仿仙人掌集水的空氣凝水裝置

孟杰　王菁男

（華中農(nóng)業(yè)大學，湖北武漢　430070）

仿仙人掌集水的空氣凝水裝置

孟杰王菁男

（華中農(nóng)業(yè)大學，湖北武漢430070）

空氣中水汽資源豐富，尤其是在空氣濕度大且淡水資源匱乏的地區(qū)（例如海島），如果能很好的捕獲這些水汽，將獲得可觀的淡水資源，因此我們設計了該仿仙人掌集水的空氣凝水裝置。該裝置凝水過程是仿照仙人掌的集水過程，使吹來的霧水在裝置上進行“凝結-收集-傳輸-吸收”的循環(huán)，從而達到水汽收集的目的。

仿生霧水工程海島

1　研制背景及意義

伴隨著海島開發(fā)力度的加大，海島淡水資源匱乏成為制約其開發(fā)的主要矛盾。縱觀國內(nèi)外海島水資源開發(fā)利用方式，海島的淡水供應主要來自常規(guī)水源供水、大陸引水和非常規(guī)水源供水三部分，其中常規(guī)水源主要包括海水淡化水、雨水、霧水及再生水等。在獲取水源的方式中，大陸引水由于航程較遠，容易造成水質(zhì)污染，輸水量很難滿足海島開發(fā)需要；海水淡化技術目前還處于不斷完善的階段，而且還存在能耗較高、需預處理和影響環(huán)境等問題。由于海島空氣濕度較大，常常出現(xiàn)濃霧現(xiàn)象，收集霧水資源已開始被接受和應用。

2　實施方案

本裝置通過對仙人掌集水過程的研究，仿照仙人掌 “凝結一聚集一傳輸一吸收”的集水過程，采用結構設計、涂料處理等方式對捕霧模塊進行了相應的設計和處理，主要包括以下三個模塊：仿生集水模塊、太陽能制冷模塊、智能控制模塊。

2.1仿生集水模塊

2.1.1霧水“凝結”環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)主要通過模仿仙人掌簇狀刺的超親水材質(zhì)，改變整個捕霧網(wǎng)面的材質(zhì)，提高霧水在凝水裝置上凝結的效率。仙人掌刺為超親水材料，空氣中的霧氣通過刺時，由于其對水有強大的親和能力，可以吸引水分子或霧水，提高了仙人掌對霧水收集的效率。我們集水網(wǎng)面模仿該親水材質(zhì)，使得水霧通過捕霧網(wǎng)面時最大程度“凝結，提高裝置凝水效果。網(wǎng)面整體采用親水涂料NC308浸潤處理，使網(wǎng)面具有親水性。

2.1.2霧水“收集”環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)通過模仿仙人掌刺上定向排列的錐形小刺結構，通過其產(chǎn)生的拉普拉斯壓力縮短小水珠的聚集過程，從而使仙人掌刺上的霧水凝結過程的快速再生。錐刺上小水珠隨時間變化聚集在一起的過程，小水珠在仙人掌錐刺上形成后，由于錐刺特殊的錐狀結構，使得水珠在拉普拉斯壓力下，不斷向錐刺根部運動。

錐刺尖端附近的區(qū)域由于局部半徑較根部半徑小，因此錐刺尖端的拉普拉斯壓力是比錐刺根部大，使得小水珠獲得從錐刺刺尖移動到錐刺根部的的驅動力，并在小水珠的移動過程中加快水珠的聚集和錐刺表面水珠凝結循環(huán)，提高水珠在網(wǎng)面上的“收集”效率，更快形成可滑落的大液滴，沿絲狀網(wǎng)面進入下一集水環(huán)節(jié)帶走。

