王英夫 宛立李一哲 孙小棠 狄晏（大连海洋大学，辽宁大连 116023）



捕雾集水器的形状及其实际应用

王英夫 宛立*李一哲 孙小棠 狄晏
（大连海洋大学，辽宁大连 116023）

【摘要】对于捕雾集水器而言，如何较为迅速有效地收集空气中的水分主要依靠于捕雾器的制作材料和形状结构。本文介绍了现阶段不同形状的捕雾集水器的特点，阐明了其中的设计原理，并对未来进行了展望。能够满足大型网状类捕雾器受自然环境影响更小、整体造价成本更低廉、材料本身的性能更加优越。也能够满足小型类甲虫壳类捕雾器规格方面、水质方面以及性能发面更好的服务于人类。

【关键词】形状 捕雾集水器 集水效果

为了使捕雾集水器能够较为迅速的收集空气中的水分，对于集水器的选材和形状设计便是主要的两方面因素。材料方面采用亲水性材料，促进对水汽的捕捉；结构方面需要对比不同形状集水器捕捉水汽的效果，从而设计出最适合、最有效的集水器形状。

1 捕雾器的分类

现有的捕雾集水器按形状主要分为三类：大型网状捕雾集水器、小型类甲虫壳形捕雾集水器以及其他形状捕雾集水器。

1.1 大型网状捕雾集水器

大型网状捕雾集水器适用于多雾天气的沿海地区或山区，通过大面积的特殊材质的网收集雾水，形式较为单一，造价相对较高，但能够提供的水量大，运用得当可以解决当地民众的生活基本用水。

上世纪90年代，研究者根据模仿甲虫收集雾水的特性，研发出一种特殊材质的滤网，这些网是用三层黑色平整的聚丙烯纤维构织成的，网眼极细。这种网既具有耐潮湿性又具有耐热性，唯一的不足是无法抵抗30米每秒以上的大风［1］。此项设计最早试用于丘恩贡果圣多佛山海拔800米的山脊上，后来经过改良广泛应用于秘鲁利马周边村落以及智利北部海岸沿线的许多地方。通常一台聚雾集水器， 可每日供应15000L的水给700人使用［2］。

1.2 小型类甲虫壳形捕雾集水器

小型类甲虫壳型捕雾集水器适用于沙漠等地区，并且通常满足早晚温度较低的区域，通过加速空气中水分冷凝液化过程收集雾水，形状较为丰富，造价相对低廉，但能够提供的水量有限，只适合满足少数人的用水需求。其以碗装捕雾集水器为代表。碗装露水收集器Dew bank［3］，多用于干旱地带收集晨露的饮水器，它的外形灵感来自甲虫外壳。为了能够提升捕雾效能，其通体选用金属材质，构造上采用光滑顶面和波纹侧面，增大了接触面积。在凹面和集水罐之间还设计有一道Y型的沟槽，可以过滤沙尘，保障水质。

1.3 其他形状捕雾集水器

其他形状捕雾集水器形式多样，大小不一，应用多根据实际地域自然环境等因素因地制宜设置使用。本文中主要介绍倒金字塔形、人造树形、螺旋塔形捕雾集水器。

1.3.1 倒金字塔形捕雾集水器

细心地人们会发现，大雾天气中停留在松柏树下，会发现有水滴从树叶上不断落下，时间久了树下地面会很潮湿。显然，树木便是天然的捕雾装置。2008年，两名正在以色列工学院攻读博士的建筑师考雷和马尔卡受到树叶、蜘蛛网以及睡袋和帐篷从空气中收集露水的启发，设计出了一种四边高度均为三米的倒金字塔型集水器［3］。晚上，露珠在斜面的顶部和内侧集结。上部的水因为可能受到污染，可用于灌溉；内侧集结的水则可以引用。露水在重力作用下，滚落到倒置角锥下方的收集装置中。其效率大约为每两平方米一天集水一升。

1.3.2 人造树形捕雾集水器

人造树型集水器创造于西班牙研究者。这种人造树的枝叶由吸水性很强的酚泡沫塑料制成，树干则由多层密度不同的聚氨基甲酸乙酯塑料制成。将这种放置于雾区，通过酚泡沫塑料极佳的吸水性能，结合树冠与雾的接触面积大、散热效率快的特点，使每棵人造树集水量颇为可观。在白天炎热干燥的环境下，经树干渗入沙漠中的水分，又通过树干树枝蒸发出来。大片的树林能够降低其周围的温度，提高相对湿度，甚至有一定几率形成降水，达到沙漠变良田的效果。

