捕霧集水器的形狀及其實(shí)際應(yīng)用

王英夫 宛立李一哲 孫小棠 狄晏（大連海洋大學(xué)，遼寧大連 116023）

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捕霧集水器的形狀及其實(shí)際應(yīng)用

王英夫 宛立*李一哲 孫小棠 狄晏
（大連海洋大學(xué)，遼寧大連 116023）

【摘要】對(duì)于捕霧集水器而言，如何較為迅速有效地收集空氣中的水分主要依靠于捕霧器的制作材料和形狀結(jié)構(gòu)。本文介紹了現(xiàn)階段不同形狀的捕霧集水器的特點(diǎn)，闡明了其中的設(shè)計(jì)原理，并對(duì)未來進(jìn)行了展望。能夠滿足大型網(wǎng)狀類捕霧器受自然環(huán)境影響更小、整體造價(jià)成本更低廉、材料本身的性能更加優(yōu)越。也能夠滿足小型類甲蟲殼類捕霧器規(guī)格方面、水質(zhì)方面以及性能發(fā)面更好的服務(wù)于人類。

【關(guān)鍵詞】形狀 捕霧集水器 集水效果

為了使捕霧集水器能夠較為迅速的收集空氣中的水分，對(duì)于集水器的選材和形狀設(shè)計(jì)便是主要的兩方面因素。材料方面采用親水性材料，促進(jìn)對(duì)水汽的捕捉；結(jié)構(gòu)方面需要對(duì)比不同形狀集水器捕捉水汽的效果，從而設(shè)計(jì)出最適合、最有效的集水器形狀。

1 捕霧器的分類

現(xiàn)有的捕霧集水器按形狀主要分為三類：大型網(wǎng)狀捕霧集水器、小型類甲蟲殼形捕霧集水器以及其他形狀捕霧集水器。

1.1 大型網(wǎng)狀捕霧集水器

大型網(wǎng)狀捕霧集水器適用于多霧天氣的沿海地區(qū)或山區(qū)，通過大面積的特殊材質(zhì)的網(wǎng)收集霧水，形式較為單一，造價(jià)相對(duì)較高，但能夠提供的水量大，運(yùn)用得當(dāng)可以解決當(dāng)?shù)孛癖姷纳罨居盟?/p>

上世紀(jì)90年代，研究者根據(jù)模仿甲蟲收集霧水的特性，研發(fā)出一種特殊材質(zhì)的濾網(wǎng)，這些網(wǎng)是用三層黑色平整的聚丙烯纖維構(gòu)織成的，網(wǎng)眼極細(xì)。這種網(wǎng)既具有耐潮濕性又具有耐熱性，唯一的不足是無法抵抗30米每秒以上的大風(fēng)［1］。此項(xiàng)設(shè)計(jì)最早試用于丘恩貢果圣多佛山海拔800米的山脊上，后來經(jīng)過改良廣泛應(yīng)用于秘魯利馬周邊村落以及智利北部海岸沿線的許多地方。通常一臺(tái)聚霧集水器， 可每日供應(yīng)15000L的水給700人使用［2］。

1.2 小型類甲蟲殼形捕霧集水器

小型類甲蟲殼型捕霧集水器適用于沙漠等地區(qū)，并且通常滿足早晚溫度較低的區(qū)域，通過加速空氣中水分冷凝液化過程收集霧水，形狀較為豐富，造價(jià)相對(duì)低廉，但能夠提供的水量有限，只適合滿足少數(shù)人的用水需求。其以碗裝捕霧集水器為代表。碗裝露水收集器Dew bank［3］，多用于干旱地帶收集晨露的飲水器，它的外形靈感來自甲蟲外殼。為了能夠提升捕霧效能，其通體選用金屬材質(zhì)，構(gòu)造上采用光滑頂面和波紋側(cè)面，增大了接觸面積。在凹面和集水罐之間還設(shè)計(jì)有一道Y型的溝槽，可以過濾沙塵，保障水質(zhì)。

1.3 其他形狀捕霧集水器

其他形狀捕霧集水器形式多樣，大小不一，應(yīng)用多根據(jù)實(shí)際地域自然環(huán)境等因素因地制宜設(shè)置使用。本文中主要介紹倒金字塔形、人造樹形、螺旋塔形捕霧集水器。

1.3.1 倒金字塔形捕霧集水器

細(xì)心地人們會(huì)發(fā)現(xiàn)，大霧天氣中停留在松柏樹下，會(huì)發(fā)現(xiàn)有水滴從樹葉上不斷落下，時(shí)間久了樹下地面會(huì)很潮濕。顯然，樹木便是天然的捕霧裝置。2008年，兩名正在以色列工學(xué)院攻讀博士的建筑師考雷和馬爾卡受到樹葉、蜘蛛網(wǎng)以及睡袋和帳篷從空氣中收集露水的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出了一種四邊高度均為三米的倒金字塔型集水器［3］。晚上，露珠在斜面的頂部和內(nèi)側(cè)集結(jié)。上部的水因?yàn)榭赡苁艿轿廴荆捎糜诠喔?；?nèi)側(cè)集結(jié)的水則可以引用。露水在重力作用下，滾落到倒置角錐下方的收集裝置中。其效率大約為每?jī)善椒矫滓惶旒簧?/p>

