Scientific Design of Multilayer Fog Collectors

Musaddaq Azeem, M.Sc.

Doctoral thesis

Abstract:

The growing concerns over desertification have spurred research into technologies aimed at acquiring water from nontraditional sources such as dew, fog, and water vapor. Some of the most promising developments have focused on improving designs to collect water from fog. However, the absence of a shared framework to predict, measure, and compare the water collection efficiencies of new prototypes is becoming a major obstacle to progress in the field. We addressed this problem by providing a general theory to design efficient fog collectors as well as a concrete experimental protocol to furnish our theory with all the necessary parameters to quantify the effective water collection efficiency. We showed in particular that multilayer collectors are required for high fog collection efficiency and that all efficient designs are found within a narrow range of mesh porosity. We support our conclusions with measurements on simple multilayer harp collectors. Surface wettability contributed a major role in fog harvesting. Hydrophilic surfaces offer fast nucleation, while hydrophobic surfaces provide the droplets rapid transportation. Many animals and plants in arid environments control this tradeoff by naturally coated biphilic surfaces with structural designed wettability. This patterned wettability gives a high affinity for fog collection. This mechanism aims to reduce the friction and pinning force of the fog droplets sliding down towards storage. The reason to replace the traditional Raschel mesh with a harp design is to capture the maximal fog by avoiding clogging. We also established an experimental part focus on the wettability (hydrophilicity and hydrophobicity) of vertical harp or fog collector element (FCE). The FCE treated with hydrophilic treatments exhibited adverse effects while hydrophobic coating slightly improved the collection rate. Moreover, we examined the contact angle hysteresis (CAH) of our prototypes to verify the wettability effect.

Abstract:

Rostoucí obavy z rozšiřování pouští podnítily výzkum technologií zaměřených na získávání vody z netradičních zdrojů, jako je rosa, mlha a vodní pára. Některé z nejslibnějších projektů se zaměřují na zdokonalení konstrukcí pro získávání vody z mlhy. Hlavní překážkou pokroku v této oblasti se však stává neexistence společného rámce pro předvídání, měření a porovnávání účinnosti sběru vody u nových prototypů. Tento problém jsme řešili tím, že jsme navrhli obecnou teorii pro projektování účinných sběračů mlhy a také konkrétní experiment, který naši teorii vybavil všemi potřebnými parametry pro kvantifikaci efektivní účinnosti sběru vody. Ukázali jsme zejména, že pro vysokou účinnost sběru mlhy jsou nutné vícevrstvé kolektory a že všechny účinné konstrukce se nacházejí v úzkém rozmezí pórovitosti sítě. Naše závěry jsme podpořili měřeními na jednoduchých vícevrstvých harfových kolektorech. Smáčivost povrchu hraje při sběru mlhy významnou roli. Hydrofilní povrchy nabízejí rychlou nukleaci, zatímco hydrofobní povrchy zajišťují rychlý transport kapek. Mnoho živočichů a rostlin v suchých prostředích tento kompromis řídí přirozeným pokrytím bifilních povrchů se strukturálně řízenou smáčivostí. Tato lokální smáčivost poskytuje vysokou afinitu ke sběru mlhy. Tento mechanismus má za cíl usnadnit transport kapiček mlhy klouzajících dolů směrem k úložišti. Důvodem nahrazení tradiční rašlové síťky harfovou konstrukcí je zachycení maximálního množství mlhy zamezením jejího "ucpávání" vodou. Experimentálně byla realizována i část zaměřená na smáčivost (hydrofilnost a hydrofobnost) vertikální harfové struktury nebo mlhového sběrného prvku (FCE). Modifikace FCE hydrofilní úpravou vykazovalo zhoršený záchyt vody, zatímco hydrofobní úprava tento záchyt mírně zlepšila. Kromě toho jsme zkoumali hysterezi kontaktního úhlu (CAH) našich prototypů, abychom plně kvantifikovali smáčivost povrchu kolektoru.

Keywords

mechanika tekutin, mlhový kolektor, harfová struktura, porézní médium, účinnost sběru vody, hydrofilnost, hydrofobnost, sběr mlhy, prvek mlhového kolektoru.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 10. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 7. 4. 2022
• Supervisor: prof. Ing. Jakub Wiener, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering