万方数据
ＺＨＡＮＧＸｉｎ＿ｒｕ．ｅｔａ１．：ＤｅｓｅｎＢｅｅｌｌｅａｎｄＷａ旭ｒＥ）（ｔ怕烈ｉＯｎｆｒＯｍＡ汁
纳米比亚沙漠是地球上极度炎热干旱的地区之一，那里几乎四季无雨，但其昼夜温差较大，空气相对湿度变化也很大，且每月大西洋的海风也会为此地区带来湿气，生存其中的ｓ招肋－ｃ唧可利用它特殊的背部表面获取含湿空气中的水分。如图１所示，ｓ抛加ｃ甜ｎ集水时，头部朝着风向，背部与地平面大约成４５度角，这样便可利用背部收集湿空气中的水蒸汽。Ａｎｄｒｅｗ对Ｓ把阳ｃ唧背部具体结构进行了研究，并对相应仿生表面的集水效果进行了实验分析，得到了一些定性的有益结论醐。 图１Ｓ细竹∞馏背部集水圈
Ｆ均１ｗａｔｅｒｃａｐｔｕ怕ｆｒｏｍａ汁ｂｙ
光刻法
ｓ据ｎｏｃ啪１．１鼢ｏ∞ｒ宣背部的表面特性
Ａｎｄｍｗ的研究结果表明，Ｓ衍肋ｃ肌背部是由一层疏水性基底和一些在其上间隔排布的亲水突起组成，具体结构如图２所示目。
圈２ｆａ）是一成年雌性Ｓ把，啪删甲虫的背部，可以看到背部有很多无规则排列的突起。突起的直径在Ｏ．５衄左右，各突起问距０．５～１．５咖。图２㈣是其中一个突起的放大图，经染处理后，可知突起顶部光滑洁净，无覆盖物，并具有亲水性质，而侧斜面和底面基体则有一层疏水物覆盖。图２（ｃ）是在电子显微镜下观测到的疏水表面，可知高度疏承的表面上有很多平的半球形结构，它们呈规则的六边形排列，每个半球的直径是１０卜ｍ。
图２Ｓｆｅｎｏｃａ堵背部结构图
ＦＵ２Ｔｈｅｓ脚砌＝宣借ｂｅｅｔｌｅ’ｓｂａｃｋ
豆制品加１．２仿生表面集水实验分析
Ａｎｄｒｅｗ在观察５衍聊帆背部凝水时发现：含湿空气掠过甲虫背部时．水滴在亲水突起顶端形成．并不断凝聚空气中的水分，以至迅速长大，那些撞到疏水表面上的水滴也会弹到或被风吹到亲水区域，加速水滴长大，当水滴长大至５ｍｍ左右时，就会从背部脱落。而水滴从形成到脱落的过程中，并不会被风吹走。这是因为它的表面积远没有体积增长得快。由此，Ａｎｄｒｅｗ利用欧拉第一定律的控制容积形式，简略导出了临界风速与脱落直径的荛系ｐ日：
”一锕警）（｝】嘶ｉ州］㈩
式中Ｒ是水滴半径，ｍ；ｇ是重力加速度，ｍ．ｓ４；廿是倾斜角度，度；ｐ是密度，ｋｇ．一。
为分析５衍Ｍｃ凹Ⅱ背部结构和集水效果问的关系，Ａｎｄｒｅｗ进行了类似甲虫集水过程的集水实验，定性分析了测试表面的不同表面特性对集水量的影响目。
实验中，制作了一系列楹Ｉ试表面，包括：①完全疏水的光滑表面（类似聚乙烯材料）；②完全亲水的光滑表面（类似玻璃表面）；③疏水基底上整齐排列亲水小突起的的表面；④疏水基底上无规则随机排列亲水小突起的表面。其中表面③和④是在一层薄的蜡质表面上间隔嵌入了许多直径大约为种子大小的玻璃球制成的。在同样的环境模拟系统中，对不同的测试表面进行了集水实验，并通过对凝集水的收集、称重，定性分析了不同表面特性与集水量闻的关系。
实验表明，表面⑧和④均比①和②收集的水多。因为．表面④上的水滴较小，容易被风带走．或者在表面上弹落；而在②表面上易形成水膜，且凝集水流路不可预测，也导致了集水困难。
１，３Ｓ绐ｎｏｃ旨懵向空气要水的启示
生物体的独特能力给社会进步和人类发展作出了许多贡献，诸多高科技含量的技术均是从自然界中的生物体借鉴而来的。ｓ把，ｔ。ｃａｍ向空气要水以满足生存所需的办法。咽，给人类解决某些特殊情况下的淡水获取问题提供了新思路。尽管Ａｈｄ陀ｗ对Ｓ把肺ｃ肌仿生表面的集水效果仅进行了定