1.3.2 人造樹形捕霧集水器

人造樹型集水器創(chuàng)造于西班牙研究者。這種人造樹的枝葉由吸水性很強(qiáng)的酚泡沫塑料制成，樹干則由多層密度不同的聚氨基甲酸乙酯塑料制成。將這種放置于霧區(qū)，通過酚泡沫塑料極佳的吸水性能，結(jié)合樹冠與霧的接觸面積大、散熱效率快的特點(diǎn)，使每棵人造樹集水量頗為可觀。在白天炎熱干燥的環(huán)境下，經(jīng)樹干滲入沙漠中的水分，又通過樹干樹枝蒸發(fā)出來。大片的樹林能夠降低其周圍的溫度，提高相對(duì)濕度，甚至有一定幾率形成降水，達(dá)到沙漠變良田的效果。

1.3.3 螺旋塔形捕霧集水器

在智利和危地馬拉，以加拿大非營(yíng)利性組織“探霧”（FogQuest）為代表的團(tuán)隊(duì)開發(fā)建設(shè)了諸多工程。其中為智利瓦斯科海岸所設(shè)計(jì)的“海岸捕霧塔”獲得了Hoicim全球可持續(xù)建筑大獎(jiǎng)，其目的在于收集海岸豐厚的霧氣，為周圍地區(qū)提供農(nóng)業(yè)用水。它的外形猶如一個(gè)巨大的螺旋梯，其凹表面密布著利于收集霧氣的材料，凸出面則猶如通道，保證凝聚的水滴可以流動(dòng)到集水裝置中。

2 形狀設(shè)計(jì)原理

2.1 仿生原理

研究者在非洲西部的納米布沙漠實(shí)地考察時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種能夠在極度缺水環(huán)境中生存下來的甲蟲，通過研究發(fā)現(xiàn)甲蟲的背后如同防水層似的覆蓋著球狀的類蠟物。當(dāng)有霧氣時(shí)，霧中的水汽會(huì)凝聚到這些球狀物上，而球狀物之間的縫隙就成為了水的流通通道，慢慢的匯集最終流入到甲蟲的口中。

研究者仿照甲蟲背部的特點(diǎn)設(shè)計(jì)制成了捕霧集水器，主要結(jié)構(gòu)是通過在集水器表面涂上蠟的基礎(chǔ)上加裝諸多微型玻璃球。這樣的裝置與普通的平板玻璃相比較，可以更快速、更有效地收集更多的水分。

其中來自美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的西里讓·哈特利（Shreerang Chhatre）工程師在研究了納米布甲蟲霧中取水的過程后，設(shè)計(jì)了“捕霧”裝置［4］。其裝置是由格柵狀面板組成，并將捕霧面板和集水器相連接。對(duì)比傳統(tǒng)型捕霧集水器，這樣的裝置能夠使集水效率提升良多。

2.2 物理原理

相對(duì)于仿生原理的捕霧集水器而言，物理原理的捕霧集水器更易理解，即為液化。具體來說霧氣由極細(xì)且密的小水珠組成的，它們可以附著在各種物體表面，遇冷就會(huì)結(jié)成大的水珠，最后凝聚成水［5］。露水就是由霧遇冷而凝結(jié)成的。比較簡(jiǎn)單的方法是用散熱快的金屬（如鋁）制成表面光潔的圓筒，放置于多霧的空氣中。

3 展望未來

············

結(jié)合上文的敘述，較為合適的捕霧集水器是將物理與仿生原理相結(jié)合的方式，通過類甲蟲殼型以及松柏樹葉型的融合為捕霧器形狀，材料方面采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的散熱效率較高的金屬（推薦使用鋁或鋁合金），作為最終的捕霧器形狀。集水器方面，則應(yīng)該著重考慮材料的性能、成本、應(yīng)用范圍等方面，主要需要滿足配合捕霧器的功能、形狀；此外，還要盡可能保證集水器的環(huán)境狀況、衛(wèi)生條件，以此滿足水質(zhì)較為清潔。未來發(fā)展方向上，捕霧集水器能夠滿足大型網(wǎng)狀類捕霧器受自然環(huán)境影響更小、整體造價(jià)成本更低廉、材料本身的性能更加優(yōu)越。也能夠滿足小型類甲蟲殼類捕霧器規(guī)格方面、水質(zhì)方面以及性能發(fā)面更好的服務(wù)于人類。仿生物納米技術(shù)需要得到更多的關(guān)注，從中獲得啟發(fā)有可能為霧水工程帶來革命性的突破。不可否認(rèn)，其存在諸多不確定因素。不單單是在材料方面需要加合理的選擇，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面更需要考慮自然條件、經(jīng)濟(jì)實(shí)力等等。正如哈特利說［4］：“無論在技術(shù)上還是商業(yè)上，捕霧集水的技術(shù)都尚不成熟。這項(xiàng)工作的前景是開放式的，一切都在進(jìn)展當(dāng)中?！?/p>

參考文獻(xiàn)：

［1］玥聲.捕霧集水新招［J］.百科知識(shí)，2008，24：12-13.

［2］張欣茹等.沙漠甲蟲Stenocara與空氣取水［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2006，2 （24）：23-28.

［3］劉利勤等.未來水世界［J］.人與自然，2014，4：96-97.

［4］皮特·迪茲克斯.捕霧集水［J］.中國(guó)新聞周刊，2011，161：60-62.

［5］王明華.采水新技術(shù)-捕霧集水［J］.水資源研究，2013，3：48.

作者簡(jiǎn)介：王英夫（1994—），男，遼寧大連人，大連海洋大學(xué)本科在讀，研究方向：給水排水工程。

通訊作者：宛立（1970—），女，遼寧海城人，副教授，研究方向：水處理技術(shù)。