體驗.創(chuàng)新.成長

新 娟

今年我國的青少年科技創(chuàng)新大賽已經(jīng)是第25屆了。青少年科技創(chuàng)新成果競賽是青少年科技創(chuàng)新大賽的主體內(nèi)容，它是面向在校中小學生開展的具有示范性和導向性的科技教育活動之一。今天讓我們走進青少年科學探究實踐區(qū)，來看看他們是怎樣體驗、創(chuàng)新和成長的……

秸稈顆粒炭生產(chǎn)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)上的應用

秸稈顆粒炭生產(chǎn)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)上的應用，闡述了秸稈等生物質(zhì)資源不合理利用帶來的一系列環(huán)境問題，該項目從負碳技術(shù)的角度，設計一種半封閉式炭化爐。采用亞高溫(260-450℃)缺氧干餾分解新工藝，將秸稈顆粒直接逐次、分層裝入爐內(nèi)點燃，實行原料顆粒自燃，在缺氧條件下燃燒炭化。該技術(shù)可作為一項CO₂減排技術(shù)。炭化產(chǎn)品保留了生物質(zhì)原有組織的細微結(jié)構(gòu)。吸附性強、不需重新加工。可直接作為緩釋復合肥基質(zhì)和土壤改良劑，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。應用前景廣闊。

這是沈陽市第二中學高二年級劉杭達同學撰寫的科學論文，劉杭達同學的爸爸媽媽是高等農(nóng)業(yè)院校的教育工作者，由于受父母的影響，劉杭達同學從小對環(huán)境問題就十分關(guān)注。特別是每年寒假全家回遼西北的農(nóng)村老家過春節(jié)，沿途中不時就會看到一股股煙霧從田地中升起。小時候的他常常會好奇地指點給爸媽看，他的爸媽告訴他那是農(nóng)作物的秸稈在燃燒。隨著年齡的增長，特別是進入高中學習階段后，劉杭達同學的知識面不斷拓寬，化學、生物、物理等課程內(nèi)容也不斷豐富和深入，當他再看到田地中升起的濃煙時就想：植物經(jīng)過光合作用積累固定的碳怎么就這樣白白燒掉了呢?每年這樣燒掉的秸稈有多少?燃燒過程會產(chǎn)生怎樣的影響?帶著這個問題，他開始查閱相關(guān)的文獻，結(jié)果讓他震驚!

農(nóng)作物秸稈等是一種重要的生物質(zhì)資源。所謂生物質(zhì)是指包括所有動植物和微生物以及由這些生命體排泄和代謝所產(chǎn)生的所有有機物質(zhì)，主要指在農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)過程中，所產(chǎn)生的大量剩余物。例如，農(nóng)副產(chǎn)品加工后剩余的稻殼、玉米芯和花生殼等，以及在林業(yè)生產(chǎn)過程中殘留的樹枝、樹葉、木屑和木材加工的邊角料等。特別是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，收獲稻谷、小麥、玉米等農(nóng)作物以后，殘留的不能食用的莖、葉等作物秸稈。

生物質(zhì)是人類利用最早的能源，也是我國農(nóng)村的主要能源之一。在農(nóng)村受消費觀念和生活方式的影響，大多數(shù)的生物質(zhì)資源以直接燃燒為主，使相當部分的秸稈資源沒有得到合理開發(fā)利用。同時，焚燒秸稈等生物質(zhì)資源還給人們的生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成了嚴重危害。比如生物質(zhì)的燃燒增加了溫室氣體排放量，給CO₂減排帶來沉重壓力，并嚴重影響了人們的生活和自然生態(tài)環(huán)境；造成資源的巨大浪費，由于持續(xù)的高溫會烤焦約3cm-5cm的土壤層，造成有機質(zhì)的大量損失，生物質(zhì)燃燒過后的土壤易板結(jié)，降低了土壤蓄水保肥能力，破壞了土壤原有結(jié)構(gòu)，降低了土壤的生產(chǎn)能力，高溫也使得土壤中有益微生物(如蚯蚓等)無法存活，嚴重影響土壤耕層生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的良性循環(huán)；焚燒秸稈時，由于火勢不易控制。極易引發(fā)火災，造成大量農(nóng)田林網(wǎng)和地頭路邊樹木被毀，破壞了生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

面對生物質(zhì)資源巨大的浪費，特別是不適當?shù)奶幚韼淼囊幌盗协h(huán)境問題，如何進行有效控制和合理利用，既減少巨大的溫室氣體排放，又不造成土壤和生態(tài)環(huán)境的破壞，甚至使其由負效益轉(zhuǎn)變?yōu)橐慌e多得的正效益?這無疑將會對CO₂減排和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠的影響。

