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ES2278903T3 - Metodo y sistema para recoger un liquido. - Google Patents

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ES2278903T3
ES2278903T3 ES02711099T ES02711099T ES2278903T3 ES 2278903 T3 ES2278903 T3 ES 2278903T3 ES 02711099 T ES02711099 T ES 02711099T ES 02711099 T ES02711099 T ES 02711099T ES 2278903 T3 ES2278903 T3 ES 2278903T3
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ES
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liquid
attracts
areas
droplets
repels
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ES02711099T
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English (en)
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Christopher Robert Lawrence
Andrew Richard Parker
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Qinetiq Ltd
Original Assignee
Qinetiq Ltd
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Publication date
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Abstract

Un método de recoger un líquido transportado por o condensado de un vapor, que comprende (i) pasar un vapor de un lado a otro de una superficie que está inclinada con respecto al plano horizontal y que comprende zonas alternas de material que repele el líquido y que atrae el líquido en al menos una dirección de un lado a otro de la superficie; y (ii) recoger gotitas de líquido formadas sobre la superficie en medios de recogida.

Description

Método y sistema para recoger un líquido.
Esta invención se refiere a un método de recoger un líquido transportado por o condensado de un vapor. La invención es, en particular, apropiada para posibilitar la recogida de ese líquido de una niebla o bruma llevada por el viento.
Es muy conocido que ciertos materiales exhiben superficies que atraen el agua, mientras que otras la repelen activamente, siendo descritos tales materiales como hidrófilos e hidrófobos, respectivamente. También es no obstante conocido que el agua es atraída o repelida debido al hecho de que es un líquido polar, y que cualquier líquido polar similar se verá influido de la misma manera por tales superficies. Debería notarse también que los líquidos no polares, tales como los aceites, serán atraídos a una superficie hidrófoba y repelidos por una superficie hidrófila.
Hay varias situaciones donde la recogida y almacenamiento de líquidos de importante. Una de tales situaciones es donde el ambiente es árido y donde no hay fuente de agua fácilmente accesible. Otra situación podría ser cuando compuestos químicos están en forma de vapor durante la destilación.
Es un objeto de la presente invención crear una superficie apropiada para fomentar la formación de gotitas de líquido de un tamaño hecho a medida. Es otro objeto recoger dichas gotitas.
Según un primer aspecto de la presente invención, se crea un método de recoger un líquido transportado por o condensado de un vapor, que comprende
(i)
pasar un vapor de un lado a otro de una superficie que está inclinada con respecto al plano horizontal, y que comprende zonas alternas de material que repele el líquido y que atrae el líquido en al menos una dirección de un lado a otro de la superficie; y
(ii)
recoger gotitas de líquido formadas sobre la superficie en medios de recogida.
Preferentemente, el diámetro de las gotitas se controla por el tamaño de la dimensión más pequeña del material que atrae el líquido.
Si el líquido es polar, las zonas hidrófilas de la superficie atraen el líquido polar y las zonas hidrófobas repelen el líquido polar. Si el líquido es un aceite, las zonas hidrófobas atraen el líquido y las zonas hidrófilas repelen el líquido.
La dimensión más pequeña (la anchura) de las zonas que atraen el líquido determina el tamaño de la gotita que se vaya a formar. Hay un diámetro máximo que puede alcanzar una gotita estable que está relacionado con la anchura de las zonas que atraen el líquido. Las zonas que repelen en líquido que separan las zonas que atraen el líquido son preferentemente de al menos la misma anchura para impedir la superposición de gotitas en zonas que atraen el líquido vecinas.
Preferentemente, las zonas que atraen el líquido toman la forma de zonas discretas en un sustrato que repele el líquido, es decir, cada zona que atrae el líquido está aislada de otras zonas que atraen el líquido. Esto hace posible que las gotitas se formen en aislamiento, constriñéndolas en dos dimensiones y limitando su área de contacto superficial con el sustrato que atrae el líquido (y, por lo tanto, su adhesión a la superficie).
