一種基于PDMS的微型空氣取水裝置研究*

王貝貝，李 爻，李松晶

(哈爾濱工業大學流體控制及自動化實驗室，黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

在干旱或不易于獲得淡水的地區，直接從空氣中生成淡水是獲得淡水資源的重要手段之一?，F有的空氣取水裝置可以分為兩種類型［1］:冷卻結露式［2-3］和吸附解吸式［4-5］。

加拿大不列顛哥倫比亞省基隆拿Element Four 公司生產的一種新型冷卻結露式家用空氣取水機“水磨”可以從戶外空氣中轉換出一定量淡水資源。但由于冷卻結露式空氣取水裝置結構復雜體積龐大，只適用于日常應用中的固定取水場合，并且冷卻結露式取水裝置的取水效率以及產水量的都受到一定限制，其發展遠不如吸附解吸式。Hu 等人設計了一種基于PDMS 和微觀親水金屬球的吸附解吸式空氣取水裝置，實驗表明在金屬球表面能夠生成大量的小水滴。聚二甲基硅氧烷PDMS 是一種有著彈性、透明、靈活的表面化學性質，低滲水率和高導電性等優異物化特性的柔和聚合物［6］。

本研究在PDMS 應用的基礎上，采用吸附效果更佳的吸附材料，設計一種微型便攜式取水裝置，適用于野外生存和緊急救生等場合。

1 空氣取水裝置的結構及工作原理

本研究所設計微型空氣取水裝置結構圖如圖1 所示。裝置包括:微流道膜，吸濕材料，平膜，PI 電熱膜，單向閥，收集槽以及電源等幾部分。裝置中微流道膜由PDMS 制成，包含有空腔和微流道。

圖1 空氣取水裝置的結構圖

吸濕材料選用有機高分子類吸濕材料，并對其中的分子篩、硅膠和氧化鋁3 種材料的吸濕性能進行了測試如圖2 所示。經過比較得出，硅膠是目前研究的吸附劑中最適宜應用于吸附解吸式空氣取水的吸濕材料。水蒸汽在微流道膜上的微流道內冷凝成水滴，并沿著微流道流出。平膜由PDMS 薄膜材料加工而成，用來與微流道膜形成密閉的空腔并使吸濕材料能夠從空氣中吸收水。PI 電熱膜(6 000 W/m2)用來在解吸附過程中加熱硅膠。單向閥用來限制水和空氣的流動方向。

圖2 分子篩、硅膠和氧化鋁吸濕性能比較

1．1 吸濕材料

本研究所采用的吸濕材料為硅膠，是一種結構仿似硬海綿的高度多孔固體吸附材料。

硅膠的表面如圖3 所示。

圖3 硅膠的表面

它具有由無數微尺度孔洞形成的巨大內表面積和一個能夠提供連接內部微尺度孔洞與材料外表面通道的毛細管道系統。

硅膠的吸附特性可以從圖2 中得出。吸水量在相對濕度到達60%以前基本隨其線性增加，之后吸水量緩慢增長直到相對濕度達到100%時保持穩定在40%左右。在絕大多數非干旱情況下大氣相對濕度在30%～100%之間，這說明硅膠在例如大氣這樣的環境中具有相對優良的吸水性能。

當具有較高相對濕度的氣流經過硅膠時，水汽將被硅膠從氣流中吸收。但是當硅膠被加熱時，水分將從硅膠中解吸附出來并匯入氣流中。當硅膠被加熱到373．15 K 時所含水的質量將小于3%。［7］在正常情況下了，硅膠不能完成其他物質的吸附和解吸附轉化，故而溶于水的物質將不能存在于被吸附的水中，并且將會在解吸附時被排除掉。這些性質使得硅膠成為可以提供直接飲用淡水空氣取水裝置的合適材料。

1．2 PDMS

PDMS 是一種有著彈性、透明、靈活的表面化學性質，低滲水率和高導電性等優異物化特性的柔和聚合物。PDMS 的性能使其成為微型化多層微流道系統和生物學研究的理想平臺。單層和多層的微流道系統都是直接由PDMS 合成而來的，需要設施包括攪拌器，氣動開關和閥，以及光學元件。生物學上基于PDMS 的微型設備用途包括免疫分析，蛋白質和DNA 的分離以及細胞的分類和操縱［8］。由于本身的黏附性較好，刻有微結構的PDMS 基片可以與同種材質或多種不同材質的蓋片例如硅、玻璃，實現可逆或不可逆封接;固態PDMS 透明性好而能與其他微流體檢測裝置想兼容，便于肉眼觀測;因為其無毒，透氣性高、生物兼容性好，制作工藝簡單、材料及加工成本低，可批量生產，而適用于本空氣取水裝置。

