竹纖毛細(xì)原理的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用

黃健昌

一、發(fā)現(xiàn)問題

前些日子，爸爸請了一幫伐竹工砍伐自家的成竹林。我意外地發(fā)現(xiàn)兩個新砍的竹蔸里積留著小半筒清凌凌的水。竹蔸里的清水從哪兒來？竹林能否把污水變成清水？能否利用竹林凈化水的原理，開發(fā)新技術(shù)來凈化污水、海水？

二、分析問題

問題1：新砍的竹蔸腔體內(nèi)的液體是什么？從哪里來？

根據(jù)所查資料，竹蔸內(nèi)的液體是竹液。竹液是從新鮮的竹體內(nèi)流出的液汁，含有豐富的營養(yǎng)和生物酶。

問題2：竹林能否把污水變成清水？

研究表明，人工種植竹林能處理污水。一般先在基質(zhì)坑內(nèi)作防水處理，然后填鋪焦渣，在焦渣上種植水竹，水竹經(jīng)馴化后可無土栽培。

竹子根系發(fā)達，生長快，在根系周圍形成好氧生物膜層，能對基床中的污水進行生態(tài)凈化處理。

問題3：能否利用竹林凈化水的原理，開發(fā)新技術(shù)來凈化污水、海水？

既然竹林能處理污水，且得到的竹液非常純凈，我相信能借助相關(guān)原理開發(fā)出凈化污水、海水的新技術(shù)，造福人類。

為此，我請教指導(dǎo)老師，根據(jù)竹根的毛細(xì)作用原理和竹子的蒸騰作用原理以及液化原理，先利用棉線束的毛細(xì)現(xiàn)象對污水、海水起到顯著的過濾、凈化作用，再利用太陽能將水蒸發(fā)成水蒸氣，進一步純化，最后將純化的水蒸氣加壓冷凝，得到可飲用的純凈水，以此開辟凈化水資源的新途徑。

三、設(shè)計并進行實驗

為確定竹液的來源和竹林的凈水作用，我采集了竹液并檢驗其純凈度。

先在竹林中找三棵分別為一年生、兩年生、多年生的活竹與三根分別為嫩、青、黃老的竹鞭，分別在地表周邊倒一桶渾濁的黃泥水。

接著，先在活竹下部的任一節(jié)間上方鉆一個或幾個穿透竹內(nèi)腔薄膜的洞，該洞取在上竹節(jié)的下方盡量高的位置，向竹內(nèi)傾斜，形成外高內(nèi)低的斜度，并用塑料薄膜、膠帶扎緊封閉。

再在同一節(jié)間下竹節(jié)上方盡量低的位置，打一個穿透竹內(nèi)腔膜的孔，插入一根點滴導(dǎo)管，導(dǎo)管與洞孔接觸處要密封嚴(yán)實，導(dǎo)管在竹體外的出口端設(shè)有可啟閉的開關(guān)。一天后，撕開節(jié)間上方的膠帶，將下方的導(dǎo)管口插入經(jīng)過消毒的空生理鹽水瓶（或礦泉水瓶）中，灌裝竹腔里積累的竹液。

對于三根分別為嫩、青、黃老的跳鞭（裸露在地面上的竹鞭），則用刀切斷，將切口分別插入經(jīng)過消毒的空生理鹽水瓶（或礦泉水瓶）中，再用塑料薄膜封好瓶口。一天后，收集天然竹液，將六瓶竹液樣品送檢。