En una realización preferida, la superficie se texturiza de forma que las zonas de material que atrae el líquido sobresalgan en relación con las zonas de material que repele el líquido. Esto permite que las gotitas, cuando se formen, estén por encima en relación con las zonas que repelen el líquido, y estimula el desprendimiento de las gotitas del material que atrae el líquido cuando se alcance un tamaño de gotita especificado, es decir, cuando el diámetro de la gotita haya alcanzado su máximo tamaño estable.
Preferentemente, la dimensión más pequeña de las zonas de material que atrae el líquido es mayor que 150 \mum, más preferentemente mayor que 200 \mum y, para ciertas aplicaciones, es preferentemente mayor que 300 \mum, 400 \mum, 500 \mum, o incluso al menos
600 \mum. Preferentemente, la dicha dimensión más pequeña es en la dicha una dirección de la superficie. Si la dicha dirección más pequeña es en otra dirección de la dicha una dirección, entonces en la dicha una dirección la dimensión más pequeña de la zona de material que atrae el líquido en la dicha una dirección tiene también preferentemente los tamaños mínimos preferidos declarados (mayor que 150, 200, 300, 400, 500 o al menos 600 \mum).
La superficie es preferente y sustancialmente plana. También se concibe que la superficie pueda ser curvada, por ejemplo, cóncava o convexa, o ser una combinación de partes curvadas y sustancialmente planas. Donde se dice que una superficie es sustancialmente plana, esto incluye específicamente superficies sustancialmente planas con zonas que se proyectan o sobresalen de la superficie, por ejemplo, que sobresalen por encima de la superficie.
La superficie está inclinada con respecto al plano horizontal. Esto se describe con más detalle más adelante. Donde la superficie sea sustancialmente plana, la dicha una dirección de la dicha superficie es preferentemente la dirección de la superficie que define la inclinación. Más específicamente, cuando la superficie está inclinada, el ángulo de inclinación se define preferentemente como el ángulo entre la horizontal y cualquier línea trazada a lo largo de la superficie en la dicha una dirección.
Preferentemente, la dicha dirección más pequeña de la zona que atrae el líquido es a lo sumo 5 mm, más preferentemente a lo sumo 4 mm, y, para ciertas aplicaciones, es preferentemente a lo sumo 3 mm, 2 mm, 1 mm o 0,8 mm (800 \mum).
Donde se habla acerca de la dimensión más pequeña de la zona que atrae el líquido, ésta será típicamente la anchura, dependiendo de la forma de la zona. Así, por ejemplo, si las zonas que atraen el líquido están en forma de bandas, será la anchura de las bandas. Similarmente, si las zonas que atraen el líquido están en forma de puntos discretos, será la anchura o diámetro de los puntos. Para otras formas menos regulares, será cualquiera que sea la dimensión más pequeña en cualquier dirección. Preferentemente, donde haya una pluralidad de zonas que atraen el líquido, éstas serán todas de forma y tamaño similares. No obstante, se contempla que también se podrían usar combinaciones de formas y tamaños de las zonas que atraen el líquido.
Las zonas que repelen el líquido son preferentemente al menos tan anchas como las zonas que atraen el líquido, y posiblemente el doble de anchas. Preferentemente, la anchura o distancia de la zona que repele el líquido que separa zonas que atraen el líquido adyacentes es al menos 400 \mum, más preferentemente al menos 600 \mum, especialmente al menos 800 \mum, o incluso al menos 1 o 2 mm.
Como se menciona anteriormente, la dimensión más pequeña de las zonas que atraen el líquido controla el diámetro de las gotitas formadas en la superficie. Esto se puede explicar mejor considerando una superficie sustancialmente plana preferida en su posición de uso preferida en la que está inclinada con respecto a la horizontal. En esta orientación, cuando pequeñas gotitas de líquido de un vapor adyacente a la superficie chocan con la superficie inclinada, si chocan con una zona que atrae el líquido, entonces pueden formar una gotita unida a la zona que atrae el líquido, pero si chocan con una zona que repele el líquido caerán rodando por la superficie inclinada hasta la zona que atrae el líquido más próxima. Las gotitas crecen uniéndose con otras gotitas que se unen a la misma zona que atrae el líquido hasta que alcanzan un punto en el que su área de contacto superficial cubre la zona que atrae el líquido. Más allá de este tamaño, las gotitas ganan en masa sin ningún aumento en el área de contacto, de forma que la gotita tiene que entrar en las zonas que repelen el líquido. Cuando sucede esto, la fuerza de gravedad aumenta sin ningún aumento en la adhesión superficial, haciendo que la gotita se desplace hacia abajo por la pendiente inclinada. Si la superficie está en un ambiente en calma, las gotitas caerán rodando directamente por la pendiente, pero si la superficie está de frente a un viento de cara, las gotitas serán llevadas al azar de un lado a otro de la superficie por el viento. Preferentemente, la superficie espaciadora y el tamaño de las zonas que atraen el líquido son suficientemente grandes para que las gotitas caigan rodando por la pendiente sólo una vez que sean suficientemente pesadas para rodar directamente hacia abajo incluso contra un viento de cara.
