本发明属于仿生技术领域，具体地，本发明涉及一种基于锥形针阵列的空气水分收集装置及其制备方法和应用。
背景技术：
现有的集水技术，绝大多数都是从雾气中收集水，但其实雾气中本身就存在微小的水滴，现有技术只是将水滴捕获，相对容易实现；而在多数干旱缺水的地区，是不会有雾气存在的，这也严重制约了现有技术的应用，无法真正解决问题。而少数通过冷凝集水的技术，因为冷凝水会在材料表面形成水膜，水膜的存在会使传热效率急剧下降，尤其是在连续使用了一段时间(约半小时到一小时)之后，集水效率会越来越低。现有的集水技术因为水膜的存在，只能在高温高湿度的环境下使用，而且必须是流通的湿润空气，无法真正使用到水资源匮乏的地区。因此，需要一种可连续高效的在水资源匮乏区域使用的空气水分收集装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提供一种基于锥形针阵列的空气水分收集装置，该装置引入了锥形结构驱动的概念，成功解决了水膜对集水的影响，可以实现连续高效的冷凝集水。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于锥形针阵列的空气水分收集装置，所述空气水分收集装置包括垂直排列于金属片1一侧表面上的锥形针阵列2；
所述金属片1的另一侧表面与制冷片3的制冷面贴合；
所述锥形针阵列2中的每一根锥形针的亲水性表面呈交错分布的棒状结构，所述棒状结构具有纳米级直径和微米级的长度。
优选地，所述锥形针阵列2中锥形针的高度为10～30毫米。
本发明中，所述锥形针阵列2中锥形针的亲水性表面的接触角在0°到90°之间。
本发明中，所述每一根锥形针是铜丝经过梯度电化学腐蚀和表面亲水化修饰得到。
优选地，所述金属片为铜片。本领域技术人员还可以选择其他金属片，比如铁片等。
本发明还提供了一种基于锥形针阵列的空气水分收集装置的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)将直径0.5～1毫米的铜丝表面的绝缘层或氧化层用砂纸打磨掉，截取5～15厘米长度，清洗干净；
2)在可匀速上下来回移动的平台上，用烧杯装满0.05～0.15摩尔每升的硫酸铜水溶液，将步骤1)得到的铜丝竖直悬置于液面上，没入液面1～5厘米，并用导线接入直流稳压电源的正极；将接入直流稳压电源负极的电极也放置于烧杯中；打开直流稳压电源，并使平台匀速上下来回移动，行程为10～30毫米，得到梯度电化学腐蚀的锥形针；
3)将步骤2)得到的梯度电化学腐蚀的锥形针，置于0.5～1.5摩尔每升氢氧化钠和0.01～0.1摩尔每升过硫酸钠的共同水溶液中7分钟以上，得到表面亲水化修饰的锥形针；
4)取若干根步骤3)得到的表面亲水化修饰的锥形针，均截取前端10～30毫米的锥形部分，以阵列的方式排布垂直焊接在金属片一侧表面上，金属片的另一侧表面用导热硅酯贴合于半导体制冷片的制冷面上，得到使用半导体制冷的基于锥形针阵列的空气水分收集装置。
本发明中，所述接入直流稳压电源负极的电极为铜电极。
本发明还提供了上述的基于锥形针阵列的空气水分收集装置在空气中收集水分的应用。
本发明受仙人掌刺能在雾气中集水并能单向驱动启发，模拟这种在气/液/固三相系统中的锥形结构，使用铜丝为原料，采用梯度电化学腐蚀和表面亲水化修饰的方法，得到表面具有微米级与纳米级复合结构的锥形针，垂直排列于金属片表面；金属片另一侧用半导体制冷片制冷，即得到本发明的使用半导体制冷的基于锥形针阵列的空气水分收集装置。