1．3 工作原理

裝置工作原理、空氣取水裝置結構圖如圖4、圖5 所示。

圖4 工作原理

在吸附階段，氣流經單向閥進入空氣取水裝置中，氣流中的水蒸汽被硅膠吸收。在解吸附階段，硅膠被PI電熱膜加熱并釋放出水蒸汽。水蒸汽在微流道中被冷凝成液滴，同時由于熱空氣的膨脹，液滴被壓出流道［9］。

2 空氣取水裝置的仿真分析

為分析本研究空氣取水裝置的工作特性，筆者選擇用有限元分析方法對取水裝置的吸附和解吸附過程進行仿真。本研究建立3D 模型并選用在中間橫截面(圖5 中的面A-A)上的液態水與水蒸汽的體積分數作為分析變量。仿真分析結果如圖6 所示。在解吸附過程的最初25 s，吸附腔內水蒸汽的體積分數是增長的。之后從30 s～60 s，隨著水蒸汽逐漸在微流體管道中被冷凝成液滴，吸附腔內水蒸汽體積分數減少。整個解吸附過程中，在吸附腔內的液態水體積分數不斷減少而在微流道中液態水體積分數則是一直增加的。

圖5 空氣取水裝置結構圖

圖6 仿真分析結果

計算出口處液態水流速，并由式(1)可知，解吸附過程中空氣取水裝置的取水流量為0．027 5 g/min:

式中:qm—流量，g/min;ρ—密度，g/ml;vn—流速，mm/min;A—面積，mm2．

3 空氣取水裝置的試驗

3．1 空氣取水裝置的制備

利用PDMS 材料的特性，本研究使用軟刻蝕技術對空氣取水裝置進行加工，軟刻蝕技術簡圖如圖7 所示。另外一種常用的微流道系統加工辦法是多層堆積3D 打印技術［10-11］。

圖7 軟刻蝕技術簡圖

3．1．1 制模

獲取模具的一種常用方法是使用具有高分辨率的玻璃作為光掩膜的刻蝕技術。

3．1．2 刻蝕

利用軟印法進行PDMS 微流控芯片的微加工過程是這樣的，首先是設計出PDMS 微流控芯片的結構，其次是加工出符合設計要求的模具(Master)，然后是利用復模法得到上有微流道的PDMS 薄片，最后是封裝過程。PDMS 由固化劑和基體材料兩種成分合成得到。固化劑中的硅烷基與基體材料中的乙烯基發生反應形成交聯的高彈性固體。利用復模法得到上有微流道的PDMS 薄片需要將固化劑和基體材料混合均勻后傾倒在模具面上。液體PDMS 預聚物能高精度(數10 nm)地刻蝕出模具的形狀。

3．1．3 封裝

PDMS 的一個優良特性是其具有可逆或不可逆的與自身或其他表面密封的特性。加工空氣取水裝置利用的是PDMS 不可逆密封性能。不可逆密封時應當將待密封的表面暴露在等離子清洗機中。兩表面必須在氧化后快速(＜1 min)接觸。

利用軟光刻技術加工出PDMS 材料的平膜，框架和微流道并在其上打一個用來安裝單向閥的直徑3 mm的孔。本研究將直徑大約2 mm 的硅膠顆粒放入框架中的吸附腔內并用薄膜將微流道和框架結構不可逆密封，安裝單向閥并在其周圍涂抹PDMS將其固定，將兩片PI 電熱膜封裝到取水裝置的兩側，完成封裝。

3．2 空氣取水裝置的實驗測試

空氣取水裝置的實驗測試如圖8 所示。外部電源對PI 電熱膜供電，使得空氣取水裝置的工作環境溫度保持在80 ℃左右。在解析附開始階段，解吸附過程中總產水體積如圖9 所示，在收集管道中可觀測到凝結的水珠。解吸附過程持續大約10 min，取水量總體積略大于0．2 ml，實驗結果與仿真的結果相一致。

圖8 裝置試樣在解吸附兩分鐘時產水效果

實驗過程中還發現，裝置的密封性對實驗的成功與否至關重要。如果裝置出現漏氣的情況，除了高濕度高壓水蒸氣會從該處流失以外，由于該處氣壓降低等原因，高溫水蒸汽會在該處成水珠，而不會按照設計通過在微流道中冷凝，移動到收集裝置，對裝置的收集效率影響很大。

圖9 解吸附過程中總產水體積

4 結束語

基于新型材料PDMS 本研究設計了一種吸附解析式微型空氣取水裝置，并對該空氣取水裝置的結構及工作原理進行了詳細描述。利用有限元分析方法仿真了該裝置的工作過程及取水效率，并通過實驗進行了驗證。

研究結果表明，空氣取水裝置能夠在10 min 的解析附過程中收集淡水約0．2 ml，與有限元理論分析結果0．027 5 g/min 相一致。由于測量條件的限制，無法對實驗過程中取水速率進行測量。對于實驗測試結果與理論分析的誤差分析，一方面是實驗測試的不精確;另一方面，在實驗過程中裝置密封性對取水效率有較大影響。

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