El medio de recogida se dispone para recoger gotas formadas en la superficie.
La superficie será normalmente una superficie artificial, y el método puede comprender una etapa inicial de seleccionar la dimensión más pequeña de las zonas que atraen el líquido para determinar el tamaño de la gotita teniendo en cuenta las condiciones medioambientales predominantes.
En toda esta memoria descriptiva, el término vapor se usa para abarcar el medio tanto en un estado enteramente gaseoso como también en el que las gotitas están suspendidas en el gas que forma, por ejemplo, una niebla o una bruma.
Inclinar la superficie con respecto al plano horizontal hace posible que las gotitas fluyan bajo la influencia de la gravedad hacia el medio de recogida, que es un recipiente de alguna descripción.
Según un segundo aspecto de la presente invención, se crea un sistema de recogida destinado para uso en el método de cualquier reivindicación precedente, comprendiendo dicho sistema de recogida: una superficie que está inclinada con respecto al plano horizontal, comprendiendo dicha superficie zonas alternas de material que repele el líquido y que atrae el líquido en al menos una dirección de un lado a otro de la superficie; y medios de recogida, mediante el cual al movimiento de un vapor de un lado a otro de la superficie, las gotitas dentro del vapor se reúnen en gotitas más grandes sobre la superficie y se recogen por los medios de recogida.
En un método y sistema preferidos según la invención para recoger un líquido, la superficie está preferentemente inclinada con respecto al plano horizontal en un ángulo de al menos 5º, más preferentemente al menos 10º. Para ciertas aplicaciones, la superficie está inclinada preferentemente al menos 20º, 30º, o incluso 40º. Preferentemente, la superficie está inclinada a lo sumo 90º, especialmente a lo sumo 80º, o algunas veces a lo sumo 70º. El ángulo de inclinación, igual que la anchura de las zonas que atraen el líquido, es uno de los factores que determinan cuándo caerá rodando por la pendiente una gotita que se forme sobre la superficie para recogida.
El método y el sistema para recoger un líquido son particularmente aplicables para recoger líquido de un vapor que se mueve de un lado a otro de la superficie. Será el caso, por ejemplo, de un viento de cara.
El comportamiento de las gotitas de líquido que caen sobre varias superficies, particularmente donde estén inclinadas en el viento de cara se puede describir como sigue. Para un viento de cara que transporta vapor que choca con una superficie enteramente que atrae el líquido o una superficie enteramente que repele el líquido, las gotitas de líquido se formarían sobre la superficie de varios tamaños pero no se fusionarían. Éstas serían, por lo tanto, llevadas en direcciones al azar de un lado a otro de la superficie por el viento de cara. Para la superficie de la presente invención, se crean zonas alternas de zonas que atraen y que repelen el líquido. Las gotitas o chocarán con las zonas que atraen el líquido y se quedan allí, o rodarán hasta la zona que atrae el líquido más próxima si inicialmente aterrizan sobre una zona que repele el líquido. Estas gotitas se fusionan hasta que son tan grandes que no es posible más adquisición sobre la zona que atrae el líquido. En este momento, se alejarán.
La superficie está preferentemente inclinada para afrontar cualquier viento de cara. Los vientos de cara típicos preferidos según la invención pueden ser a lo sumo o del orden de 5 ms^{-1}, 10 ms^{-1}, 15 ms^{-1} o
20 ms^{-1}. El viento de cara es otro factor que afecta cuando una gotita que se forma sobre la superficie caerá rodando por la pendiente para la recogida: un viento de cara demasiado grande (para el tamaño de la gota y el ángulo de inclinación de la superficie) hará que la gotita sea llevada al azar de un lado a otro de la superficie, más bien que caer rodando directamente para recogida.
