一种具有梯度亲疏水性能的集水器及应用

一种具有梯度亲疏水性能的集水器，包括梯度孔径亲水多孔泡沫1、疏水多孔泡沫2、集液槽3、防护罩4和多孔泡沫固定结构5；所述防护罩4中填充有梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2，疏水多孔泡沫2与梯度孔径亲水多孔泡沫1通过多孔泡沫固定结构5进行固定，疏水多孔泡沫2两侧设置两个空间，前侧空间是疏水多孔泡沫2与梯度孔径亲水多孔泡沫1之间的间隔缝隙，其宽度为毫米量级，后侧空间设置集液槽3；疏水多孔泡沫2通过多孔泡沫固定结构5悬空安装，使得前侧的间隔缝隙与后侧空间的集液槽3相通。

优选地，还可利用风扇8强化空气对流。风扇8可加快湿空气的流通速度，从而显著提高集水器的集水性能。

此时，所述梯度孔径亲水多孔泡沫1和疏水多孔泡沫2的形状，可以为圆筒式、板式、帽盔状等多种。圆筒形状便于设计成集水杯等便携产品；板状易于生产、加工，便于扩展换热面积和体积，可设计为类似板式换热器形状，易于雾水捕捉集成化处理；帽盔状则适合不容易安放集水器的地区，直接扣于地面，用于局部集水。

选用长宽高分别为50mm×50mm×3mm、孔径分别为100目、150目、200目三种孔径的紫铜泡沫金属为基样材料。首先利用碱液高温浸泡氧化法分别对三种孔径的泡沫金属进行亲水化处理。用丙酮超声清洗10min去除表面油脂，去离子水超声清洗10min；然后将试样浸入2.0mol/LHCl水溶液，超声浸泡10min，去除金属氧化膜；最后用去离子水清洗3次，彻底去除试样表面残留酸液，取出试样氮气吹干，备用。将预处理完毕的金属丝网浸泡于NaClO2，NaOH，Na3PO4·12H2O，及DIwater（3.75:5:10:100wt％）的氧化液中，维持氧化温度在96℃恒定；氧化时间20min，待氧化完毕，取出试样利用去离子水和丙酮分别超声清洗，氮气吹干。由于其孔径不同，100目、150目、200目泡沫金属的亲水静态接触角虽均近似为0°，但利用高速摄像测定结果显示，相同体积液滴在其表面的铺展速度逐渐增大。

同时利用液相化学沉积方法对200目、3mm厚度、具有超亲水微结构的铜泡沫进行氟硅烷（全氟辛基三氯硅烷：C8H4Cl3F13Si）表面修饰，具体方法为：将其浸泡于20℃、浓度为0.1mol/L全氟辛基硅烷的正己烷溶液中静置30min，待沉积完毕，丙酮清洗，氮气吹干后，置于真空马弗炉180°热处理20min。利用静态接触角测定其表面接触角为153°。

利用金属铝合金加工泡沫金属支架，将三种孔径亲水泡沫金属叠加按孔径由大到小依次压紧固定于支架前侧；同时距离5mm的位置固定超疏水铜泡沫，并在支架后方安装风扇，得到本发明所述的集水器。控制环境相对湿度为80％，控制风扇转速使风速在0.5-1m/s。经测定其集水能力在100～300ml/h。

本发明提出利用梯度多孔泡沫材料进行雾水捕捉，是从雾水冷凝的基本物理过程出发，基于强化传热基本原理，从根本上强化雾水冷凝的新技术、新方法、新思路。本成果可在众多工程应用中推广，具有深远的市场挖掘性。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用梯度多孔泡沫材料进行雾气的捕捉和收集，将雾气冷凝与多孔泡沫材料进行耦合，增大了换热面积，促进了雾气在表面的捕捉；并结合利用亲、疏水金属泡沫，利用泡沫的浸润自相容性（超亲水泡沫阻气，超疏水泡沫阻水），强化冷凝液滴沿泡沫厚度方向上的导离，促进冷凝表面的再生，提高了冷凝速率。

2、本发明利用多孔泡沫材料将复杂结构材料与冷凝传热两相流流动进行耦合，并巧妙利用梯度孔结构及梯度亲疏水性从根本上强化冷凝传热。