2.1.3霧水“傳輸”環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)通過模仿仙人掌刺上脊柱的溝槽結構對霧水的傳輸，仙人掌上水珠從錐刺根部沿溝槽結構傳輸?shù)倪^程。仙人掌錐刺根部“收集”的大水珠沿脊柱溝槽結構下滑并聚集其他小水珠，這個過程一方面能使錐刺根部的水珠離開錐刺根部，為錐刺進行下一次“收集”提供水珠聚集場；另一方面，水珠沿脊柱溝槽滑落，帶走了脊柱上的小水珠，縮短水珠暴露在空氣中的時間，減少蒸發(fā)量。仿生捕霧網(wǎng)面使得“收集”的可下落的大液滴沿網(wǎng)面絲狀結構傳輸并帶走網(wǎng)面其他分部凝結的小水珠，最終沿溝槽傳輸?shù)郊?，從而加快水的收集速率，減少蒸發(fā)。

2.1.4霧水“吸收”環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)通過模仿仙人掌將簇狀刺上多個溝槽傳輸?shù)乃诟繀R集，在有根部的帶狀絨毛快速吸收水分，實現(xiàn)對收集完畢的水合理處理后的存儲，以供使用。這樣使得水分在仙人掌內(nèi)部保存起來，保證水質(zhì)的同時減少水分的損失。我們首先讓傳輸下來的水一起進入半封閉的集水槽進行匯集，盡可能減少水在外界空氣中暴露的時間，再通過導流管將水導流到集水箱中儲存，在流入過程中，水通過過濾器對水行處理，降低水體的濁度、色度，凈化水質(zhì)，以備使用。

2.2太陽能制冷模塊

為了更好的實現(xiàn)水氣的凝結，本作品采用太陽能供電、半導體制冷的方式對仿生網(wǎng)面進行降溫，以提高集水效率。為了實現(xiàn)有效的制冷，我們采用半導體制冷的方式，其具有作用速度快，工作可靠，使用壽命長，尺寸小，對環(huán)境無污染等優(yōu)點。半導體制冷模塊由TEC1-12706半導體制冷片、風扇、鋁片式散熱板、調(diào)壓電路組成。為了達到網(wǎng)面降溫的效果，本裝置采用水循環(huán)的方式在水泵的工作下，將水箱中經(jīng)制冷模塊降溫的冷水帶到仿生捕霧網(wǎng)的網(wǎng)面，冷水通過一定間隔的導冷鋁管，最后再返回制冷水箱。

2.3智能控制模塊設計

本裝置具有兩種工作模式，分別為集水模式和待機模式。我們利用溫濕度傳感器當前獲取溫度與相對濕度數(shù)據(jù)。計算該狀態(tài)下是否滿足集水模式，開啟條件為當前絕對濕度等于于網(wǎng)面溫度的飽和濕度才能集水。根據(jù)查不同溫度空氣飽和濕度表可知不同溫度下的空氣飽和濕度，當系統(tǒng)判斷滿足集水條件時，單片機控制繼電器模塊接通制冷模塊與水循環(huán)的供電，當這兩個模塊工作，開啟集水模式。

3　結語

該裝置將空氣中含有的隱性水資源轉化為顯性的可利用的水資源，簡單低耗，可應用于海島、船舶、多霧山區(qū)等空氣潮濕度高的地區(qū)，有望成為解決水資源危機的有效途徑，同時為設計開發(fā)連續(xù)高效的霧水收集器提供了新思路，為緩解世界水資源危機提供了出路，對世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)，工業(yè)，國防領域的發(fā)展有重要意義。

［1］Ju， Jie， Bai， Hao， Zheng， Yongmei， Zhao， Tianyi， Fang， Ruochen，Jiang， Lei. （2012）. A multi-structural and multi-functional integrated fog collection system in cactus. Nature Communications，3， 1247.

［2］夏青.仿生設計在工業(yè)設計領域的困境及策略分析［J］.無線互聯(lián)科技，2015，01：115.

［3］易玲.淺談小型海島給水規(guī)劃［J］.江西建材，2015，04：28-29.

孟杰（1993—），男，山東煙臺人，工作單位：武漢理工大學機電工程學院，職務：學生，研究方向：機械工程及自動化。