Cuando se hace referencia a "viento de cara", puede ser en un ambiente natural o en un ambiente controlado tal como una unidad de destilación o deshumidificadora.
Preferentemente, la dimensión más pequeña de las zonas que atraen el líquido se selecciona de forma que se pueda usar con varios vientos de cara, mediante la apropiada variación de la pendiente, de forma que de esta manera controlada las gotitas siempre crezcan hasta un tamaño suficientemente grande antes de caer rodando por la pendiente para que sean suficientemente pesadas para caer rodando directamente por la pendiente incluso contra el viento de cara.
Preferentemente, la disposición de las zonas que atraen y que repelen el líquido sobre la superficie es tal que, a lo largo de cualquier línea trazada a lo largo de la superficie en la dicha una dirección, habrá zonas alternas que atraen el líquido y que repelen el líquido. La dicha una dirección es preferentemente la dirección que, junto con la horizontal, define el ángulo de inclinación, de forma que con esta disposición cualquier gota que caiga rodando por la pendiente en la dicha una dirección encontrará siempre una zona que atrae el líquido a medida que rueda. Esta disposición puede ser proporcionada, por ejemplo, por bandas de zonas que atraen y que repelen el líquido que cruzan, preferentemente perpendiculares a la dicha una dirección. Como otro ejemplo, se pueden mencionar porciones discretas, por ejemplo, puntos, de zonas que atraen el líquido en un entorno de material que repele el líquido, estando desplazadas lateralmente entre sí las porciones discretas que atraen el líquido con respecto a la dicha una dirección. Por lo tanto, los puntos en filas adyacentes pueden estar organizados unos con respecto a otros para impedir que haya un claro camino "cuesta arriba" de zonas que repelen el líquido a lo largo del cual las gotitas pudieran ser arrastradas.
En el método de recoger un líquido según la presente invención, y en el sistema de recogida destinado para uso en el método, el camino hacia el medio de recogida de sustancialmente todo el líquido es preferentemente transversal tanto a las zonas que atraen el líquido como a las que repelen el líquido.
El método y/o sistema anteriormente mencionados para recoger un líquido puede ser un método o sistema de recogida de agua que se van a usar o estar destinados para uso en un ambiente árido/desértico y adaptados para recoger al menos 100 ml, preferentemente al menos 0,5 l e idealmente al menos 1 l por semana.
En otro aspecto, la invención crea un conjunto de piezas para la recogida de agua que se pueden ensamblar para formar un sistema de recogida como el descrito anteriormente, comprendiendo el conjunto de piezas la superficie, medios de soporte para soportar la superficie en una inclinación deseada y medios de recogida. El conjunto de piezas puede formar parte de un conjunto de piezas de supervivencia portátil.
Ahora se describirán varias realizaciones de la invención a modo de ejemplo sólo, con referencia a los dibujos, de los cuales:
La Figura 1 es una ilustración oblicua esquemática de una superficie apropiada para uso en la presente invención;
La Figura 2 muestra una superficie alternativa apropiada para uso en la presente invención;
Las Figuras 3a a 3d muestran una ilustración en corte esquemática de una superficie texturizada apropiada para uso en la presente invención; y
La Figura 4 muestra una ilustración en corte esquemática de una superficie texturizada apropiada para recoger un líquido según la presente invención.
La Figura 1 muestra una superficie 1 que tiene zonas hidrófobas 2 e hidrófilas 3.
Las zonas hidrófobas 2 e hidrófilas 3 se alternan de un lado a otro de la superficie 1 y forman un modelo de bandas. Una superficie eficaz para la recogida de agua de nieblas arrastradas por el viento consiste en zonas hidrófilas de 600 hasta 800 micrómetros de ancho separadas un mínimo de 800 micrómetros en un sustrato hidrófobo. Esto permite la formación de gotitas de un tamaño por el cual, bajo la influencia de la gravedad en una superficie inclinada, las gotitas fluyen hacia abajo en un viento de cara moderado.