實驗證明，竹液確實是竹體內(nèi)流出的液汁，且土壤中的水經(jīng)過竹體本身的凈化，變得非常純凈，還含有人體所需的15種氨基酸和多種微量元素。

了解竹液后，我與幾個伙伴共同研究了利用竹林凈化水的原理，嘗試開發(fā)凈化污水、海水的新技術(shù)。

實驗探究一：運用竹根的毛細(xì)作用原理，設(shè)計對照實驗，研究毛細(xì)現(xiàn)象對污水、海水的過濾、凈化和活化作用。

實驗材料：礦泉水瓶5個，50ml的燒杯10個，棉線5大束，河水、泥水、海水（鹽水）、生活污水、工業(yè)廢水各1瓶。

實驗步驟：

1.用礦泉水瓶采集河水、泥水、鹽水、生活污水、工業(yè)廢水各1瓶，向5個燒杯分別倒入50ml，用TDS水質(zhì)檢測筆測出各杯樣本水的純凈度。

2.將5大束棉線的一頭分別放入另外5個空燒杯中，另一頭分別浸沒到5杯水底部。靜置一段時間后，觀察5個空燒杯中的凈化水量，并用TDS水質(zhì)檢測筆測出各杯凈化水的純凈度。

實驗結(jié)論：利用棉線束的毛細(xì)現(xiàn)象能對污水、海水（鹽水）起到顯著的過濾、凈化作用。相比傳統(tǒng)利用沙石、活性炭等過濾污水，這種方法既能避免固體廢棄物沉積在過濾層的表面，又能有效吸附異味物質(zhì)，其反重力過濾的設(shè)計創(chuàng)意新穎。

應(yīng)用一：根據(jù)上述結(jié)果，可將本地污染嚴(yán)重的畜牧場污水通過合理的建筑設(shè)計，利用毛細(xì)原理和活性炭的吸附作用，經(jīng)過凈化處理后再排放，起到凈化水的作用（如圖1）。

實驗探究二：類比竹子的蒸騰作用原理，利用太陽能將水蒸發(fā)成水蒸氣，進一步純化；再利用液化原理，將純化的水蒸氣冷凝成可飲用的純水。

實驗材料：河水、泥水、鹽水、生活污水、工業(yè)廢水各1瓶；50ml的燒杯10個、棉線5大束、凹底小礦泉水空瓶5個。

實驗步驟：

1.將5個小礦泉水空瓶的凹底正中央分別鉆一個直徑為1cm的小洞，將5大束棉線的一頭用鐵絲分別扎進5個小礦泉水空瓶的底部洞中，擰緊瓶蓋。

2.在5個燒杯中各倒入50ml河水、泥水、鹽水、生活污水、工業(yè)廢水；將5個小礦泉水空瓶的底部分別放在5個盛水燒杯口上，并將5大束棉線的另一頭分別浸沒到5個空燒杯的底部。

3.靜置一天后，擰開瓶蓋，小心地將5個小礦泉水瓶倒置，瓶口分別對準(zhǔn)5個燒杯口（編號為河水①、泥水②、鹽水③、生活污水④、工業(yè)廢水⑤），收集并觀察其冷凝水量，并用TDS水質(zhì)檢測筆測出各瓶凈化水的純凈度。

實驗結(jié)果：

1.③號杯中的凈化水最多，但可溶物（電解質(zhì)）的含量最高。

2.類比竹子的蒸騰作用原理，利用太陽能將水蒸發(fā)成水蒸氣，進一步純化；最后利用液化原理，將純化的水蒸氣冷凝，即可得到可飲用的純凈水。液體的濃度梯度越大，蒸騰作用越強。

根據(jù)實驗結(jié)論，我們又分時段重做了探究二實驗，分析五種液體通過毛細(xì)作用和蒸發(fā)、再冷凝液化的快慢與時間的關(guān)系（以6小時為一個時間段，共5個時間段）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，③號杯中的鹽水在12小時之后，冷凝水量快速增加。鑒于③號杯中的鹽水類似于海水，我們可以進一步采取如圖2所示的裝置對海水進行凈化，從而得到可飲用的純凈水。

我們設(shè)計的新型污水、海水凈化處理模型經(jīng)實踐檢驗效果顯著、成本低廉、能耗較低、清潔環(huán)保，值得進一步完善。