在本发明的使用半导体制冷的基于锥形针阵列的空气水分收集装置中，每一根亲水的锥形针的表面在进行水分收集时主要分为以下三个步骤：凝结、水滴长大和自驱动。经过半导体制冷的锥形针在置于空气中时，空气中的水分会在冷的锥形针表面达到并超过露点，亲水的锥形针的表面可以迅速吸附空气中的微小水滴，并在锥形针的表面铺展；在锥形针的表面收集到的水滴会慢慢长大到十几到几十微米；在锥形针的表面的水滴会受到拉普拉斯压差而产生的指向锥形针的锥形结构根部的力(laplaceforce)的作用，并且随着水滴的长大，laplaceforce逐渐增大到可以驱动水滴(10-7n)，水滴就会被驱动向锥形结构的根部自发移动。而锥形针的表面的粗糙结构可以增强laplaceforce，使收集的水滴更易于被驱动。该锥形针可以很好的从空气中收集水分，并将收集到的水滴自发驱动到锥形结构的根部，水滴离开后露出的新表面又可以开始下一个集水循环，从而实现连续的水分收集。
附图说明
图1为本发明空气水分收集装置的结构示意图；
图2为本发明制备锥形针的装置的结构示意图；
图3为本发明制备过程中梯度电化学腐蚀的锥形针的扫描电镜图；
图4为图3中锥形针的表面放大图；
图5为本发明制备过程中表面亲水化修饰的锥形针的扫描电镜图；
图6为图5中锥形针的表面放大图；
附图标记：1、金属片；2、锥形针阵列；3、制冷片。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种基于锥形针阵列的空气水分收集装置，所述空气水分收集装置包括垂直排列于金属片1一侧表面上的锥形针阵列2；
所述金属片1的另一侧表面与半导体材料制作的制冷片3的制冷面贴合；
所述锥形针阵列2中的每一根锥形针的亲水性表面呈交错分布的棒状结构，所述棒状结构具有纳米级直径和微米级的长度。
所述金属片为铜片，所述锥形针阵列2中锥形针的高度为10～30毫米。
本发明中，所述锥形针阵列2中锥形针的亲水性表面的接触角在0°到80°之间。
本发明中，所述每一根锥形针是铜丝经过梯度电化学腐蚀和表面亲水化修饰得到。
实施例2
一种基于锥形针阵列的空气水分收集装置的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)将直径0.5～1毫米的铜丝表面的绝缘层或氧化层用砂纸打磨掉，截取5～15厘米长度，清洗干净；
2)在可匀速上下来回移动的平台(如图2所示)上，用烧杯装满0.05～0.15摩尔每升的硫酸铜水溶液，将步骤1)得到的铜丝竖直悬置于液面上，没入液面1～5厘米，并用导线接入直流稳压电源的正极；将接入直流稳压电源负极的电极也放置于烧杯中；打开直流稳压电源，并使平台匀速上下来回移动，行程为10～30毫米，得到梯度电化学腐蚀的锥形针，采用扫描电镜检测，结果如图3和图4所示，图4是图3的锥形针表面放大图，从图3和图4可以看出，其表面形貌为：二十～三十纳米的颗粒构成的几百纳米起伏的丘陵状形貌，表面对水的接触角大约为60～80度；
3)将步骤2)得到的梯度电化学腐蚀的锥形针，置于0.5～1.5摩尔每升氢氧化钠和0.01～0.1摩尔每升过硫酸钠的共同水溶液中7分钟以上，得到表面亲水化修饰的锥形针，采用扫描电镜检测，结果如图5和图6所示，图6是图5的锥形针表面放大图，从图5和图6可以看出，其表面形貌为：呈交错分布的棒状结构，所述棒状结构的直径在50-150纳米，长度在5-10微米；
4)取若干根步骤3)得到的表面亲水化修饰的锥形针，均截取前端10～30毫米的锥形部分，以阵列的方式排布垂直焊接在铜片一侧表面上，铜片的另一侧表面用导热硅酯贴合于半导体制冷片的制冷面上，得到使用半导体制冷的基于锥形针阵列的空气水分收集装置。
本发明中，所述接入直流稳压电源负极的电极为铜电极。
集水效果测试
应用实例：取25根锥形针，焊接在3厘米×3厘米的铜片上。制冷片用3伏电池供电(2节aa电池)，放置于20摄氏度60％相对温度的环境内，无空气对流，1小时收集水约为20毫升。对比实验采用条件与上述应用实例相同，区别仅在于，铜片上无锥形针阵列，结果显示，在无锥形针阵列的3厘米×3厘米铜片上，1小时收集水约为2至3毫升。上述结果说明锥形结构对集水作用十分显著。
此外当未采用半导体片制冷，则在铜片上无论有无锥形针阵列，在任意时间内都无法集水。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。