大气中的水资源利用:雾和露水可持续集水方法综述.pdf
《大气中的水资源利用:雾和露水可持续集水方法综述.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大气中的水资源利用:雾和露水可持续集水方法综述.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、International Journal of Ecology 世界生态学世界生态学,2023,12(4),423-429 Published Online November 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/ije https:/doi.org/10.12677/ije.2023.124051 文章引用文章引用:杨晨曦,王健.大气中的水资源利用:雾和露水可持续集水方法综述J.世界生态学,2023,12(4):423-429.DOI:10.12677/ije.2023.124051 大气中的水资源利用:雾和露水可持续集水方大气中的水资源利
2、用:雾和露水可持续集水方法综述法综述 杨晨曦杨晨曦1,2,3,4*,王,王 健健1,2,3,4 1陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,陕西 西安 2陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西 西安 3自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,陕西 西安 4陕西省土地整治工程技术研究中心,陕西 西安 收稿日期:2023年10月8日;录用日期:2023年11月9日;发布日期:2023年11月21日 摘摘 要要 本文综述了大气中的雾和露水可持续集水方法。首先,介绍了全球范围内各种类型的集雾器及其集水性本文综述了大气中的雾和露水可持续集水方法。首先,介绍了全球范围内各种类型的集雾器及其集水性能,
3、并对一些可行性研究和效率改进的技术进行了回顾,其中包括以生物为灵感的现代创新技术。但是,能,并对一些可行性研究和效率改进的技术进行了回顾,其中包括以生物为灵感的现代创新技术。但是,由于全球雾发生的限制,雾收集技术在实际应用中存在困难。相比之下,露水采集器虽然需要冷却冷凝由于全球雾发生的限制,雾收集技术在实际应用中存在困难。相比之下,露水采集器虽然需要冷却冷凝表面,但更为普遍使用。最后,将露水收集系统分为三类:表面,但更为普遍使用。最后,将露水收集系统分为三类:1)使用辐射冷却表面收集露水,使用辐射冷却表面收集露水,2)太阳能太阳能干燥剂系统干燥剂系统,3)主动冷凝技术。所有这些方法的关键目标是
4、开发一种成本低廉、可以利用当地材料制造、主动冷凝技术。所有这些方法的关键目标是开发一种成本低廉、可以利用当地材料制造、无论湿度水平或地理位置如何,都能产生水的大气集水无论湿度水平或地理位置如何,都能产生水的大气集水器。器。关键词关键词 大气集水,集雾器,仿生大气集水,集雾器,仿生 Utilization of Water Resources in the Atmosphere:A Review of Methods for Continuously Collecting Water from Mist and Dew Chenxi Yang1,2,3,4*,Jian Wang1,2,3,4 1
5、Institute of Land Engineering and Technology,Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd.,Xian Shaanxi 2ShaanXi Provincial Land Engineering Construction Group Co.,Ltd.,Xian Shaanxi *通讯作者。杨晨曦,王健 DOI:10.12677/ije.2023.124051 424 世界生态学 3Key Laboratory of Degraded and Unused Land Cons
6、olidation Engineering,the Ministry of Land and Resources,Xian Shaanxi 4Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center,Xian Shaanxi Received:Oct.8th,2023;accepted:Nov.9th,2023;published:Nov.21st,2023 Abstract This article reviews the sustainable water collection methods
