[发明专利]一种仿植物根系集水装置

说明书

本发明公开了一种仿植物根系集水装置，包括NaCl溶液储存腔、超亲水复合材料纤维膜、亲水性纳滤膜、橡胶活塞、弹簧支撑装置、限位装置、位移传感器、淡水收集箱、反渗透装置、高压泵、减压阀、管道开关和浓盐水进水口；NaCl溶液储存腔内的低浓度NaCl溶液通过下部管路出口进入高压泵，提高了溶液的进水压力，再经过反渗透装置后淡水进入淡水收集箱，高压浓盐水经过减压阀减压后返回NaCl溶液储存腔。本发明一种仿植物根系集水装置首次尝试从土壤中获取水分，由于土壤与水的结合力比较强，所以本发明采用超亲水复合材料纤维膜以及高浓度NaCl溶液的高渗透压，强势从土壤中夺取水分，得到浓度较低的NaCl溶液；之后利用反渗透装置除盐达到持续获得淡水的目的。

技术领域

本发明属于制水设备技术领域，具体涉及一种仿植物根系集水装置。

背景技术

随着全球经济高速发展，人口数量持续增加，全球淡水资源短缺成为了一个急需解决的问题。地球大气层的厚度有十万米，其中水蒸气含量可达425g/m 3，因此从空气中制水是一种缓解淡水资源短缺行之有效的方案。但是与土壤中的含水量相比，空气中的含水量基本就是九牛一毛。从土壤中获取淡水资源也是一种很好的选择，但是由于水与土壤的结合力比较大，想从土壤中夺取水分困难是很大的。

对于陆生植物来说，土壤中的水分从土壤流向植物根系表面，穿过根系表面进入木质部，由根部的木质部经过茎部的木质部输送到叶片的木质部，再到叶内蒸腾部位，最后转化为气态转移到外界大气中去，这样就形成了一个连续的动态系统。在这个过程中，植物根系吸水起着重要作用。

陆生植物生长发育、新陈代谢等过程都离不开水资源，植物从土壤中吸水主要依靠其根部组织。植物根系的吸水机制分为两种，一种是在蒸腾作用较弱的情况下由于离子浓度的差异而使根内外产生水势差引起的主动吸水；另一种是在蒸腾作用较强的情况下由于蒸腾作用产生的水势差而使根系吸水-被动吸水。正常情况下，这两种吸水作用不是单独存在的。

静电纺丝技术分为熔体静电纺丝技术和溶液静电纺丝技术，是一种新兴的制造技术，是利用高压电场产生的静电力来拉伸聚合物液滴，当电场力足够大的时候，克服了聚合物表面张力的作用进而形成了微米或纳米级的纤维，沉积在负极接收板上，形成类似于无纺布的微米级纤维膜、纳米级纤维膜。由于静电纺丝技术操作简单、效率高，已被普遍用于制备微米纤维以及纳米纤维，进而生产出各种孔径在微米级尺度以及纳米级尺度的纤维膜。

鉴于淡水资源严重缺乏，有必要建立一个快速高效从土壤中制水的装置，进一步净化后作为饮用水使用。本发明通过模拟植物根系集水机理，利用渗透压来进行高效制水。

发明内容

本发明针对现有淡水资源缺乏的问题，提出了一种仿植物根系集水装置。其中利用超亲水复合材料纤维膜和高浓度NaCl溶液(NaCl质量分数在15％-30％)，可以有效地从土壤中夺取水分。该装置中的NaCl溶液储存腔容积可变，液面增加量与弹簧的位移量相等，保证了超亲水复合材料纤维膜与土壤表面始终接触，在这种情况下，由于土壤中的水与NaCl溶液存在较大的渗透压差，土壤中的水分先吸附在超亲水复合材料纤维膜上，进而在渗透压的作用下通过亲水性纳滤膜进入NaCl溶液中；超亲水复合材料纤维膜下面的亲水性纳滤膜，阻止了NaCl溶液中的Na+和Cl-渗透到土壤中去；这种方式克服了土壤与水较强的结合力的问题，利用高浓度NaCl溶液的高渗透压以及超亲水复合材料纤维膜的极低水接触角强势从土壤中夺取水分，快速有效地从土壤中获取水资源；此外采用反渗透装置对收集的溶液进行过滤，通过高压泵提高进水压力进而克服渗透压，水分子就可以穿过复合反渗透膜，再经过管路的传输，淡水就进入了淡水储存装置，而复合反渗透膜上方的高压高浓度NaCl溶液经过减压阀减压后通过管路返回NaCl溶液储存腔；反渗透装置中采用U形管设计，确保复合反渗透膜下方与水接触，减小了盐水的反渗透阻力，进一步减小了功率消耗；该装置采用太阳能电池板供电，使用逆变器将直流电源改变为交流电，供高压泵使用。该装置中超亲水复合材料纤维膜和亲水性纳滤膜具有较小的孔径，可以阻挡大量的颗粒物以及其他污染物，起到了对收集的水进行初步过滤的作用。