一、自然界存在的自然的鹽概述
鹽在我們的生活之中很常見,人體在新陳代謝過程中,需要補充鹽。鹽可以分為食用鹽和工業用鹽,化學中分酸鹼鹽時,鹽的範圍有所擴大,酸鹼反應可以中和成鹽,本文所述的鹽僅指自然界自然存在的鹽,而不是通過化學反應人為製作的鹽。鹽場是生產鹽的場所,井鹽、湖鹽和海鹽都是通過蒸發水分粗製,再根據不同的用途進行精加工,然後得到各種用途的鹽。
利用太陽能從海水中提取鹽是目前主要的海鹽提取方法,世界各地都有鹽場,鹽場的效益一般都較為低下,如果單純從商業的角度分析,很多鹽場的經營都出現了問題。
很多鹽場放棄了技術革新,指望政府收購鹽場的土地大賺一筆,很多鹽場的底部都是過時的土質瓷磚,每次曬鹽提煉時,雜質混入其中,導致粗鹽的精度不高,精製時成本加大。
二、傳統曬鹽概述
熱傳遞的方式大致分為三種:輻射、對流、傳導。太陽光照射到人的臉上,人會感覺到熱辣辣的,這是輻射;加熱水的時候,表層的水和底層的水溫度差不多,這是對流引起的;加熱鐵棒的一端,鐵棒的另一端也熱起來了,這是熱傳導引起的。
於是,古人利用太陽能曬制粗鹽,在海邊建造大型的鹽場,有些鹽場地勢比較低,潮起時引海水進入鹽場,潮落時關閉閘門,截留的海水就是鹽場的原料,通過日復一日的辛苦勞作,特別是鹽差不多要析出的時候,鹽工冒著強烈的陽光,爭分奪秒地搶收勞動果實。
三、人們對於曬鹽的錯誤認識與思考
現在很多鹽場的建造歷史都可以追溯到明清時期甚至更遠,筆者經常去的鹽場就是明清時期建造的,翻開鹽場發展史,可以知道先人們從生活經驗中總結出了曬鹽的技術和方法,並且不斷地改良,鹽的畝產也不斷增加,鹽場的規模也不斷擴大,鹽場為民眾提供了不同的鹽,比如我們通常食用的加碘鹽,可以補充人體所需的微量元素,鹽場或者說鹽業公司的功勞很大,但不能因為鹽場有功於社會就不思改良不願革新。
1、傳統曬鹽存在集中與分散的錯誤認識
現在鹽場的做法是粗放式的加工方法,只管把海水放進來,蒸發的快慢不去研究。遇到陰天,以為是太陽公公不給力,所以蒸發得慢,遇到大好日頭,曬得兩眼冒金星,皮膚似黑漆,又以為全是當前陽光的功勞,其實這一切都是錯誤的認識。
海水蒸發的快慢其實跟陽光的強度聯繫不大,不要把主觀感覺等同於自然規律。舉個很簡單的例子,用兩塊一平米的溼布做對比實驗,一塊平鋪在陽光下,另一塊掛在繩子上,沒有陽光但是風速很大,兩塊布去溼的速度哪個更快?做過實驗你會知道,掛著的那塊布幹得更快。
灌滿水的鹽田中的海水蒸發速度跟陽光強度更是沒有直接聯繫,鹽田水深至少一二十釐米,這些水在陽光一天的照射下,溫度上升很小,筆者曾經根據天氣預報提前預知一個大晴天,早上去測了鹽田的溫度,下午又去測了鹽田的溫度,結果發現溫度只是上升了一度兩度,這其中還不知道有無測量誤差。到了晚上,鹽田的溫度又下降了,次日溫度又上升一點,日復一日。
物理學中認為熱是由分子永不停息地做無規則運動產生的,溫度高,說明分子無規則運動速度加快,分子的平均動能增加。假設海水的溫度由15攝氏度上升到16攝氏度,海水表面的分子平均動能並沒有增加十五分之一或者十六分之一,因為我們日常生活中所稱的溫度是攝氏溫度,而物理學中研究氣體的變化規律時使用開爾文溫度,簡稱開氏溫度,用開氏溫度來表示攝氏溫度的15攝氏度和16攝氏度,分別是288K和289K,從溫度變化的增量來看,只增加了288分之一,海水表面的氣體分子平均動能也只增加了288分之一。
海水蒸發時,蒸發的是海水表面的水分子,水分子由氫氧鍵結合,水分子和水分子之間還可以通過氫鍵聯繫,所以說,水分子「很團結」,要將海水表面的水分子「驅走」並非易事。承上所述,假設海水溫度有所上升,我們把海水表面的那部分氣體暫時看做是等壓變化的密閉氣體,由克拉伯龍方程可知,當溫度由288K變化到289K時,氣體的體積只是增加了288分之一!白天曬了一整天鹽,居然只與晚上「曬鹽」相差無幾!就算晝夜溫差10攝氏度(攝氏溫度和開氏溫度只是起點不同,溫差是等同的),假如都是靜風狀態,白天和晚上曬鹽的差異居然只是相差幾十分之一!
