[發明專利]一種具有單向集霧功能的復合結構膜的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201811233836.0
• 申請日: 2018-10-23
• 公開（公告）號: CN109440866B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 趙勇;王女;胡榮俊
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: E03B3/28
• 分類號: E03B3/28;D01F6/32;D01F6/70
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

本發明公開了一種具有單向集霧功能的復合結構膜的制備方法及其應用，屬于化學仿生技術領域。該制備方法首先清洗銅網，配制聚合物溶液和氫氧化鉀溶液，然后將聚合物溶液在銅網上進行電紡絲，最后進行電化學氧化，銅網被氧化成氫氧化銅，表面覆蓋氫氧化銅納米針，納米針穿出聚合物纖維膜之間的孔徑。氫氧化銅為親水性的，聚合物纖維膜為疏水性的。霧氣接觸到納米針后傳遞到親水側，或者接觸到聚合物纖維膜聚集長大到接觸納米針，再傳遞到親水側，形成水膜。當霧滴碰到水膜，聚合物纖維膜或者納米針時，霧滴依然從疏水側傳輸到親水側，大大增加了集水效率。本發明制備方法簡單易操作，得到的復合結構膜性質穩定，集水效率高，應用廣泛。

技術領域

本發明屬于化學仿生技術領域，具體涉及一種具有單向集霧功能的復合結構膜的制備方法及其應用。

背景技術

在過去的幾十年里，由于社會和科技生活不斷進步，淡水短缺已經成為威脅人類社會的可持續發展的潛在危機。在最近的年度風險報告，世界經濟論壇將水危機列為最大的潛在影響的全球風險。世界上三分之二的土地都在缺水，特別是在半干旱和沙漠地區(參考文獻1：M.M.Mekonnen,A.Y.Hoekstra,Sci Adv 2016,2.)。同時，在沿海地區的人們也面臨淡水資源匱乏的問題，不得不花費大量能源對海水進行淡化。缺乏清潔和安全的飲用水嚴重危害了人類和其他生物的生存。

霧水，也就是微尺度的水，懸浮在空氣中的水滴，半徑從1μm到100μm。大氣水霧約占全球所有淡水的10％，被認為是一個非常有用和有前途的飲用水資源(參考文獻2：H.Kim,S.Yang,S.R.Rao,S.Narayanan,E.A.Kapustin,H.Furukawa,A.S.Umans,O.M.Yaghi,E.N.Wang,Science 2017,356,430.)。如果能使霧氣中的水份凝結并收集，可以在很大程度上緩解人們的飲水危機。

對于生存在缺水地區的生物而言，自然界中的生物通過長期的進化，使其能獲取空氣中的水份。沙漠中存活的仙人掌得益于其表面生長的錐狀小刺，在Laplace壓差和能量梯度作用下，這些小刺不僅可以收集空氣中的水分，并且能夠把水分定向運輸到小刺根部，最終被仙人掌的表面的絨毛吸收(參考文獻3：J.Ju,H.Bai,Y.Zheng,T.Zhao,R.Fang,L.Jiang,Nat Commun 2012,3,1247.)。蛛絲上水滴兩側表面曲率不同，帶來水滴兩側的Laplace壓差，能量梯度可以驅動其向蛛絲上紡錘節處的水滴移動(參考文獻4：Y.Zheng,H.Bai,Z.Huang,X.Tian,F.Q.Nie,Y.Zhao,J.Zhai,L.Jiang,Nature 2010,463,640.)。對于沙漠中甲殼蟲，他們的背是交替的疏水性的蠟涂層和親水性的非蠟質物質構成。親水區可以用來收集水滴，而疏水區用來運輸這些液滴(參考文獻5：A.R.Parker,C.R.Lawrence,Nature 2001,414,33.)。這也為仿生制備低能耗，高效率的新型集水材料提供了思路。

近年來，通過利用一系列方法，制備了仿仙人掌錐形刺的一維結構，甲殼蟲親疏相間二維結構，并研究他們的集水效率。即使如此，這些方法操作較為復雜，且集水效率不高。

發明內容

針對現有一維材料以及二維材料集水效率不高，無法滿足廣大缺水地區對水的需要，制備工藝復雜且成本高等缺陷，本發明提出一種具有單向集霧功能的復合結構膜的制備方法及其應用，可以高效的收集空氣中的微小水滴使之成為淡水，并能實現霧滴單向地從疏水一側運輸到親水一側。

本發明提供的具有單向集霧功能的復合結構膜的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：銅網的清洗；

將銅網依次放入乙醇、丙酮以及去離子水中，分別超聲清洗30min，去除附著在銅網上的油漬及雜質。

步驟二：配制質量百分比濃度為10-20％的聚合物溶液，以及濃度為1.0-3.0mol/L的氫氧化鉀溶液；