家用微污水變凈水
——從家庭微污染水中汲取干凈水用于家庭綠化的研究

◆湖南省長(zhǎng)沙市第一中學(xué) 袁浩銘

本期點(diǎn)評(píng)專家

張永強(qiáng)高級(jí)教師，湖南省宜章縣第一中學(xué)教研室主任、科技創(chuàng)新指導(dǎo)中心主任，湖南省十佳科技教師。全國(guó)校園發(fā)明創(chuàng)意大賽、湖南省青少年科技創(chuàng)新大賽、湖南省創(chuàng)新編程與智能設(shè)計(jì)大賽、湖南省科學(xué)調(diào)查體驗(yàn)活動(dòng)評(píng)審專家組成員。

一、研究背景

日常生活用水主要用于清潔食品、洗滌碗筷、清潔地板、洗衣服、洗漱及其他。生活中，微污染水是指受到輕微污染的水，例如人們?cè)谙茨槙r(shí)，沒(méi)有使用或僅微量使用過(guò)洗滌劑的生活用水。

二、實(shí)驗(yàn)原理及過(guò)程

正滲透這一現(xiàn)象最早是在1948年被發(fā)現(xiàn)，法國(guó)人Nollet發(fā)現(xiàn)了魚(yú)鰾在酒精和水之間的選擇透過(guò)性，燒杯中的水分子會(huì)透過(guò)魚(yú)鰾膜進(jìn)入長(zhǎng)頸漏斗，而酒精分子卻能很好地被截留在長(zhǎng)頸漏斗內(nèi)。基于上述正滲透原理，本研究擬設(shè)計(jì)如下過(guò)程。

1.制作正滲透水瓶裝置

取一個(gè)干凈的容量為500 mL的空塑料瓶，剪去底部，留下瓶子的開(kāi)口部分。

2.制作生物半透膜

（1）制作雞蛋半透膜

在新鮮雞蛋表面開(kāi)一個(gè)小洞，將蛋黃、蛋清倒出后浸泡在30%的醋酸中，讓雞蛋殼完全溶解。

（2）制作魚(yú)鰾半透膜

魚(yú)鰾分為兩室，一室為卵形，另一室為圓錐形，都可用于實(shí)驗(yàn)。把魚(yú)鰾從魚(yú)腹中取出，去掉白色黏膜，用清水浸泡30 min，然后在魚(yú)鰾交接處剪開(kāi)，放出氣體，輕柔漂洗即可。

3.制作正滲透裝置

（1）將半透膜套在塑料瓶的瓶口，并用橡皮筋扎緊。

（2）取一個(gè)水槽，倒入生活污水。將半透膜封閉后的塑料瓶的一半瓶身放入裝有水的水槽中，然后在塑料瓶中加入肥料液（磷酸二氫鉀溶液）。上述裝置結(jié)構(gòu)如圖1，原理圖如圖2。

圖1 正滲透吸水結(jié)構(gòu)圖

圖2 正滲透吸水原理圖

4.具體思路

如圖2，在正滲透瓶中，加入較高濃度的肥料液作為滲透液（高滲透壓），以魚(yú)鰾膜或雞蛋膜為半透膜，在水槽中加入生活微污水。這時(shí)，微污水為低滲透壓液體，而較高濃度的肥料液為高滲透壓液體，高滲透壓液體（肥料）可從低滲透壓（生活微污水）汲取干凈的水，用來(lái)稀釋高濃度的肥料液，直接用于家庭綠化。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.水溫的影響

圖3 溫度對(duì)水通量的影響

2.滲透液濃度的影響（實(shí)驗(yàn)溫度為25℃）

圖4 滲透液濃度對(duì)水通量的影響

四、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

分別在三個(gè)（1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)）家庭中，利用三個(gè)裝置得到的溶液培育家中的花草，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

接著又去另外六位朋友家（4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在統(tǒng)一配制的尿素含量為5%的溶液作為緩沖液的情況下，一次性收集的水量平均達(dá)到545 mL，實(shí)驗(yàn)取得了良好的效果。

圖5 家庭實(shí)驗(yàn)

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1.溫度對(duì)正滲透過(guò)程有影響。溶液溫度升高，一方面溶液滲透壓增加，增大了傳質(zhì)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力；另一方面，流體黏度下降，擴(kuò)散系數(shù)增加，溶質(zhì)阻力下降，促進(jìn)了水由原料液側(cè)向汲取液側(cè)的傳輸。說(shuō)明溫度越高，單位溫度的水通量增加值越大，此時(shí)輸入單位熱能可以獲得更高的水通量。

當(dāng)溫度升高到一定極限值時(shí)，由于膜耐受力不同，能引起膜通量下降，這就很好地解釋了當(dāng)溫度超過(guò)這個(gè)極限值量，水通量下降的現(xiàn)象。魚(yú)鰾半透膜的正滲透性能明顯優(yōu)于雞蛋半透膜性能。

（1）雞蛋半透膜的通水量。在裝置中，依溫度的高低，等滲液分別吸收了相對(duì)于滲透液質(zhì)量的24%、36%、44%、50%、52%、22%、8%的干凈水。

（2）魚(yú)鰾半透膜的通水量。在裝置中，依溫度的高低，等滲液分別吸收了相對(duì)于滲透液質(zhì)量的32%、46%、54%、66%、84%、96%、4%的干凈水。

2.隨著滲透液濃度的升高，進(jìn)入正滲透水瓶中的水量呈先升高、后下降的趨勢(shì)，滲透液濃度達(dá)到1.5 mol/L時(shí)出現(xiàn)最高極值，之后快速下降。魚(yú)鰾半透膜的正滲透性能明顯優(yōu)于雞蛋半透膜性能。

（1）雞蛋半透膜的通水量。在裝置中，依滲透液濃度的高低，等滲液分別吸收了相對(duì)于滲透液質(zhì)量的0、28%、48%、56%、34%、24%的干凈水。

（2）魚(yú)鰾半透膜的通水量。在裝置中，依溫度的高低，等滲液分別吸收了相對(duì)于滲透液質(zhì)量的0%、36%、64%、78%、52%、38%的干凈水。

從實(shí)驗(yàn)中可以看出，在溫度為10 ℃～40 ℃范圍內(nèi)，在肥料中都可以進(jìn)行正滲透，說(shuō)明該裝置適用于所有的家庭。雞蛋膜和魚(yú)鰾易得，如果能推廣這種技術(shù)，就能有效利用水資源，有益于環(huán)境保護(hù)。（指導(dǎo)老師：肖迪凡）

專家點(diǎn)評(píng)生活污水是水污染的一個(gè)重要途徑，小作者從自己家中的污水出發(fā)，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際生活中的問(wèn)題，利用常見(jiàn)的生物膜處理生活污水，達(dá)到了學(xué)以致用的目的。

本論文的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理，思路清晰，實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)范，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信，實(shí)驗(yàn)分析有理有據(jù)。特別是實(shí)驗(yàn)材料源于生活中常見(jiàn)的生物膜——雞蛋半透膜、魚(yú)鰾半透膜，選材易得，實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用都可以重現(xiàn)，有利于項(xiàng)目的推廣。

建議在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選取更多種類的生物膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從中選取更優(yōu)的生物膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)污水的凈化；在分析魚(yú)鰾半透膜明顯優(yōu)于雞蛋半透膜時(shí)，應(yīng)該分析其中的原理。