一种基于PDMS的微型空气取水装置研究*

王贝贝，李 爻，李松晶

(哈尔滨工业大学流体控制及自动化实验室，黑龙江哈尔滨150001)

0 引 言

在干旱或不易于获得淡水的地区，直接从空气中生成淡水是获得淡水资源的重要手段之一。现有的空气取水装置可以分为两种类型［1］:冷却结露式［2-3］和吸附解吸式［4-5］。

加拿大不列颠哥伦比亚省基隆拿Element Four 公司生产的一种新型冷却结露式家用空气取水机“水磨”可以从户外空气中转换出一定量淡水资源。但由于冷却结露式空气取水装置结构复杂体积庞大，只适用于日常应用中的固定取水场合，并且冷却结露式取水装置的取水效率以及产水量的都受到一定限制，其发展远不如吸附解吸式。Hu 等人设计了一种基于PDMS 和微观亲水金属球的吸附解吸式空气取水装置，实验表明在金属球表面能够生成大量的小水滴。聚二甲基硅氧烷PDMS 是一种有着弹性、透明、灵活的表面化学性质，低渗水率和高导电性等优异物化特性的柔和聚合物［6］。

本研究在PDMS 应用的基础上，采用吸附效果更佳的吸附材料，设计一种微型便携式取水装置，适用于野外生存和紧急救生等场合。

1 空气取水装置的结构及工作原理

本研究所设计微型空气取水装置结构图如图1 所示。装置包括:微流道膜，吸湿材料，平膜，PI 电热膜，单向阀，收集槽以及电源等几部分。装置中微流道膜由PDMS 制成，包含有空腔和微流道。

图1 空气取水装置的结构图

吸湿材料选用有机高分子类吸湿材料，并对其中的分子筛、硅胶和氧化铝3 种材料的吸湿性能进行了测试如图2 所示。经过比较得出，硅胶是目前研究的吸附剂中最适宜应用于吸附解吸式空气取水的吸湿材料。水蒸汽在微流道膜上的微流道內冷凝成水滴，并沿着微流道流出。平膜由PDMS 薄膜材料加工而成，用来与微流道膜形成密闭的空腔并使吸湿材料能够从空气中吸收水。PI 电热膜(6 000 W/m2)用来在解吸附过程中加热硅胶。单向阀用来限制水和空气的流动方向。

图2 分子筛、硅胶和氧化铝吸湿性能比较

1．1 吸湿材料

本研究所采用的吸湿材料为硅胶，是一种结构仿似硬海绵的高度多孔固体吸附材料。

硅胶的表面如图3 所示。

图3 硅胶的表面

它具有由无数微尺度孔洞形成的巨大内表面积和一个能够提供连接内部微尺度孔洞与材料外表面通道的毛细管道系统。

硅胶的吸附特性可以从图2 中得出。吸水量在相对湿度到达60%以前基本随其线性增加，之后吸水量缓慢增长直到相对湿度达到100%时保持稳定在40%左右。在绝大多数非干旱情况下大气相对湿度在30%～100%之间，这说明硅胶在例如大气这样的环境中具有相对优良的吸水性能。

当具有较高相对湿度的气流经过硅胶时，水汽将被硅胶从气流中吸收。但是当硅胶被加热时，水分将从硅胶中解吸附出来并汇入气流中。当硅胶被加热到373．15 K 时所含水的质量将小于3%。［7］在正常情况下了，硅胶不能完成其他物质的吸附和解吸附转化，故而溶于水的物质将不能存在于被吸附的水中，并且将会在解吸附时被排除掉。这些性质使得硅胶成为可以提供直接饮用淡水空气取水装置的合适材料。

1．2 PDMS

PDMS 是一种有着弹性、透明、灵活的表面化学性质，低渗水率和高导电性等优异物化特性的柔和聚合物。PDMS 的性能使其成为微型化多层微流道系统和生物学研究的理想平台。单层和多层的微流道系统都是直接由PDMS 合成而来的，需要设施包括搅拌器，气动开关和阀，以及光学元件。生物学上基于PDMS 的微型设备用途包括免疫分析，蛋白质和DNA 的分离以及细胞的分类和操纵［8］。由于本身的黏附性较好，刻有微结构的PDMS 基片可以与同种材质或多种不同材质的盖片例如硅、玻璃，实现可逆或不可逆封接;固态PDMS 透明性好而能与其他微流体检测装置想兼容，便于肉眼观测;因为其无毒，透气性高、生物兼容性好，制作工艺简单、材料及加工成本低，可批量生产，而适用于本空气取水装置。

