中国水务行业观察者!

仿生材料打造不粘马桶-节水高达90%
更新时间:2021-03-18 来源: IWA国际水协会 作者: IWA国际水协会

你知道全世界每天有多少升水用来冲厕所吗?我们来算一算,市面上的节水型便器冲洗大便的标准水耗为6升/次,冲洗小便的水耗为3升/次,保守估计人均一天上厕所的水耗20升。若全球75亿人口都用上抽水马桶,那么一不小心全世界一天就要用掉1500亿升水了。

上一次厕所的耗水量相当于倒六瓶可乐进下水道?为什么要用这么多水?这主要和人类粪便的黏性有关,其需要大量水才能被冲刷干净。为了节约冲厕用水,美国宾夕法尼亚州立大学和英国Cranfield大学的科学家和工程师设计了一种新型马桶涂层。据说这种特殊材料可将液体、细菌和黏性固体统统拒之门外,只要给马桶内壁涂上一层,马上变身“不粘桶”,而且水耗可以减少90%。他们的研究成果在2019年11月中旬发表在《Nature Sustainability》后,立刻成为媒体争相报道的对象。这到底是什么黑科技呢?

1.gif

抽水马桶背后的科学

过去的老式马桶水耗高达11升。2011年7月,中国出台了一个强制性新国标——标准小便器平均用水量不超过3升,坐便器平均用水量不超过6升,蹲便器平均用水量不超过8升,不符合这些强制性标准的产品将不允许出售。马桶水耗的改善,有赖于马桶材料和设计的改进:首先是马桶表面改用更加光滑的细陶材质,然后就是排水到存水弯内壁也要上釉面,第三就是水流力度的加强。

如果马桶表面的光滑程度能进一步改善,水耗岂不可以进一步减少?这也是英美联合团队所想到的,为此他们研发出一种名叫LESS的新涂层(全称为Liquid-Entrenched Smooth Surface)。它由两种可以喷射的涂料组成,而且可以用于碳钢、陶瓷或其他硬质表面。第一次喷液干了之后,会形成薄薄的类似毛发的纳米结构,但这些“毛发”非常小,每个分子的直径仅为一根人类头发的百万分之一,所以肉眼是看不见的。第二次喷液加上的是一种润滑剂,会覆盖那些“头发”,两层材料有很好的化学亲和力,最后形成一个光滑表面。如下图所示,将涂有这层材料的小板倾斜摆放,无论是看得见的水、黏性固体还是看不见的细菌都无法在上面停留。防止了粪便残留,同时也等于杜绝了细菌在粪便残留物上繁衍的机会。一些所谓的自净厕所会用到紫外线,目的就是消灭这些细菌。这种新型涂层不仅可节水,而且还自带除菌功能,可以想象它很快会受到卫生部门专家的关注。

2.jpg

LESS材料的制造:上图(a)是原理示意图,LESS涂层是一个两步喷涂的过程;PDMS接枝的聚合物层和润滑剂形成良好的化学亲和力;(b)实际测试效果 |图源:Nature/ sci-news.com

这涂层听上去这么厉害,耐用性如何呢?据研发团队介绍,目前这个涂层可以满足连续500次的冲洗。实际需要补给的是第二层的润滑剂,因为第一层的纳米材料可以一直粘附。如果一个四口之家共用一个厕所,估计每两周要补喷一次,而在一些商业写字楼,则2-3天就要补喷一次。

既然涂层会有损耗,这些物质会对环境造成污染吗?该项目的主要负责人,美国宾州州立大学自然灵感工程实验室的黄得胜博士说表示,LESS涂层包含有机硅,这些有机硅可在土壤中分解为相对无害的二氧化硅、水和二氧化碳,因此不会危害自然环境。

3.jpg

图. LESS涂层和其他材质的表面的对比试验 | 图源:Nature Sustainability

来自猪笼草的灵感

黄博士的很多研究都跟仿生学有关。其实早在2011年在哈佛做博士后时,他就从猪笼草身上汲取了灵感,制造出几乎能排斥任何液体的超滑材料,其研究成果还发表在当年9月的《自然》期刊上。

猪笼草,因为叶子长得像个水罐,因此英文叫pitcher plant。喜欢看BBC自然纪录片的朋友对它一定不会陌生,一旦猎物进入其袋后便无法再爬出来,这是主要是因为猪笼草的内壁是一层蜡质材料。受其启发,黄博士和他的团队将一种润滑剂注入具有纳米微结构的透气性材料中,制成了一种具有疏水表面的材料,取名“灌注液体的光滑透气表面”,简称SLIPS。

虽然黄博士的研究团队就生成这种材料能在生物医学流体处理、燃料运输、防污、防冻等方面有着广泛应用,但他究竟是怎么想到用它来作为节水马桶涂层的呢?

