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21世纪的乌鸦为什么喝不到水了?

发布时间:2024-08-09 16:48:12作者: hth下载

详细说明

  乌鸦喝水的故事相信我们大家都耳熟能详,在两千多年前的伊索寓言时代,一只不谙世事的乌鸦可以用普通的石头来垫高水位喝到水。然而如今时代发展,城里的套路越来越深,要是天真的乌鸦遇到这一种神奇的“石头”,还把它扔进水瓶里,可能一滴水也喝不着了。

  喝不到水的乌鸦丨果壳实验室在盛有水的量杯中倒入大量神奇的“小石头”,观察后发现,水并没有漫出,反而被吸收。乌鸦喝水失败。

  图中这种能吸水的小圆球,严格来说并不是“石头”,而是一种叫“分子筛”的人工合成的材料。这名字乍一听有点让人摸不着头脑,但其实就像字面意义那样,就是分子的“筛子”。如果我们潜入微观世界就会发现,分子筛的内部蕴含着密密麻麻的孔道,这些孔道的尺寸是如此之小,以至于能让路过的分子“卡”在它的筛孔里面,以此来实现宏观上的吸附效果。

  这样的多孔材料最初是200多年前在矿洞里被人们发现的,是一种形状奇特的天然形成的晶体,并被人们以“沸石(Zeolite)”命名。在19世纪50年代,科学家们已经发现天然沸石大为有用,比如它具有不错的吸附、脱附能力[2],说白了就是孔道里既能装“东西”,改变环境条件后被装入的“东西”又能从里边“跑出来”。这就让它成为了一种能循环使用的分离材料。

  然而,如同绝大部分天然材料一样,最核心的缺点就是品质不太稳定。大自然的“鬼斧神工”并没有一套标准化的操作的过程,这里“劈歪了一点”,那里“用力过猛”,在希望实现标准化大规模工业应用的人类这儿可就难以忍受了。

  没办法,科学家们便卯足全力。19世纪60年代,人工合成的沸石问世,此后这样一种材料便具有了相对来说比较稳定且可控的结构特征,应用场景范围也就逐渐扩展开来。并且此后,一个更加贴切的名字“分子筛”也成为了它们正式的称呼。[2]

  分子筛的实际应用来自于它的“小心眼”,也就是内部的多孔结构。比如分子筛具有离子交换性能,在洗涤剂生产的过程起到非常大作用,还能被用来处理危险的放射性材料[2];分子筛的另一个很重要的应用是催化作用,比如目前已经实现的分子筛催化下CO2与H2反应直接合成碳氢化合物的反应,这在未来也许能有助于人们的碳捕集事业,减缓温室效应带来的环境破坏[3]。

  当然,分子筛最“经典”的应用来源于它的吸附、脱附作用。在化工、环境领域,分子筛常常被用来吸附有害于人体健康的物质,如对炼油厂的废水做处理;而在高精尖的航天、精密仪器制造、芯片制造等领域,分子筛吸附除湿技术也是保证环境干燥、获取无水气体液体的重要手段。是的你没有看错,分子筛不但可以吸收杯子里肉眼可见的水,空气中看不见的水蒸气、溶剂中残余的少量水分对它来说都是小菜一碟!

  在两个密闭的盒子中注满水雾,不难发现,右边铺满分子筛的盒子中,水雾迅速散去。分子筛干燥能力极强,能够迅速吸走水汽丨果壳实验室

  既然分子筛这么能吸水,那在生活中怎么派上用场呢?比方说我们洗完衣服,直接“哗啦”撒上一把分子筛,是不是过一会儿衣服就能干了呢?很遗憾,并没那么简单。

  衣物的干燥过程,说到底就是让衣物中的水分子脱离的过程。我们都知道,天气潮湿的时候,衣服很难被晾干,是因为此时的空气已经“装不下”太多的水分子,于是水分子只好“赖”在衣服上不走了。

  为了“帮助”水分子离开衣物,最常见的思路就是加热。当我们对衣物及周围的空气加热时,由于水的饱和蒸汽压随温度上升而增加,衣物周围的空气就能“吃下”更多的水分,更加有助于衣物中的水分子被周围的空气“带走”。

  加热这种操作,不知道多少代之前的老祖宗们就已经知道了。把湿衣服放到太阳下晒,或者扔到火边烤,这些都是加热的不同表现形式。

  到了现代社会,我们有了干衣机,但它的基础原理仍然是加热。而所谓冷凝式和热泵式干衣机的区别,其实就等于加热方式的区别。冷凝式干衣机通过单独的电热丝加热空气,并采用单独的冷凝器将湿热空气中的水分冷凝下来,其中电热丝的工作时候的温度往往较高,容易损伤衣物;而热泵式干衣机用压缩机将加热和冷却空气的过程结合起来,就如同内置一个强化版的空调一样,优点是加热温度较低,能减少对衣物的损伤,但烘干的效率受外界温度和湿度影响很大,冬天也许会出现衣物难烘干的问题;同时压缩机本身的体积较大,使得整机在相同的衣物载荷下占用更多的空间[5]。

  加热这个操作虽然简单有效,但有一个问题一直无法回避,那就是对衣物会造成的损伤。以常见的纯棉面料和棉-聚酯混纺面料为例,在较高的烘干温度下,棉纤维与纤维之间那些不那么稳定的结构可能没办法恢复原貌,从而形成褶皱;而涤纶纤维则更加脆弱,其“玻璃化”温度为69-81℃,超过这个温度便会破坏涤纶纤维的晶体结构,从而使衣服发生不可逆的褶皱和变形[4]。

  羊毛这类富含蛋白质的材料更加娇贵。羊毛纤维被层层毛鳞片包裹,在泡水时纤维膨胀,鳞片软化,使羊毛更容易交缠。如果此时温度还比较高,羊毛纤维在高温下会更加柔软,彼此接触更加密集。

  本已经蹂躏的羊毛如果继续被高温烘干,或者不正确晾晒,毡化/缩水发生了,羊毛衣的尺寸,就会变得比之前更小小小小……

  既然烘干衣服总归要靠加热,温度越高干得越快,但加热温度过高又有损伤衣物的风险。在这样的“困境”中,有没有很好的方法既能保证烘干效率,又把加热温度控制在较低水平呢?