性研究，然而这种特殊表面可使集水尽可能多的结论却给我们带来了有益思考，即制作出甲虫背部的仿生表面，用以实现一种高效的空气取水技术，满足人类在不同情况下的淡水需求。 自１９９２年俞乔力提出空气取水方法以来旧，英、德、法、美、中亚及南美洲地区的许多国家纷纷开始对空气取水进行研究…ｑ。但是空气取水面Ｉ临的主要问题就是取水率较低，这在一定程度上限制了它的推广应用。为解央这一问题．科研人员进行了不同探索，但针对材料表面特性而进行的提高取水率的工作却未见报道。因此，将ｓ招柚ｃ。Ⅲ的特殊背部表面和空气取水结台起来，有可能给我们提供一种提高取水率的新思路。
２空气取水
空气作为自然界水循环过程中水蒸汽存在的一种介质，携带水蒸汽完成循环。采取一定方法收集空气中的水资源并加以利用，即为空气取水技术。根据采用方法不同，空气取水技术可分为传统方法和非传统方法两类，如图３所示。
所谓传统方法是指降雨时收集雨水，这主要依靠大气降水，即靠天取水旧，本文不加叙述。
非传统方法是指将湿空气中以水蒸汽或微小水滴形式存在的水资源转化为液态水的方法，主要有制冷结露法、吸附法及聚雾取水法３种。
传统方法～大气降永
非传统方法———广制冷结露洼
卜＿吸附法
Ｌ聚雾取水法异形
图３空气取水类型示意圉
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第２４卷２００６年第０２期ｆ总第２坦期）
１９ 万方数据
鲞丛茎，量！鲨蕉里圭墅竺！鲤鱼窒鱼垦查——
２．１翩冷结露法
制冷结露法是将湿空气的温度降到露点以下，使其中的水蒸汽结露，从而获得液态水的方法。
１９９３年法国科学家Ｙ．Ｊａｎｎｏｔ㈨提出了一种利用制冷结露法进行空气取水的系统，并进行了实验分析，如图４所示。此系统利用太阳能吸附式热泵的蒸发端对凝水表面进行冷却，使空气中的水蒸汽结露，水在重力作用下落人下方集水盘中，并汇集至存水器中贮存。但实验研究表明，由于系统的能量转换环节较多，造成可用能损失较大，累积取水率较低。
蒸发冷凝器
图４太阳能吸附式热泵制冷结露法空气取水系统
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为提高制冷结露法的取水率，科研人员致力于对系统进行优化设计，并尝试采用不同的制冷形式。较有代表性的是太阳能半导体制冷结露法空气取水系统旧，如图５所示。它采用太阳能半导体制冷对凝水表面冷却．同时在系统中添加回热器，使从凝水室出去的温度较低的空气和进入取水器的空气充分换热，执而使湿空气在进入冷板前得到预冷，同时也回收了冷量。此方法减少了能量转换环节，并回收了凝结水后空气的冷量，取水率有一定提高，初步解决了由于中间能量转换环节导致的低取水率问题。
图５太阳能半导体制冷结露法空气取水系统
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注：ｌ风机；２扳戒回热器；３散熟扇；４散热片；５隔热层；６热电堆；
７凝水室；８集水器；９放水阀门；１０二雏自动旋转台；
１１可折叠式太阳能电出饭；１２冷板
２．２趿跗涪
含湿空气流过吸附剂，其中的水蒸汽被吸附．然后加热吸附２０州．２４Ｎｏ．０２２００６（ｓｕｍＮｏ２１２）
剂使水分脱附，从Ｉ『｜１得到淡水，即为吸附法旧。
