一種具有梯度親疏水性能的集水器,包括梯度孔徑親水多孔泡沫1、疏水多孔泡沫2、集液槽3、防護罩4和多孔泡沫固定結構5;所述防護罩4中填充有梯度孔徑親水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2,疏水多孔泡沫2與梯度孔徑親水多孔泡沫1通過多孔泡沫固定結構5進行固定,疏水多孔泡沫2兩側設置兩個空間,前側空間是疏水多孔泡沫2與梯度孔徑親水多孔泡沫1之間的間隔縫隙,其寬度為毫米量級,后側空間設置集液槽3;疏水多孔泡沫2通過多孔泡沫固定結構5懸空安裝,使得前側的間隔縫隙與后側空間的集液槽3相通。
優選地,還可利用風扇8強化空氣對流。風扇8可加快濕空氣的流通速度,從而顯著提高集水器的集水性能。
此時,所述梯度孔徑親水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2的形狀,可以為圓筒式、板式、帽盔狀等多種。圓筒形狀便于設計成集水杯等便攜產品;板狀易于生產、加工,便于擴展換熱面積和體積,可設計為類似板式換熱器形狀,易于霧水捕捉集成化處理;帽盔狀則適合不容易安放集水器的地區,直接扣于地面,用于局部集水。
選用長寬高分別為50mm×50mm×3mm、孔徑分別為100目、150目、200目三種孔徑的紫銅泡沫金屬為基樣材料。首先利用堿液高溫浸泡氧化法分別對三種孔徑的泡沫金屬進行親水化處理。用丙酮超聲清洗10min去除表面油脂,去離子水超聲清洗10min;然后將試樣浸入2.0mol/LHCl水溶液,超聲浸泡10min,去除金屬氧化膜;最后用去離子水清洗3次,徹底去除試樣表面殘留酸液,取出試樣氮氣吹干,備用。將預處理完畢的金屬絲網浸泡于NaClO2,NaOH,Na3PO4·12H2O,及DIwater(3.75:5:10:100wt%)的氧化液中,維持氧化溫度在96℃恒定;氧化時間20min,待氧化完畢,取出試樣利用去離子水和丙酮分別超聲清洗,氮氣吹干。由于其孔徑不同,100目、150目、200目泡沫金屬的親水靜態接觸角雖均近似為0°,但利用高速攝像測定結果顯示,相同體積液滴在其表面的鋪展速度逐漸增大。
同時利用液相化學沉積方法對200目、3mm厚度、具有超親水微結構的銅泡沫進行氟硅烷(全氟辛基三氯硅烷:C8H4Cl3F13Si)表面修飾,具體方法為:將其浸泡于20℃、濃度為0.1mol/L全氟辛基硅烷的正己烷溶液中靜置30min,待沉積完畢,丙酮清洗,氮氣吹干后,置于真空馬弗爐180°熱處理20min。利用靜態接觸角測定其表面接觸角為153°。
利用金屬鋁合金加工泡沫金屬支架,將三種孔徑親水泡沫金屬疊加按孔徑由大到小依次壓緊固定于支架前側;同時距離5mm的位置固定超疏水銅泡沫,并在支架后方安裝風扇,得到本發明所述的集水器。控制環境相對濕度為80%,控制風扇轉速使風速在0.5-1m/s。經測定其集水能力在100~300ml/h。
本發明提出利用梯度多孔泡沫材料進行霧水捕捉,是從霧水冷凝的基本物理過程出發,基于強化傳熱基本原理,從根本上強化霧水冷凝的新技術、新方法、新思路。本成果可在眾多工程應用中推廣,具有深遠的市場挖掘性。
本發明的有益效果是:
1、本發明利用梯度多孔泡沫材料進行霧氣的捕捉和收集,將霧氣冷凝與多孔泡沫材料進行耦合,增大了換熱面積,促進了霧氣在表面的捕捉;并結合利用親、疏水金屬泡沫,利用泡沫的浸潤自相容性(超親水泡沫阻氣,超疏水泡沫阻水),強化冷凝液滴沿泡沫厚度方向上的導離,促進冷凝表面的再生,提高了冷凝速率。
2、本發明利用多孔泡沫材料將復雜結構材料與冷凝傳熱兩相流流動進行耦合,并巧妙利用梯度孔結構及梯度親疏水性從根本上強化冷凝傳熱。
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