La Figura 2 muestra una superficie 10 que tiene zonas hidrófobas 12 e hidrófilas 13.
Las zonas hidrófobas 12 forman una estructura de cuadrícula de un lado a otro de la superficie 10. Las zonas hidrófilas 13 están elevadas por encima de las zonas hidrófobas 12 formando una superficie texturizada. Cuando se pasa un vapor sobre la superficie 10, las gotitas dentro del vapor son atraídas a las zonas hidrófilas 13. Después de un periodo de tiempo, empiezan a formarse gotitas de líquido más grandes sobre las zonas hidrófilas 13 a medida que se combinan sobre la superficie gotitas pequeñas en el vapor. Cuando las gotitas alcanzan cierto tamaño, se mueven desde una zona hidrófila 13a hasta otra zona hidrófila 13b bajo la influencia de la gravedad.
Las Figuras 3a a 3d muestran una superficie texturizada 20 apropiada para uso en el método de la invención, inclinada con respecto al plano horizontal, que tiene zonas hidrófobas 22 e hidrófilas 23.
Las zonas hidrófilas 23 sobresalen en relación con las zonas hidrófobas 22. Cuando pequeñas gotitas de un vapor arrastrado por el viento chocan con la superficie inclinada 20, entonces pueden formar una gotita 24 unida a una zona hidrófila 23. A medida que tales gotitas se hacen más grandes (uniéndose con otras gotitas que se unen a la superficie o haciéndose más grandes), las gotas alcanzarán un punto en el que su área de contacto superficial cubra la zona hidrófila 23; como se muestra en la Figura 3b, 25. Más allá de este tamaño, ganan en masa sin un aumento correspondiente en el área de contacto superficial, como se muestra en la Figura 3c, 26, después, la gotita se debe expandir ahora a las zonas hidrófobas que repelen el agua de la superficie, mostradas en la Figura 3d, 27. Cuando esto sucede, las fuerzas gravitacionales sobre la gotita aumentan sin un aumento correspondiente en la adhesión superficial, y finalmente la gotita bajará por la pendiente. Haciendo a medida la pendiente de la superficie, el tamaño y separación de las zonas hidrófilas y la hidrofobia e hidrofilia exactas de las zonas superficiales, se pueden formar gotitas de un diámetro hecho a medida que pueden rodar en el viento de cara de la niebla o bruma arrastrada por el viento y ser recogidas en el punto más bajo de la superficie inclinada. En ciertos ambientes controlados, tales como durante la destilación, la velocidad del viento también se puede controlar y hacer a medida.
Debería notarse que las pequeñas gotitas que chocan con una superficie hidrófoba serían inmediatamente libres para rodar de un lado a otro de esa superficie, pero probablemente son arrastradas por el viento predominante debido a su pequeño tamaño, y simplemente pueden rebotar de la superficie de vuelta al vapor. Si la superficie fuese enteramente hidrófila, entonces las gotitas formarían una película que se movería de un modo más al azar, si algo, y limitaría la velocidad y eficacia del proceso de recogida de agua.
Cuando las gotitas se mueven en tal superficie hecha a medida, también pueden ser guiadas por las zonas hidrófilas, siendo suficiente la atracción superficial para influir en su dirección y velocidad de movimiento. Éste sería particularmente el caso si las zonas que atraen el líquido formaran canales o bandas sobre la superficie hidrófoba.
Una superficie texturizada como la descrita anteriormente se puede fabricar usando varias técnicas. Las superficies de vidrio limpias (libres de grasa) son hidrófilas, y de aquí que el vidrio se pueda combinar con materiales hidrófobos, tales como ceras, con el fin de producir los modelos apropiados. Perlas de vidrio de 800 micrómetros de diámetro se pueden incrustar parcialmente en una película de cera para producir una formación de hemisferios hidrófilos en un sustrato hidrófobo. Una superficie de vidrio limpia se puede hacer hidrófoba por exposición a materiales tales como hexametildisilazano, y esto se puede usar en combinación con máscaras de contacto para producir un modelo apropiado de zonas hidrófilas. La texturización de la superficie se puede conseguir por medio de técnicas tales como el moldeado y prensado en caliente de plásticos, que posteriormente se pueden tratar con revestimientos superficiales hidrófilos/hidrófobos.
