柔性跨尺度水雾收集器件及其集水保水效应研究

作     者：唐晓轩 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李国强

授予年度：2021年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 

主      题：多仿生策略复合 跨尺度结构 高效水雾收集 长效抗蒸发保水 大规模组装 

摘      要：随着人类社会的不断发展,人口不断增长,对于洁净淡水资源的需求也在逐年上升,我国尤其面临着人均可用水量仅达到世界平均水平的25%的严重缺水问题。究其原因,占比全国总淡水用量一半以上的农业用水浪费率居高不下是主要根源之一。为解决水资源短缺问题,受自然界生命启发的功能性结构或装置在收集净水资源方面显示出巨大的潜力。而尽管在液滴的捕获和定向运输方面已经取得了许多科研成果,但对于实际的生活使用来说,如何有效地储存收集的水以供直接利用和减少浪费却很少得到研究。本课题受荻草叶鞘长效贮水特性的启发,研究发现了全新的仿生保水策略,结合已有的成熟微流控策略,通过飞秒激光直写加工技术与传统纸艺技术,设计制备了一种具有抗蒸发保水功能的柔性水雾收集器件,可实现高效收集水雾并对其进行长期储存。并且得益于器件的柔性,多个器件的组合可以直接穿戴于植物茎秆之上以提高植物的集水效率和保水效果,从而具有直接应用于农业灌溉与盆栽养护等实际应用场合的优异实用价值。该器件由具有高效水雾收集性能的微刺圆阵与具有长效保水抗蒸发能力的储水环组成。本研究详细地对其多种仿生微流控策略有机结合所实现的高效水雾收集与长效抗蒸发保水功能进行了性能表征与原理分析。而对冠状水雾收集器件的性能实验显示,与单个器件相比,多器件组合后的集水保水性能提升幅度并不随组合数目的增多而降低,证明了其优良的可拓展性,适于进行大规模使用。综上所述,本研究提出了一种新颖的多驱动力共同作用的微流控设计策略,发现了一种新颖的依靠结构实现抗蒸发的保水机理,并为解决淡水资源危机问题构建了一条减少蒸发浪费的新思路。