吸附剂有固态和液态２种。固态多采用新型复合多孔介质，液态为某些强吸湿性的浓溶液，但因大部分浓溶液对人体有危害，所以一般多采用固态吸附剂。
１９９２年俞乔力等人提出了一种高效太阳能吸附式空气取水方案㈣，并进行了后续研究。如图６所示，夜晚吸附剂从流动的低温空气中吸附水分，白天吸附剂被密封在玻璃容器中，利用太阳光聚焦加热使其水分脱附，水蒸汽在容器内表面凝结、汇集，实现空气取水旧。
关于吸附法，国内外研究鞍多‘１蜘。为提高瑷方法的取水率，研究重点侧重于高效吸附剂的开发，其中获得单位质量吸附剂最大循环出水量是关键问题之一。
（ａ】（ｂ）
图６太阳能吸附法空气取水器取水系统
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２０世纪９０年代，Ｅ．ＹｕＩ．Ａｒｉｓｔｏｖ㈣等配制出了无机盐ｆｃａｃＪ２、ｓｒｃＪ。、Ｎ稻吼等）与直径为０．２５一ｎ５ｍｍ的粉末状硅胶的复合材料。实验表明，该吸附刘最大取水率可达５０ｇ水／１００ｇ吸附剂，但这种复合吸附剂的吸附，解吸的动力学特性分析是在闭式系统、只存在水蒸汽的条件下得出的。而实际应用中吸附过程是在开式系统和湿空气中进行，凶此会影响吸甜剂的吸附／靠￥吸性能。
不锈钢表面钝化针对吸附剂的开发，国内学者进行了诸多工作∞，已研制出新型复舍吸附剂ｓｉＯｚ·ｘＨ２０·ｙＣａｃｋ，并模拟塔克拉玛干沙漠地区的气候条件（空气温度２５ａｃ、相对湿度４０％）进行了等温、等压的吸附量测试实验及解吸速度实验。结果表明，复合吸附剂的平衡吸附量和吸附速度等方面明显好于其它常用吸附剂。
另外，我国已研制出最大吸附水能力达１７５％的吸尉剂”ｑ，此吸附剂在８０℃脱附温度时，可脱附
９０％呲卜的总吸附水量，每千克吸附剂可脱附水量高达１．６ｋｇ，是理想的空气取水器吸附材料。
目前，由德国波茉梅化学１＝程研究所采用吸附蒸发法研制的空气取水系统，已在约旦安装，且运行良好，经济效益显著，并向非洲和阿拉伯沙漠地区推广使用。
２．３聚雾取水法
将雾中小水滴分离出来的取水方法，称作聚雾取水。聚雾取水一般采用巨幅尼龙屏障，吸附雾中小液滴，并使之聚合长大，这样大水珠就会沿着倾斜的尼龙线流到集水器中。
聚雾取水凶成本低、效率高，在帐篷取水、建筑物取水等领域都有应用，但其受环境限制，只适宜在多雾且缺水的地方推广嘲，在我国这种方法并不多见。在南美洲西部的智利，其北部地区基
本终年无雨，严重于旱，但西风或西南风常把海上潮湿的空气源源不断地送到这里，受到山脉阻挡后易形成云和雾，因此这个地区比较早就采用了秉雾取水。通常一台聚雾集水器，可每日供应１５
０００ｌ的水给７００人使用∞。
万方数据
万方数据
沙漠甲虫Stenocara与空气取水
作者：张欣茹， 姜泽毅， 张欣欣， 柳翠翠， 杨怡菲， ZHANG Xin-ru， JIANG Ze-yi， ZHANG Xin-xin， LIU Cui-cui， YANG Yi-fei
作者单位：北京科技大学机械工程学院，北京,100083
刊名：
科技导报sofa燃烧器
英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY REVIEW
年，卷(期)：2006,24(2)
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