La Figura 4 muestra una ilustración en corte esquemática de una superficie texturizada 30 apropiada para recoger líquido 35 que tiene una superficie 31 con zonas hidrófobas 32 e hidrófilas 33. Debajo de la superficie se coloca un colector 34.
Cuando se pasa un vapor sobre la superficie 30, las gotitas en el vapor son atraídas a las zonas hidrófilas 33. Después de un periodo de tiempo, empiezan a formarse gotitas más grandes de líquido sobre las zonas hidrófilas 33 a medida que más y más gotitas pequeñas del vapor son atraídas a la superficie. Cuando las gotitas alcanzan cierto tamaño, se mueven bajo la influencia de la gravedad. Las zonas hidrófilas 33 se estrechan hacia el colector 34 y las gotitas tienden a moverse desde una zona hidrófila a otra de forma que el líquido de varias zonas hidrófilas 33 se recoja en un colector 34.

Claims (19)

1. Un método de recoger un líquido transportado por o condensado de un vapor, que comprende
(i)
pasar un vapor de un lado a otro de una superficie que está inclinada con respecto al plano horizontal y que comprende zonas alternas de material que repele el líquido y que atrae el líquido en al menos una dirección de un lado a otro de la superficie; y
(ii)
recoger gotitas de líquido formadas sobre la superficie en medios de recogida.
2. Un método según la reivindicación 1, en el que la superficie está inclinada con respecto al plano horizontal en un ángulo de al menos 5º.
3. Un método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la superficie está inclinada con respecto al plano horizontal en un ángulo de a lo sumo 90º.
4. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el vapor que pasa de un lado a otro de la superficie es transportado por un viento de cara.
5. Un método según la reivindicación 4, en el que el viento de cara tiene una velocidad de hasta 10 ms^{-1}.
6. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que el diámetro de las gotitas se controla mediante el tamaño de la dimensión más pequeña del material que atrae el líquido.
7. Un método según la reivindicación 6, en el que la dicha dimensión más pequeña del material que atrae el líquido es mayor que 150 \mum.
8. Un método según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, en el que la dicha dimensión más pequeña del material que atrae el líquido es a lo sumo 5 mm.
9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que la dicha dimensión más pequeña del material que atrae el líquido es en la dicha una dirección.
10. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que la disposición de las zonas que atraen y que repelen el líquido sobre la superficie es tal que a lo largo de cualquier línea trazada a lo largo de la superficie en la dicha una dirección habrá zonas alternas que atraen el líquido y que repelen el líquido.
11. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que la superficie es sustancialmente plana.
12. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que cada zona que atrae el líquido está aislada de otras zonas que atraen el líquido.
13. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que la superficie está texturizada de forma que las zonas de material que atrae el líquido sobresalen en relación con las zonas de material que repele el líquido.
14. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que las zonas alternas forman un modelo en bandas.
15. Un método según la reivindicación 14, en el que el material que repele el líquido forma una cuadrícula.
16. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que el material que repele el líquido es una sustancia cerosa.
17. Un sistema de recogida destinado para uso en el método de cualquier reivindicación precedente, comprendiendo dicho sistema de recogida:
una superficie que está inclinada con respecto al plano horizontal, comprendiendo dicha superficie zonas alternas de material que repele el líquido y que atrae el líquido en al menos una dirección de un lado a otro de la superficie; y
medios de recogida,
mediante el cual al movimiento de un vapor de un lado a otro de la superficie, las gotitas dentro del vapor se reúnen en gotitas más grandes sobre la superficie y son recogidas por los medios de recogida.
18. Un conjunto de piezas para recogida de agua destinado para montar en el sistema de recogida de la reivindicación 17, comprendiendo dicho conjunto de piezas una superficie que comprende zonas alternas de material que repele el líquido y que atrae el líquido en al menos una dirección de un lado a otro de la superficie, medios para soportar la superficie en la deseada inclinación y medios de recogida.
19. El uso de una superficie que comprende zonas alternas de material que repele el líquido y que atrae el líquido en al menos una dirección de un lado a otro de la superficie para recoger un líquido transportado por o condensado de un vapor.
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