7、of fog and dew in the atmosphere.Firstly,various types of mist collectors and their water collection performance worldwide were introduced,and some feasibility studies and efficiency improvement technologies were reviewed,including modern innovative technologies inspired by biology.However,due to th
8、e limitations of global fog occurrence,there are difficulties in the practical application of fog collection technology.In contrast,dew collectors,although required to cool the condensing surface,are more commonly used.Finally,dew collection systems are divided into three categories:1)dew collection
9、 using ra-diative cooling surfaces,2)solar desiccant systems,and 3)active condensation technology.The key goal of all these methods is to develop a low-cost atmospheric water collector that can be manufactured using local materials and generate water regardless of humidity levels or geo-graphical lo
10、cation.Keywords Atmospheric Catchment,Mist Collector,Biomimetic Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.前言前言 水资源缺乏是自然资源中最重要的问题之一,不仅影响人类生存和发展,也严重威胁着全球生态
11、系统的完整性和生态平衡1 2。迄今为止,在全球范围内,水资源缺乏的人数约为 21 亿,直接影响人类的身体健康和生存环境,以及人类经济和社会的稳定性。因此加强水资源保护和开发新型水资源可以保障全球水资源的持续供应和可持续发展具有重要意义3 4。目前,已有许多方法可获取淡水,例如通过海水淡化、地下水抽取和雨水收集等5 6。显然,为了使水资源发挥效应,液态水必须可直接利用。在干旱半干旱地区,可直接利用的水资源较少,因此开发新型水资源供给具有重要意义。大气集水是一种利用大气中存在的水分,在特定条件下将其冷凝为液态水并收集起来的技术7 8。这种技术可以解决某些地区的缺水问题,特别是在那些水资源匮乏的地方
12、。它可以利用自然的水循环过程,收集大气中的水分,并将其转变为可用的水资源。目前,已经开发出了两种主要的大气集水装置:被动集水装置和主动集水装置。被动集水装置完全依赖于天气条件,用于收集预先凝结的露水或雾汽;而主动装置则利用太阳能在夜间湿度较高时收集大气水并使之凝结,或者连续循环工作,从而缩小了装置所需的尺寸。吸附式空气取水系统也是一个重要的研究方向,它涉及到吸附剂材料、装置结构、应用、驱动能源和环保安全性等多个方面。目前,已经开发出了多种吸附剂,包括基于物理吸附的传统固体吸附剂、具有理想孔道结构的新型聚合物吸附剂、以吸湿盐为主的化学吸附剂以及多孔基质与吸湿盐结合的复合吸附剂。然而,现有的 AW
13、H 方法,如雾收集和露水收集,都存在Open AccessOpen Access杨晨曦,王健 DOI:10.12677/ije.2023.124051 425 世界生态学 一些局限性。例如,雾收集过程只能在相对湿度达到 100%的环境中进行,而露水收集则需要高能耗的制冷方式来使水分凝结,且环境湿度不能低于 50%。本文综合了全球范围内各种类型的集雾器及其集水性能,并回顾了一些可行性研究和效率改进技术,其中包括以生物为灵感的现代创新技术。同时也讨论了全球雾发生限制对于雾收集技术在实际应用中存在困难的问题,并提出相比之下,露水采集器更为普遍使用的解决方法。最后,我们将露水收集系统分为三类,并探讨了
