅膠。單向閥用來限制水和空氣的流動(dòng)方向。

圖2 分子篩、硅膠和氧化鋁吸濕性能比較

1．1 吸濕材料

本研究所采用的吸濕材料為硅膠，是一種結(jié)構(gòu)仿似硬海綿的高度多孔固體吸附材料。

硅膠的表面如圖3 所示。

圖3 硅膠的表面

它具有由無數(shù)微尺度孔洞形成的巨大內(nèi)表面積和一個(gè)能夠提供連接內(nèi)部微尺度孔洞與材料外表面通道的毛細(xì)管道系統(tǒng)。

硅膠的吸附特性可以從圖2 中得出。吸水量在相對(duì)濕度到達(dá)60%以前基本隨其線性增加，之后吸水量緩慢增長直到相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)保持穩(wěn)定在40%左右。在絕大多數(shù)非干旱情況下大氣相對(duì)濕度在30%～100%之間，這說明硅膠在例如大氣這樣的環(huán)境中具有相對(duì)優(yōu)良的吸水性能。

當(dāng)具有較高相對(duì)濕度的氣流經(jīng)過硅膠時(shí)，水汽將被硅膠從氣流中吸收。但是當(dāng)硅膠被加熱時(shí)，水分將從硅膠中解吸附出來并匯入氣流中。當(dāng)硅膠被加熱到373．15 K 時(shí)所含水的質(zhì)量將小于3%。［7］在正常情況下了，硅膠不能完成其他物質(zhì)的吸附和解吸附轉(zhuǎn)化，故而溶于水的物質(zhì)將不能存在于被吸附的水中，并且將會(huì)在解吸附時(shí)被排除掉。這些性質(zhì)使得硅膠成為可以提供直接飲用淡水空氣取水裝置的合適材料。

1．2 PDMS

PDMS 是一種有著彈性、透明、靈活的表面化學(xué)性質(zhì)，低滲水率和高導(dǎo)電性等優(yōu)異物化特性的柔和聚合物。PDMS 的性能使其成為微型化多層微流道系統(tǒng)和生物學(xué)研究的理想平臺(tái)。單層和多層的微流道系統(tǒng)都是直接由PDMS 合成而來的，需要設(shè)施包括攪拌器，氣動(dòng)開關(guān)和閥，以及光學(xué)元件。生物學(xué)上基于PDMS 的微型設(shè)備用途包括免疫分析，蛋白質(zhì)和DNA 的分離以及細(xì)胞的分類和操縱［8］。由于本身的黏附性較好，刻有微結(jié)構(gòu)的PDMS 基片可以與同種材質(zhì)或多種不同材質(zhì)的蓋片例如硅、玻璃，實(shí)現(xiàn)可逆或不可逆封接;固態(tài)PDMS 透明性好而能與其他微流體檢測裝置想兼容，便于肉眼觀測;因?yàn)槠錈o毒，透氣性高、生物兼容性好，制作工藝簡單、材料及加工成本低，可批量生產(chǎn)，而適用于本空氣取水裝置。

1．3 工作原理

裝置工作原理、空氣取水裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4、圖5 所示。

圖4 工作原理

在吸附階段，氣流經(jīng)單向閥進(jìn)入空氣取水裝置中，氣流中的水蒸汽被硅膠吸收。在解吸附階段，硅膠被PI電熱膜加熱并釋放出水蒸汽。水蒸汽在微流道中被冷凝成液滴，同時(shí)由于熱空氣的膨脹，液滴被壓出流道［9］。

2 空氣取水裝置的仿真分析

為分析本研究空氣取水裝置的工作特性，筆者選擇用有限元分析方法對(duì)取水裝置的吸附和解吸附過程進(jìn)行仿真。本研究建立3D 模型并選用在中間橫截面(圖5 中的面A-A)上的液態(tài)水與水蒸汽的體積分?jǐn)?shù)作為分析變量。仿真分析結(jié)果如圖6 所示。在解吸附過程的最初25 s，吸附腔內(nèi)水蒸汽的體積分?jǐn)?shù)是增長的。之后從30 s～60 s，隨著水蒸汽逐漸在微流體管道中被冷凝成液滴，吸附腔內(nèi)水蒸汽體積分?jǐn)?shù)減少。整個(gè)解吸附過程中，在吸附腔內(nèi)的液態(tài)水體積分?jǐn)?shù)不斷減少而在微流道中液態(tài)水體積分?jǐn)?shù)則是一直增加的。

圖5 空氣取水裝置結(jié)構(gòu)圖

圖6 仿真分析結(jié)果

計(jì)算出口處液態(tài)水流速，并由式(1)可知，解吸附過程中空氣取水裝置的取水流量為0．027 5 g/min:

式中:qm—流量，g/min;ρ—密度，g/ml;vn—流速，mm/min;A—面積，mm2．

3 空氣取水裝置的試驗(yàn)

3．1 空氣取水裝置的制備

利用PDMS 材料的特性，本研究使用軟刻蝕技術(shù)對(duì)空氣取水裝置進(jìn)行加工，軟刻蝕技術(shù)簡圖如圖7 所示。另外一種常用的微流道系統(tǒng)加工辦法是多層堆積3D 打印技術(shù)［10-11］。