2、傳統曬鹽存在整體與局部的錯誤認識
我們經常做飯,即使成噸的大米擺在我們面前,我們也只需要做需要的那頓飯,庫存是庫存,需求是需求。我們也看到很多商家賣貨,店裡有一部分,倉庫有一部分,等到店裡擺放的商品短缺了,再從倉庫中取出擺放在店裡。中國還有一句老話:「滾滾長江東逝水只取一瓢飲」,這些都說明什麼?我們把需要加工的快速加工好,再去加工下一批,心急吃不了熱豆腐。
曬鹽也是一樣,一個灌滿水的鹽場,水比較深,太陽公公白天忙乎一天,到次日早上又清零,再忙乎一天還是如此,日日如此年年如此,做的全是無用功,鹽場曬鹽的效率能夠提高?強烈的陽光照射到裸露的皮膚、鋼鐵、巖石、沙土等物體時,溫度上升較快,除了跟比熱容有關,最主要的,是陽光輻射的能量集中在這些物體的表面,沒有傳來傳去。鹽場不一樣,鹽場的水是透明或半透明的,水還可以反射陽光,水是可以對流的,輸送到鹽田的光能就那麼多,整個鹽田的水都享用,如果改變鹽田的能源分配,讓有限的能源分配給一部分水,等這部分水完成蒸發後再分配給另一批,效率將會大大提高。也就是,局部加熱代替整體加熱大大提高曬鹽效率。
日常生活經驗告訴我們,曬床單掛著曬效果較好,灑水時採用噴霧的方式幹得快,這裡就涉及到影響蒸發的因素:增加液體的表面積。液體的表面積隨著液體的細分不斷增大,比如,長寬高都是一米的液體,其與空氣接觸的面積只有一個面,為一平米(其它三面不與空氣接觸)。當我們把這「塊」液體切分成邊長1毫米的正方體小塊(相較於球體更好計算),並懸停於空氣中時,與空氣的接觸面積變為原來的6000倍(正方體有6個面),假如我們把這「塊」液體切分成1微米的正方體小塊,與空氣接觸的面積變為原來的6000000倍,很多淘寶商家的噴霧器噴出的霧滴直徑可以細到0.1微米,可見我們在增加液體與空氣的接觸面積方面,潛力非常巨大。
接觸面積增加了,水汽或者說水分子可以輕易地蒸發出來,接下來就是帶走的問題了。一定的溫度和壓強下,空氣中微小水滴或者說水分子的含量有一個飽和的極限,達到極限,水分子不能再增加,或者說增加一些又會有一些變成水珠落下,如同雲化雨。
飽和水汽如何散去?當然可以使用大風吹散,風速可以非常大!自下而上的高速風可以通過自然的海風獲得(具體製作方法另外行文論述),飽和水汽在高速風的吹拂下紛紛散去,鹽粒在重力的作用下累積起來(我使用PVC三通管道實現),風道、水汽道、鹽道獨立,風道進,飽和水汽隨風道進,分解成純水汽和純鹽粒,這樣,「曬鹽」的效率就大大提升了。從具體的加工方式來看,太陽能主要是提高了鹽水的溫度,提高了需要加工的那部分海水的飽和水汽含量,風能發揮了「趕跑」飽和水汽的作用,因此,這種製取粗鹽的方法可以稱之為「吹鹽」。
3、傳統曬鹽存在主動與被動的錯誤認識
我們通常認為,水受重力的作用會向下運動,所以被動地接受了這樣一個事實:鹽場的海水會留在鹽場中,直到被曬乾。物理學中有一種現象叫毛細現象,當一根細長的玻璃管插入海水中時,海水會沿著玻璃管上升一小段距離,當我們將毛巾放在洗臉盆的邊沿,水會沿著毛巾向上運動,這是由於大氣壓的作用和浸潤現象產生的,了解了這樣一個事實,讓海水「懸空」和「裸露」就可以很輕易地實現。另外,如果我們還想玩點高科技,用一些生活中不常見的方法,密立根油滴實驗是一種很好的借鑑,將帶靜電的海水噴霧後送入電場中,懸空,以使多面接觸空氣,這時,高速高溫的空氣入場,把飽和水汽「吹走」,鹽粒自然可以留下來。
或許有人會問:「你只想著把水汽帶走,風速過大不會把鹽粒也帶走麼?」不急,分開篩選這種事情,物理學處理起來太簡單了,由於水汽和含鹽水滴密度不同,可以設計不同落點留住含鹽水滴即可。更何況,如果覺得含鹽水滴孤苦無依,可以放置一條毛巾相依相偎。
水的聚散也不能被動地接受。我們通常認為,水很「團結」,很難打破這種「團結」,本文前文所述觀點就是這樣,也符合很多人的認識。不過,由於毛細現象,水也可以分散,而不需要藉助外力幹預。一滴水落在灰塵中,不久就不見蹤影,桌面上有水珠,用毛巾一擦就隱形了,這些都是水會主動散開的例子。
我們曬鹽的時候,要主動利用海水的散而不是被動接受海水的聚,這樣我們才能最大地提高曬鹽的效率。
總結:本文指出海水曬鹽傳統方法的錯誤之處,並依據物理學規律給出正確的方法,通過提高局部海水溫度、增加海水蒸發的表面積、高速帶走飽和水汽的方法,極大地提升曬鹽的效率。本人不是工程師,只能通過實驗和理論證明這種方法具有一定的可行性,至於實踐中會遇到何種難題尚未可知,歡迎私信或者評論,共同為鹽場的生產效率提升做出貢獻。