4.png

图. 猪笼草 | 图源:National Geography

纳米厕所

黄博士是在2015年才开始对厕所研究感兴趣的。原因是当时来自Cranfield大学的科学家有一件事情要黄博士帮忙。IWA微信公众号曾在2019年5月的微信推送里介绍过英国Cranfield大学的基于纳米膜的新型厕所设计。这一项目拿到了比尔及梅琳达·盖茨基金会的厕所创新创意大赛(Reinvent the Toilet Challenge)的资助,按照规则设计的新型厕所不能太过昂贵,必须是发展中国家的人也用得起的厕所。英国团队的学者大多是污水处理的专家,在设计能量自给、固液分离的厕所方面没有问题,但是万万没想到会被粘在马桶里的粪便残留难住了。当时黄博士在超滑材料方面已经很有名气,所以Cranfield大学就找上门来寻求帮忙,这也就解释为何是黄博士团队和Cranfield团队联合发表文章了。

5.png

图. Cranfield大学的纳米膜厕所的实体原型 | 图源:IWA

尽管LESS材料这么多优点,但对于发展中国家和地区的人而言,上边这种高科技马桶还是太过昂贵了。不过这也没有影响黄博士和他团队对LESS材料的商业化探索。他们成立了一家名为SpotLESS Materials的公司,将LESS涂层包装成两个小喷瓶来销售。我们截了一下产品的官网图,套装的售价为$20美元。你愿意下单吗?

6.png

参考资料

https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/how-could-a-slippery-toilet-seat-save-water-327379

https://www.youtube.com/watch?v=rlYc8RfqA3I&feature=emb_logo

https://www.spotlessmaterials.com/store/p14/Coating_Kits.html

https://www.nature.com/articles/s41893-019-0421-0

https://news.psu.edu/story/598131/2019/11/18/research/new-slippery-toilet-coating-provides-cleaner-flushing-saves-water

http://www.sci-news.com/othersciences/materials/liquid-entrenched-smooth-surface-07863.html

https://mp.weixin.qq.com/s/2hQAsN6O_SdSPVRD4wzWbQ

https://www.mne.psu.edu/wong/

https://www.nationalgeographic.com.au/animals/these-spiders-feed-their-leftovers-to-carnivorous-plants.aspx

(版权所有 转载必须注明中国水星)
水星会员 MORE > 
  • 永高股份有限公司

    永高股份有限公司创建于1993年,中国塑料加工工业协会塑料管道专业委员会永高股份有限公司创建于1993年,中国塑料加工工业协会塑料管道专业委员会理事长单位,是国内塑料管道行业为数不多的上市公司之一,股票代码:002641。公司建有国家级博士后科研工作站、国家级企业技术中心、国家火炬计划重点高新技术企业、省级重点企业研究院、省级技能大师工作室、市级创新团队等创新平台。公司秉承“质量第一,用户至上,诚信为本”的经营方针和“诚信、务实、高效、共赢”的经营理念。“公元”牌塑料管道、“ERA公元”商标获多项国家级、省级殊荣。目前,公司的产销量居全国塑料管道行业第二,出口居行业第一。
  • 江苏源清管业有限公司

    江苏源清管业有限公司是由淮安市国资委下属的淮安水利控股集团投资控股的国有企业。公司专门生产薄壁不锈钢承插式氩弧焊和双卡压式两种连接方式的管材、管件、不锈钢阀门等水暖配件。公司占地70亩,生产车间约20000平方,年产能30000吨。 公司自成立以来一直致力于不锈钢给排水管道的研发,生产,销售,安装及售后服务,且秉承“品质不锈,诚信为钢”的经营理念,产品广泛用于建筑给水、燃气、排水、直饮水、气体、消防、暖通、太阳能等工程。坚持“成己为人,成人达己”的经营理念,遵循“诚信经营、优质服务、团结进取、求实创新”的经营方针,以市场为导向,以经济效益为中心,努力提高经营管理水平,促进公司持续健康发展,切实保障客户、公司和员工的利益。
  • 深圳市昆特科技有限公司

    昆特科技是一家专注于自然风险服务的国家高新技术企业,总公司位于深圳南山区并配置有数据采集研究院(软件研发中心设立于成都高新区)具备独立自主的数据采集与遥感应用能力,拥有发明专利6项、软件著作权81项以及其他各类行业资质与硬件专利近百项,案例遍布于全国23个省市直辖市约1150个县/区,沉淀案例近万个。昆特科技致力于以“水、大气、土壤”为主要致灾因素的自然灾害、商业气象、生态环境、公共安全研究已14年历史。