14、所有这些方法关键目标的开发方向,即建造一种成本低廉、可以利用当地材料制造、无论湿度水平或地理位置如何都能产生水的大气集水器。2.大气集大气集水水 大气集水技术的收集方式分为从雾中和从露水中收集水,因此集雾器可设计为被动集水装置和主动集水装置。动集水装置完全依赖天气条件,用于收集预先凝结的露水或雾汽;而主动装置则利用太阳能在夜间湿度较高时进行采集并凝水,或者连续循环工作,从而缩小了装置所需的尺寸。从雾中收集水主要是通过捕捉悬浮在空气中的可见云、雾或冰晶等固体颗粒实现9 10。另一种方式是从水蒸气中收集水,当水蒸气冷却到低于露点时形成“露水”11 12。对于雾水的收集,一般使用网状结构材料实现。而
15、收集露水的技术则分为主动冷凝和被动冷凝虽然被动冷凝效率较低,但能源消耗较少;而主动冷凝系统的能源消耗较大,但收集效率较高。2.1.传统集雾器传统集雾器 传统的雾水收集方法比较简单,通常使用网格结构材料,利用风力使雾与材料互动,网格可以筛选捕获雾水,随着重力作用被导流到水收集设备中13。该技术现在商业规模应用的主要材料是拉舍尔网,该材料的主要制备原料为聚乙烯14。拉舍尔网结构类似于网状塔,其上部形成水膜区域,水膜下部有支撑结构并与水库相连。当大气中的水分与水膜表面接触时,会快速蒸发,吸收大量热量并降低温度。随着温度的降低,水蒸气在水膜表面凝结为水滴,然后滴落到下方的收集桶中。拉舍尔网具有减轻干旱
16、地区水资源短缺问题,实现持续供水的显著优点,并且适用性较广,可以在各种气候条件下实现应用15。但是,该技术成本高,需要较大的空间。2.2.集雾器设计集雾器设计 大气集雾器会接触到大气中的水蒸汽,需要选用耐候性和抗化学腐蚀的材料,例如不锈钢、耐酸碱塑料等。大气集雾器的结构应该符合大气水汽运动规律,同时考虑空间利用率和材料损耗等因素。大气集雾器需要耗费一定能源,应该优先考虑使用节能型电器或者结合太阳能等可再生能源,减少能源消耗。雾水收集系统是利用材料作为风致雾的屏障,进而通过风中的雾与材料接触收集水分。尽管空气与雾收集装置发生碰撞,但它无法捕获雾中包含的所有液态水16 17。这是由于:1)雾可通过
17、雾水收集器周围;2)雾可穿过筛网开口;3)网可弹回气流中的液滴。研究雾水收集装置效率具有重要意义。捕获的水滴合并后通过重力作用移动至雾收集系统底部,并收集至水箱。在雾水收集与移动过程中水可通过蒸发等作用再次返回到气流中,降低了雾收集效率。影响雾收集的效率的因素主要有风速、雾含水量、液滴尺寸分布和网格特性,基于此,可通过方程(1)计算集雾器的集水器效率 coll 18。colcollloWv LWC=(1)式中,Wcoll(kg/s/m2)为每单位筛网面积的水流量,vo(m/s)是入射雾/气流的未扰动风速,LWC(kg/m3)是杨晨曦,王健 DOI:10.12677/ije.2023.12405
18、1 426 世界生态学 入射雾或气流的液态水含量。Rivera 18等人研究表明,集水效率可通过考虑以下条件来表达收集效率:1)空气动力学收集效率AC,基于将与雾网碰撞的未受扰动雾滴的数量计算。2)捕获效率 capt,拦截液滴实际被材料捕获的部分。3)排水效率 dr,由排水沟收集的筛网捕获的水的比例。collcaptdrAC=(2)在使用捕雾集水材料之前,评估其实用性具有重要现实意义。研究表明,通过干湿温度、相对湿度、风向和风速以及露点温度计算大气水蒸汽压、饱和蒸汽压和大气绝对湿度,之后通过使用方程(3)预测的集雾系统的可行性:()369%,33.6tZcollRHWHMU=(3)69%30R
19、HWH=,其中 RH 是气象站测量的相对湿度,WH 是潜在的收获水量(L/m2/天),下标 3 表示每 3 小时一次,U2 是地面以上 2 米高度处的风速,Mt是绝对湿度,其定义为特定温度下以 g/cm3空气为单位的湿度。通过研究了八个不同风向的风速值,结果表明,通过雾水收集装置可捕获大量空气中的水,潜在收集水量分别为 6.7 L/m2/天和 156.3 L/m2/天。2.3.网格拓扑研究网格拓扑研究 为了提高集雾器的性能,研究不同网格半径直径的集雾效率具有重要意义。通常,网格纤维半径 R和纤维的半间距 D 对于计算收集器效率的斯托克斯系数具有重要意义,斯托克斯数决定潮湿空气的惯性及其在流线上
20、的迁移,从而表明集雾器设计的有效性,因此较大的斯托克斯数表明雾水收集速率较高19。Rivera 18研究了空气动力学收集效率,结果表明网状物的两个重要特征是阴影系数和用于编织或编织网状物的纤维的特征,叠加模型结果表明可以通过在雾水收集器中引入凹面形状并改善网状纤维的空气动力学提高收集效率。2.4.表面润湿性表面润湿性 表面润湿性是指液体在固体表面上展开的倾向程度,是液体与固体界面之间的相互作用力20 21。在大气集水过程中,表面润湿性对于拉舍尔网的效率和水收集量具有重要影响。通常情况下,越容易在固体表面展开的液体,其表面润湿性就越强。对于拉舍尔网,使用具有更高表面润湿性的材料可以有效吸附集水。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 大气 中的 水资源 利用 露水 可持续 集水 方法 综述
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。