仿仙人掌集水的空氣凝水裝置

孟杰 王菁男

【摘 要】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（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，從而達到水汽收集的目的。

【關鍵詞】仿生 霧水工程 海島

1 研制背景及意義

伴隨著海島開發力度的加大，海島淡水資源匱乏成為制約其開發的主要矛盾。縱觀國內外海島水資源開發利用方式，海島的淡水供應主要來自常規水源供水、大陸引水和非常規水源供水三部分，其中常規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，容易造成水質污染，輸水量很難滿足海島開發需要；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、需預處理和影響環境等問題。由于海島空氣濕度較大，常常出現濃霧現象，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”環節

該環節主要通過模仿仙人掌簇狀刺的超親水材質，改變整個捕霧網面的材質，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。我們集水網面模仿該親水材質，使得水霧通過捕霧網面時最大程度“凝結，提高裝置凝水效果。網面整體采用親水涂料NC308浸潤處理，使網面具有親水性。

2.1.2 霧水“收集”環節

該環節通過模仿仙人掌刺上定向排列的錐形小刺結構，通過其產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，提高水珠在網面上的“收集”效率，更快形成可滑落的大液滴，沿絲狀網面進入下一集水環節帶走。

2.1.3 霧水“傳輸”環節

該環節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的過程。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，減少蒸發量。仿生捕霧網面使得“收集”的可下落的大液滴沿網面絲狀結構傳輸并帶走網面其他分部凝結的小水珠，最終沿溝槽傳輸到集水槽，從而加快水的收集速率，減少蒸發。

2.1.4 霧水“吸收”環節

該環節通過模仿仙人掌將簇狀刺上多個溝槽傳輸的水在根部匯集，在有根部的帶狀絨毛快速吸收水分，實現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部保存起來，保證水質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，以備使用。

2.2 太陽能制冷模塊

為了更好的實現水氣的凝結，本作品采用太陽能供電、半導體制冷的方式對仿生網面進行降溫，以提高集水效率。為了實現有效的制冷，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，對環境無污染等優點。半導體制冷模塊由TEC1-12706半導體制冷片、風扇、鋁片式散熱板、調壓電路組成。為了達到網面降溫的效果，本裝置采用水循環的方式在水泵的工作下，將水箱中經制冷模塊降溫的冷水帶到仿生捕霧網的網面，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據。計算該狀態下是否滿足集水模式，開啟條件為當前絕對濕度等于于網面溫度的飽和濕度才能集水。根據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、多霧山區等空氣潮濕度高的地區，有望成為解決水資源危機的有效途徑，同時為設計開發連續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，對世界范圍內農業，工業，國防領域的發展有重要意義。

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