仿仙人掌集水的空气凝水装置

孟杰　王菁男

（华中农业大学，湖北武汉　430070）

仿仙人掌集水的空气凝水装置

孟杰王菁男

（华中农业大学，湖北武汉430070）

空气中水汽资源丰富，尤其是在空气湿度大且淡水资源匮乏的地区（例如海岛），如果能很好的捕获这些水汽，将获得可观的淡水资源，因此我们设计了该仿仙人掌集水的空气凝水装置。该装置凝水过程是仿照仙人掌的集水过程，使吹来的雾水在装置上进行“凝结-收集-传输-吸收”的循环，从而达到水汽收集的目的。

仿生雾水工程海岛

1　研制背景及意义

伴随着海岛开发力度的加大，海岛淡水资源匮乏成为制约其开发的主要矛盾。纵观国内外海岛水资源开发利用方式，海岛的淡水供应主要来自常规水源供水、大陆引水和非常规水源供水三部分，其中常规水源主要包括海水淡化水、雨水、雾水及再生水等。在获取水源的方式中，大陆引水由于航程较远，容易造成水质污染，输水量很难满足海岛开发需要；海水淡化技术目前还处于不断完善的阶段，而且还存在能耗较高、需预处理和影响环境等问题。由于海岛空气湿度较大，常常出现浓雾现象，收集雾水资源已开始被接受和应用。

2　实施方案

本装置通过对仙人掌集水过程的研究，仿照仙人掌 “凝结一聚集一传输一吸收”的集水过程，采用结构设计、涂料处理等方式对捕雾模块进行了相应的设计和处理，主要包括以下三个模块：仿生集水模块、太阳能制冷模块、智能控制模块。

2.1仿生集水模块

2.1.1雾水“凝结”环节

该环节主要通过模仿仙人掌簇状刺的超亲水材质，改变整个捕雾网面的材质，提高雾水在凝水装置上凝结的效率。仙人掌刺为超亲水材料，空气中的雾气通过刺时，由于其对水有强大的亲和能力，可以吸引水分子或雾水，提高了仙人掌对雾水收集的效率。我们集水网面模仿该亲水材质，使得水雾通过捕雾网面时最大程度“凝结，提高装置凝水效果。网面整体采用亲水涂料NC308浸润处理，使网面具有亲水性。

2.1.2雾水“收集”环节

该环节通过模仿仙人掌刺上定向排列的锥形小刺结构，通过其产生的拉普拉斯压力缩短小水珠的聚集过程，从而使仙人掌刺上的雾水凝结过程的快速再生。锥刺上小水珠随时间变化聚集在一起的过程，小水珠在仙人掌锥刺上形成后，由于锥刺特殊的锥状结构，使得水珠在拉普拉斯压力下，不断向锥刺根部运动。

锥刺尖端附近的区域由于局部半径较根部半径小，因此锥刺尖端的拉普拉斯压力是比锥刺根部大，使得小水珠获得从锥刺刺尖移动到锥刺根部的的驱动力，并在小水珠的移动过程中加快水珠的聚集和锥刺表面水珠凝结循环，提高水珠在网面上的“收集”效率，更快形成可滑落的大液滴，沿丝状网面进入下一集水环节带走。

2.1.3雾水“传输”环节

该环节通过模仿仙人掌刺上脊柱的沟槽结构对雾水的传输，仙人掌上水珠从锥刺根部沿沟槽结构传输的过程。仙人掌锥刺根部“收集”的大水珠沿脊柱沟槽结构下滑并聚集其他小水珠，这个过程一方面能使锥刺根部的水珠离开锥刺根部，为锥刺进行下一次“收集”提供水珠聚集场；另一方面，水珠沿脊柱沟槽滑落，带走了脊柱上的小水珠，缩短水珠暴露在空气中的时间，减少蒸发量。仿生捕雾网面使得“收集”的可下落的大液滴沿网面丝状结构传输并带走网面其他分部凝结的小水珠，最终沿沟槽传输到集水槽，从而加快水的收集速率，减少蒸发。

2.1.4雾水“吸收”环节

该环节通过模仿仙人掌将簇状刺上多个沟槽传输的水在根部汇集，在有根部的带状绒毛快速吸收水分，实现对收集完毕的水合理处理后的存储，以供使用。这样使得水分在仙人掌内部保存起来，保证水质的同时减少水分的损失。我们首先让传输下来的水一起进入半封闭的集水槽进行汇集，尽可能减少水在外界空气中暴露的时间，再通过导流管将水导流到集水箱中储存，在流入过程中，水通过过滤器对水行处理，降低水体的浊度、色度，净化水质，以备使用。

2.2太阳能制冷模块

为了更好的实现水气的凝结，本作品采用太阳能供电、半导体制冷的方式对仿生网面进行降温，以提高集水效率。为了实现有效的制冷，我们采用半导体制冷的方式，其具有作用速度快，工作可靠，使用寿命长，尺寸小，对环境无污染等优点。半导体制冷模块由TEC1-12706半导体制冷片、风扇、铝片式散热板、调压电路组成。为了达到网面降温的效果，本装置采用水循环的方式在水泵的工作下，将水箱中经制冷模块降温的冷水带到仿生捕雾网的网面，冷水通过一定间隔的导冷铝管，最后再返回制冷水箱。

2.3智能控制模块设计

本装置具有两种工作模式，分别为集水模式和待机模式。我们利用温湿度传感器当前获取温度与相对湿度数据。计算该状态下是否满足集水模式，开启条件为当前绝对湿度等于于网面温度的饱和湿度才能集水。根据查不同温度空气饱和湿度表可知不同温度下的空气饱和湿度，当系统判断满足集水条件时，单片机控制继电器模块接通制冷模块与水循环的供电，当这两个模块工作，开启集水模式。

3　结语

该装置将空气中含有的隐性水资源转化为显性的可利用的水资源，简单低耗，可应用于海岛、船舶、多雾山区等空气潮湿度高的地区，有望成为解决水资源危机的有效途径，同时为设计开发连续高效的雾水收集器提供了新思路，为缓解世界水资源危机提供了出路，对世界范围内农业，工业，国防领域的发展有重要意义。

［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.仿生设计在工业设计领域的困境及策略分析［J］.无线互联科技，2015，01：115.

［3］易玲.浅谈小型海岛给水规划［J］.江西建材，2015，04：28-29.

孟杰（1993—），男，山东烟台人，工作单位：武汉理工大学机电工程学院，职务：学生，研究方向：机械工程及自动化。