劉杭達同學還了解到，碳捕獲與封存(Carbon Ca!omre and Storage)即CCS技術(shù)，是國外最早提出的CO₂減排技術(shù)措施。其主要的思路是運用該技術(shù)，在燃燒的過程中，通過一定的化學反應將二氧化碳捕捉下來，使之不排放到大氣中，再經(jīng)過壓縮和運輸將其“封存到地下”，并且長期與大氣隔絕。一般包括深海存儲和地質(zhì)儲存等。

“深海存儲”主要是通過管道或船舶將CO₂運送到海洋儲存地點，然后將CO₂注入海底，在海底的CO₂最后會碳化并保存下來。但是，這個方法有一定的隱患，CO₂是通過船舶用高壓打人海底的，萬一CO₂發(fā)生泄漏后果將不堪設想。特別是在海震時常發(fā)生的區(qū)域，其安全性更低。

另一種方法是地質(zhì)儲存，把CO₂打入地下1—2千米的鹽水層，在這樣的深度，壓力會將C02轉(zhuǎn)換成所謂的“超臨界流體”，并緩慢固化，就像地下的煤炭石油一樣，使CO₂不容易泄漏。據(jù)預測全球鹽水層的儲量可能達到10萬億噸，可以儲存1000年。但據(jù)悉，全世界還沒有一座大型的完整的CO₂捕獲口運輸與封存的產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)成功運行，目前全球僅有三個成功的子系統(tǒng)CCS項目在進行中。而且，CCS技術(shù)普遍存在成本太高，耗能大等問題。另外，迄今為止還沒有哪個國家試驗過全循環(huán)的系統(tǒng)，即使是小規(guī)模示范項目也沒有試驗過。把大量CO₂永久封存在地下的安全性尚難驗證。難以得到大面積推廣。因此，從目前狀況來看，如何能找到一種廉價、簡易、高效、安全的解決CO₂排放的實用技術(shù)在CO₂減排領(lǐng)域就顯得尤為重要，也是一種迫切需要。

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化碳技術(shù)，正是由此而產(chǎn)生。它從另外一個角度，即負碳技術(shù)，通過獨特的炭化爐裝置。將生物質(zhì)炭化。其目的是將生物質(zhì)進行光合作用時從大氣中吸收的CO₂固定，形成炭化物，進而炭化保存下來，這是一個凈負碳的過程。炭化后的產(chǎn)物，可重新施入并封存于土壤中，在幾百年內(nèi)不會變化。

從2008年10月開始，劉杭達同學來到沈陽農(nóng)業(yè)大學水稻研究所參觀實踐學習，觀察通過不同溫度的設定，測定不同溫度條件下，用炭化爐將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為炭，焦油類物質(zhì)，混合可燃氣體的比例；觀察利用生物質(zhì)炭化爐生產(chǎn)的不同材料炭的微觀結(jié)構(gòu)，利用表面掃描儀，觀察不同材料制成炭的表面微觀結(jié)構(gòu)，了解制成炭的結(jié)構(gòu)特點與孔隙度等相關(guān)性狀；利用生物轉(zhuǎn)化炭的良好吸附性，施用于受重金屬污染的土壤中，調(diào)查測定其對水稻生長的影響；通過對水稻的實際考察，明確生物質(zhì)轉(zhuǎn)化炭對重金屬污染中水稻產(chǎn)量性狀指標的影響，如圖1收獲水稻晾曬，圖2水稻指標測試，圖3各處理標記，圖4水稻脫粒；做玉米施肥試驗和玉米生長狀況調(diào)查，按實驗設計，將不同肥料施入試驗地，通過玉米苗期的田間調(diào)查，了解由炭化爐生產(chǎn)的炭，經(jīng)進一步開發(fā)制成的炭基緩釋肥對玉米農(nóng)藝性狀的影響如圖5玉米苗期田間對比，左為對照，圖6玉米苗期根系對比，圖7玉米大喇叭口期對比，圖8玉米果穗對比(每幅圖左面為對照)。他還了解炭化爐與制炭技術(shù)過程，寫下研究活動日志。