  这就要用到前面说的分子筛了!分子筛强大的吸附烘干能力,配合石头科技革新性的产品设计,洗烘一体机突破冷凝与热泵两大传统思路,给出了烘干技术的第三种解答。

  石头H1的技术要点在于,不再完全依赖“加热”来提高空气“承载”水分子的能力,而是通过分子筛直接吸附分离空气中的水分,从传统的加热烤干,变成低温“吸干”,让低温烘干技术变成了现实。

  Zeo-cycle分子筛低温烘干技术是石头H1的核心技术。在机体内部,分子筛被搭载在不断旋转的转盘上,并被排布成瓦楞状,通过一层层叠加最终形成蜂窝状流道,使得整体吸附面积达到了大约28.8万平方米,相当于45个足球场的面积。

  如此巨大的吸附面积带来的自然是超高的吸附效率,这样一来,我们就可以在降低衣物烘干过程温度的同时确保干燥效率,避免衣物损伤了。

  与此同时,石头H1又是如何维持“低温”的呢?答案就在它的双循环风路系统上。

  在传统的干衣机中,无论是冷凝式还是热泵式,都会在直接与衣物接触的风路中设置加热模块,区别只在是否用压缩机将加热和冷却过程结合在一起而已。但在石头H1中,与衣物非间接接触的烘干风路不再设置额外的加热模块,主要是依靠分子筛强大的吸附性能带走衣物中的水分;而分子筛的还原风路则与烘干风路独立并行,二者“井水不犯河水”,从而确保了烘干过程始终处在相对低温之下。

  那么,石头H1的低温烘干实际效果如何,是不是真的能做到不伤害衣物呢?作为果壳实验室的我们自然是要用实验来说话。实验员买来了几件相同的羊毛织物,实际体验了一把石头H1定制的羊毛真丝洗烘模式,之后我们测量对比了织物烘干前后的尺寸变化,并用显微镜观察羊毛纤维烘干后的形态。经过测试,石头H1羊毛洗烘效果令人满意。

  纯羊毛围巾经石头科技H1洗烘之后的效果,缩水比例在2%以下,远低于国际羊毛局认证的6%[1]丨果壳实验室

  滑动查看羊毛在不一样的温度下烘干的效果。图1:未烘干前;图2:石头科技低温烘干羊毛轻微卷曲;图3:高温烘干后发生断裂损坏丨果壳实验室

  挑战继续升级,冬春之交最难处理的就是羽绒服。首先提示警醒我们,羽绒服建议还是不要干洗!干洗溶剂大多为四氯乙烯。这种物质会溶解掉羽绒表面的天然油脂,让填充的羽绒变得干涩、发脆、易断,从而失去蓬松的特性,也就不那么保暖了。

  普通洗衣机在非常快速地旋转之下,也会破坏羽绒结构、让羽绒乱做一团。石头H1却可以完美处理羽绒服的清洁难题。

  滑动查看羽绒在不一样的温度下的烘干效果。图1:未洗烘之前羽绒状态;图2:石头科技低温洗烘羽绒未受损;图3:高温洗烘后,羽绒严重分叉变形丨果壳实验室

  可以看到,石头H1的低温烘干过程不仅不伤羽绒,烘干后的羽绒服更加蓬松柔软,衣服里的羽绒也没再次出现结团的情况。这样看来,家里有了石头H1,羽绒服清洁轻松搞定。

  如今,养宠家庭慢慢的变多,而常见的“毛孩子”们或多或少都会掉毛的情况。认命的养宠一族大都放弃了深色衣物。

  好在石头H1贴心配备了毛絮过滤自清洁系统,利用0.1mm孔径的精密自清洁滤网将烘干过程中扬起的毛絮统统收集起来,不仅彻底清洁了衣物的表面,也防止了毛絮进入分子筛转盘影响其工作。在烘干过程结束后,毛絮自清洁系统会启动强力的专用水路进行喷水冲洗滤网,不仅保证烘干风路始终运转良好,也省去了手动清理的麻烦。

  不仅如此,石头H1还能通过水解银离子、巴氏杀菌等多种方式对衣物和机体进行杀菌消毒,在看不见的地方呵护我们的健康。

  或许很多人会有疑问,这么做图什么?有点缩水的羊毛衫,有点“炸毛”的羽绒服,几根略微显眼的猫毛,多跑了几趟干洗店......将就一下算了,折腾什么?

  可生活的品质就藏在这一些细节之间,对生活的精益求精正是技术升级的原动力。所以不妨对生活质量的要求再较真一点,对技术的钻研再深一些。不将就,多较真,相信未来会有更多创新型产品温暖我们的生活。

  [2]孙景辉.ZSM-22沸石分子筛的合成及其正十二烷临氢异构性能【D】.太原理工大学,2022(02).

  [3] 陈焕浩,范晓雷.沸石分子筛催化材料在二氧化碳转化中的应用【J】.能源环境保护.

  [4]李兆君.家庭滚筒干衣机烘干条件对棉型织物外观性能影响及烘干机理研究【D】.东华大学,2014(04).

  [5] 张超,宋一鸣,黄炳华.国内家用干衣机发展现状及趋势变化分析【J】.日用电器,2021(10):42-45.

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