1．3 工作原理

装置工作原理、空气取水装置结构图如图4、图5 所示。

图4 工作原理

在吸附阶段，气流经单向阀进入空气取水装置中，气流中的水蒸汽被硅胶吸收。在解吸附阶段，硅胶被PI电热膜加热并释放出水蒸汽。水蒸汽在微流道中被冷凝成液滴，同时由于热空气的膨胀，液滴被压出流道［9］。

2 空气取水装置的仿真分析

为分析本研究空气取水装置的工作特性，笔者选择用有限元分析方法对取水装置的吸附和解吸附过程进行仿真。本研究建立3D 模型并选用在中间横截面(图5 中的面A-A)上的液态水与水蒸汽的体积分数作为分析变量。仿真分析结果如图6 所示。在解吸附过程的最初25 s，吸附腔内水蒸汽的体积分数是增长的。之后从30 s～60 s，随着水蒸汽逐渐在微流体管道中被冷凝成液滴，吸附腔内水蒸汽体积分数减少。整个解吸附过程中，在吸附腔内的液态水体积分数不断减少而在微流道中液态水体积分数则是一直增加的。

图5 空气取水装置结构图

图6 仿真分析结果

计算出口处液态水流速，并由式(1)可知，解吸附过程中空气取水装置的取水流量为0．027 5 g/min:

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

3 空气取水装置的试验

3．1 空气取水装置的制备

利用PDMS 材料的特性，本研究使用软刻蚀技术对空气取水装置进行加工，软刻蚀技术简图如图7 所示。另外一种常用的微流道系统加工办法是多层堆积3D 打印技术［10-11］。

图7 软刻蚀技术简图

3．1．1 制模

获取模具的一种常用方法是使用具有高分辨率的玻璃作为光掩膜的刻蚀技术。

3．1．2 刻蚀

利用软印法进行PDMS 微流控芯片的微加工过程是这样的，首先是设计出PDMS 微流控芯片的结构，其次是加工出符合设计要求的模具(Master)，然后是利用复模法得到上有微流道的PDMS 薄片，最后是封装过程。PDMS 由固化剂和基体材料两种成分合成得到。固化剂中的硅烷基与基体材料中的乙烯基发生反应形成交联的高弹性固体。利用复模法得到上有微流道的PDMS 薄片需要将固化剂和基体材料混合均匀后倾倒在模具面上。液体PDMS 预聚物能高精度(数10 nm)地刻蚀出模具的形状。

3．1．3 封装

PDMS 的一个优良特性是其具有可逆或不可逆的与自身或其他表面密封的特性。加工空气取水装置利用的是PDMS 不可逆密封性能。不可逆密封时应当将待密封的表面暴露在等离子清洗机中。两表面必须在氧化后快速(＜1 min)接触。

利用软光刻技术加工出PDMS 材料的平膜，框架和微流道并在其上打一个用来安装单向阀的直径3 mm的孔。本研究将直径大约2 mm 的硅胶颗粒放入框架中的吸附腔内并用薄膜将微流道和框架结构不可逆密封，安装单向阀并在其周围涂抹PDMS将其固定，将两片PI 电热膜封装到取水装置的两侧，完成封装。

3．2 空气取水装置的实验测试

空气取水装置的实验测试如图8 所示。外部电源对PI 电热膜供电，使得空气取水装置的工作环境温度保持在80 ℃左右。在解析附开始阶段，解吸附过程中总产水体积如图9 所示，在收集管道中可观测到凝结的水珠。解吸附过程持续大约10 min，取水量总体积略大于0．2 ml，实验结果与仿真的结果相一致。

图8 装置试样在解吸附两分钟时产水效果

实验过程中还发现，装置的密封性对实验的成功与否至关重要。如果装置出现漏气的情况，除了高湿度高压水蒸气会从该处流失以外，由于该处气压降低等原因，高温水蒸汽会在该处成水珠，而不会按照设计通过在微流道中冷凝，移动到收集装置，对装置的收集效率影响很大。

图9 解吸附过程中总产水体积

4 结束语

基于新型材料PDMS 本研究设计了一种吸附解析式微型空气取水装置，并对该空气取水装置的结构及工作原理进行了详细描述。利用有限元分析方法仿真了该装置的工作过程及取水效率，并通过实验进行了验证。

研究结果表明，空气取水装置能够在10 min 的解析附过程中收集淡水约0．2 ml，与有限元理论分析结果0．027 5 g/min 相一致。由于测量条件的限制，无法对实验过程中取水速率进行测量。对于实验测试结果与理论分析的误差分析，一方面是实验测试的不精确;另一方面，在实验过程中装置密封性对取水效率有较大影响。

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