1.3.3 螺旋塔形捕雾集水器

在智利和危地马拉，以加拿大非营利性组织“探雾”（FogQuest）为代表的团队开发建设了诸多工程。其中为智利瓦斯科海岸所设计的“海岸捕雾塔”获得了Hoicim全球可持续建筑大奖，其目的在于收集海岸丰厚的雾气，为周围地区提供农业用水。它的外形犹如一个巨大的螺旋梯，其凹表面密布着利于收集雾气的材料，凸出面则犹如通道，保证凝聚的水滴可以流动到集水装置中。

2 形状设计原理

2.1 仿生原理

研究者在非洲西部的纳米布沙漠实地考察时发现了一种能够在极度缺水环境中生存下来的甲虫，通过研究发现甲虫的背后如同防水层似的覆盖着球状的类蜡物。当有雾气时，雾中的水汽会凝聚到这些球状物上，而球状物之间的缝隙就成为了水的流通通道，慢慢的汇集最终流入到甲虫的口中。

研究者仿照甲虫背部的特点设计制成了捕雾集水器，主要结构是通过在集水器表面涂上蜡的基础上加装诸多微型玻璃球。这样的装置与普通的平板玻璃相比较，可以更快速、更有效地收集更多的水分。

其中来自美国麻省理工学院（MIT）的西里让·哈特利（Shreerang Chhatre）工程师在研究了纳米布甲虫雾中取水的过程后，设计了“捕雾”装置［4］。其装置是由格栅状面板组成，并将捕雾面板和集水器相连接。对比传统型捕雾集水器，这样的装置能够使集水效率提升良多。

2.2 物理原理

相对于仿生原理的捕雾集水器而言，物理原理的捕雾集水器更易理解，即为液化。具体来说雾气由极细且密的小水珠组成的，它们可以附着在各种物体表面，遇冷就会结成大的水珠，最后凝聚成水［5］。露水就是由雾遇冷而凝结成的。比较简单的方法是用散热快的金属（如铝）制成表面光洁的圆筒，放置于多雾的空气中。

3 展望未来

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结合上文的叙述，较为合适的捕雾集水器是将物理与仿生原理相结合的方式，通过类甲虫壳型以及松柏树叶型的融合为捕雾器形状，材料方面采用结构简单、造价低廉的散热效率较高的金属（推荐使用铝或铝合金），作为最终的捕雾器形状。集水器方面，则应该着重考虑材料的性能、成本、应用范围等方面，主要需要满足配合捕雾器的功能、形状；此外，还要尽可能保证集水器的环境状况、卫生条件，以此满足水质较为清洁。未来发展方向上，捕雾集水器能够满足大型网状类捕雾器受自然环境影响更小、整体造价成本更低廉、材料本身的性能更加优越。也能够满足小型类甲虫壳类捕雾器规格方面、水质方面以及性能发面更好的服务于人类。仿生物纳米技术需要得到更多的关注，从中获得启发有可能为雾水工程带来革命性的突破。不可否认，其存在诸多不确定因素。不单单是在材料方面需要加合理的选择，在结构设计方面更需要考虑自然条件、经济实力等等。正如哈特利说［4］：“无论在技术上还是商业上，捕雾集水的技术都尚不成熟。这项工作的前景是开放式的，一切都在进展当中。”

参考文献：

［1］玥声.捕雾集水新招［J］.百科知识，2008，24：12-13.

［2］张欣茹等.沙漠甲虫Stenocara与空气取水［J］.科技导报，2006，2 （24）：23-28.

［3］刘利勤等.未来水世界［J］.人与自然，2014，4：96-97.

［4］皮特·迪兹克斯.捕雾集水［J］.中国新闻周刊，2011，161：60-62.

［5］王明华.采水新技术-捕雾集水［J］.水资源研究，2013，3：48.

作者简介：王英夫（1994—），男，辽宁大连人，大连海洋大学本科在读，研究方向：给水排水工程。

通讯作者：宛立（1970—），女，辽宁海城人，副教授，研究方向：水处理技术。