水中有毒有害有機物的處理

水中有毒有害有機物的處理。是利用紫外光照射TiO₂消除水中有毒有害有機物，是高效清潔凈化有機廢水的新方法。已有的懸浮納米二氧化鈦顆粒方法亟待解決制約其推廣應用的分離難題。針對這一難題，本研究提出”利用泡沫碳化硅負載納米TiO₂新材料替代TiO₂粉體，省去凈化處理后納米粉體與水的分離過程”的設想，在合理設計實驗裝置、正確選擇實驗材料和凈化對象的基礎(chǔ)上，通過對比研究，證明：紫外光輻照泡沫碳化硅負載TiO₂新材料能夠使水中對氨基苯磺酸得到有效降解，廢水凈化后不需進行后續(xù)過濾。這是沈陽市東北育才外國語學校高一年級呂詩笳同學撰寫的科學論文。

2008年，呂詩笳同學升入初三，開始了化學這一科目的學習，逐漸地她對化學產(chǎn)生了興趣。在平目的閱讀中也了解了很多化學常識和知識。在日常生活中，大家都知道地球的生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了很大的問題，尤其是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚乃奈廴境潭入S著現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展日趨嚴重，尤其是有機廢水的排放，給人類的可持續(xù)發(fā)展帶來了很大的障礙。水是人類生活和生產(chǎn)活動中不可缺少的物質(zhì)資源。水經(jīng)過工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活使用后，喪失了使用價值而形成廢水。廢水的外排造成環(huán)境水體，土壤甚至空氣的污染，它不僅威脅人體的健康，而且造成水資源的匱乏，嚴重影響了人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

廢水處理方法按對污染物實施的作用不同大體上可分為兩類：一類為分離法，如采用離心分離、吸附和過濾等方法，將污染物分離出去；另一類是轉(zhuǎn)化法，通過化學或生化反應，使污染物轉(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)或可分離的物質(zhì)。后者再經(jīng)過分離予以除去。習慣上也按處理原理不同，將處理方法分為物理法、化學法、物理化學法和生物化學法四類。但這些方法應用于難以自行降解的低濃度有毒有害有機廢水蝕，效果十分有限。

現(xiàn)在有沒有什么方法可以徹底的解決有機廢水的問題而且可以投入到工業(yè)化使用中呢?根據(jù)所含成分，廢水可分為無機廢水、有機廢水、混合廢水和放射性廢水。其中有機廢水主要是造紙、皮革、食品、染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、石油、化工、焦化等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水。這些廢水中含有許多的有機物難以降解，且具有較強的致癌、致突變、致畸毒性。就拿有機氯農(nóng)藥來說，它們首先非常穩(wěn)定，在自然環(huán)境中要十幾年甚至幾十年才降解，另外它們都可能通過食物鏈在人體內(nèi)沉集，危害人體健康。因此對有機廢水進行凈化處理、回收和綜合利用已逐漸成為國際上環(huán)境保護技術(shù)的熱點研究課題之一。

呂詩笳同學經(jīng)過查閱資料得知現(xiàn)在只有用二氧化鈦光催化降解廢水中污染物的方法，但這種方法需要進行二次過濾，不能投入到大規(guī)模工業(yè)化使用當中。于是，在詢問了相關(guān)方面的專家后，為了進行對比研究，本課題還選擇了由中國科學院金屬研究所提供的與負載在泡沫碳化硅上的納米TiO₂性質(zhì)完全相同的納米TiO₂粉體。圖2所示的是泡沫碳化硅和負載納米TiO₂后的帕沫碳化硅材料的掃描電子顯微鏡照片。

在經(jīng)過了一系列的試驗之后，呂詩笳同學提出了用泡沫碳化硅負載TiO₂降解水中有毒有機物的設想，成功地發(fā)現(xiàn)她的設想可以省去用離心機過濾的步驟。最終確定了“用泡沫碳化硅負載TiO₂新材料代替顆粒狀納米TiO₂，在紫外光作用下消除水中有毒有害有機物”的設想的正確性。

通過本次研究呂詩笳同學深有感觸地在日記中寫到：實際生活中有很多問題等待著我們?nèi)ソ鉀Q，只要我們認真的觀察和研究。會得到讓自己都意想不到的發(fā)現(xiàn)和成果。但是，要完成好一項科學研究，首先要打好基礎(chǔ)，并通過查閱資料、虛心向科技界前輩請教，拓寬知識面，掌握發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的科學方法。更重要的是，我們要有鍥而不舍的精神，不要被一時的困難嚇倒?？茖W研究終究要經(jīng)歷“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”的歷程。這樣從科學研究中，我們才能更好的磨練自己，提高自己，開發(fā)自己的潛力來磨練出更好的自我。