圖7 軟刻蝕技術(shù)簡圖

3．1．1 制模

獲取模具的一種常用方法是使用具有高分辨率的玻璃作為光掩膜的刻蝕技術(shù)。

3．1．2 刻蝕

利用軟印法進(jìn)行PDMS 微流控芯片的微加工過程是這樣的，首先是設(shè)計(jì)出PDMS 微流控芯片的結(jié)構(gòu)，其次是加工出符合設(shè)計(jì)要求的模具(Master)，然后是利用復(fù)模法得到上有微流道的PDMS 薄片，最后是封裝過程。PDMS 由固化劑和基體材料兩種成分合成得到。固化劑中的硅烷基與基體材料中的乙烯基發(fā)生反應(yīng)形成交聯(lián)的高彈性固體。利用復(fù)模法得到上有微流道的PDMS 薄片需要將固化劑和基體材料混合均勻后傾倒在模具面上。液體PDMS 預(yù)聚物能高精度(數(shù)10 nm)地刻蝕出模具的形狀。

3．1．3 封裝

PDMS 的一個(gè)優(yōu)良特性是其具有可逆或不可逆的與自身或其他表面密封的特性。加工空氣取水裝置利用的是PDMS 不可逆密封性能。不可逆密封時(shí)應(yīng)當(dāng)將待密封的表面暴露在等離子清洗機(jī)中。兩表面必須在氧化后快速(＜1 min)接觸。

利用軟光刻技術(shù)加工出PDMS 材料的平膜，框架和微流道并在其上打一個(gè)用來安裝單向閥的直徑3 mm的孔。本研究將直徑大約2 mm 的硅膠顆粒放入框架中的吸附腔內(nèi)并用薄膜將微流道和框架結(jié)構(gòu)不可逆密封，安裝單向閥并在其周圍涂抹PDMS將其固定，將兩片PI 電熱膜封裝到取水裝置的兩側(cè)，完成封裝。

3．2 空氣取水裝置的實(shí)驗(yàn)測試

空氣取水裝置的實(shí)驗(yàn)測試如圖8 所示。外部電源對(duì)PI 電熱膜供電，使得空氣取水裝置的工作環(huán)境溫度保持在80 ℃左右。在解析附開始階段，解吸附過程中總產(chǎn)水體積如圖9 所示，在收集管道中可觀測到凝結(jié)的水珠。解吸附過程持續(xù)大約10 min，取水量總體積略大于0．2 ml，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真的結(jié)果相一致。

圖8 裝置試樣在解吸附兩分鐘時(shí)產(chǎn)水效果

實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，裝置的密封性對(duì)實(shí)驗(yàn)的成功與否至關(guān)重要。如果裝置出現(xiàn)漏氣的情況，除了高濕度高壓水蒸氣會(huì)從該處流失以外，由于該處氣壓降低等原因，高溫水蒸汽會(huì)在該處成水珠，而不會(huì)按照設(shè)計(jì)通過在微流道中冷凝，移動(dòng)到收集裝置，對(duì)裝置的收集效率影響很大。

圖9 解吸附過程中總產(chǎn)水體積

4 結(jié)束語

基于新型材料PDMS 本研究設(shè)計(jì)了一種吸附解析式微型空氣取水裝置，并對(duì)該空氣取水裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)描述。利用有限元分析方法仿真了該裝置的工作過程及取水效率，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明，空氣取水裝置能夠在10 min 的解析附過程中收集淡水約0．2 ml，與有限元理論分析結(jié)果0．027 5 g/min 相一致。由于測量條件的限制，無法對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中取水速率進(jìn)行測量。對(duì)于實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與理論分析的誤差分析，一方面是實(shí)驗(yàn)測試的不精確;另一方面，在實(shí)驗(yàn)過程中裝置密封性對(duì)取水效率有較大影響。

［1］耿浩清，石成君，蘇亞欣．空氣取水技術(shù)的研究進(jìn)展［J］．化工進(jìn)展，2011，30(8):1664-1669．

［2］田甲申，張鑫喆，馬國遠(yuǎn)．太陽能驅(qū)動(dòng)超疏水冷表面凝結(jié)制水裝置的研制［J］．制冷技術(shù)，2014(5):45-48．

［3］ZHANG X R，JIANG Z Y，ZHANG X X，et al． A new source of fresh water:water extraction from air［J］． Water Resources Protection，2007(23):17．

［4］趙惠忠，李瑩瑩，魏 存，等．吸附式太陽能水管空氣取水的特性研究［J］．可再生能源，2014，32(3):259-264．

［5］NORGAAD T，DACKE M，F(xiàn)og-basking behavior and water collection efficiency in namib desert darkling beetles［J］．Front． Zool．，2010(7):1-8．

［6］邊風(fēng)根，曾 莉，嚴(yán)兆華．聚二甲基硅氧烷彈性體的表面改性及生物相容性［J］． 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(理科版)，2014(6):14．

［7］SAMUEL K S，GEORGE M W． Microfluidic devices fabricated in poly (dimethylsiloxane)for biological studies［J］．Electrophoresis，2003(24):3563-3576．

［8］NG K C，CHUA H T，CHUNG C Y，et al． Experimental investigation of the silica gel-water adsorption isotherm characteristics［J］． Applied Thermal Engineering，2001(21):1631-1642．

［9］JESSAMINE M K，IRINA G，ABRAHARM D，et al． Components for integrated poly (dimethylsiloxane)microfluidic systems［J］．Electrophoresis，2002(23):3461-3473．

［10］MCDONALD J C，GEORGE M W． Poly (dimethylsiloxane)as a material for fabricating microfluidic devices［J］．Accounts of Chemical Research，2002，35(7):491-499．

［11］HU W，LIU W，ZHU F，et al． The fabrication of PDMSbased functional surface mimicking the namib desert beetle back for collecting water vapor in the air［C］//Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS)，2014 9th IEEE International Conference on IEEE，2014:417-421．