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

◆湖南省長沙市第一中學 袁浩銘

本期點評專家

張永強高級教師，湖南省宜章縣第一中學教研室主任、科技創新指導中心主任，湖南省十佳科技教師。全國校園發明創意大賽、湖南省青少年科技創新大賽、湖南省創新編程與智能設計大賽、湖南省科學調查體驗活動評審專家組成員。

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，例如人們在洗臉時，沒有使用或僅微量使用過洗滌劑的生活用水。

二、實驗原理及過程

正滲透這一現象最早是在1948年被發現，法國人Nollet發現了魚鰾在酒精和水之間的選擇透過性，燒杯中的水分子會透過魚鰾膜進入長頸漏斗，而酒精分子卻能很好地被截留在長頸漏斗內。基于上述正滲透原理，本研究擬設計如下過程。

1.制作正滲透水瓶裝置

取一個干凈的容量為500 mL的空塑料瓶，剪去底部，留下瓶子的開口部分。

2.制作生物半透膜

（1）制作雞蛋半透膜

在新鮮雞蛋表面開一個小洞，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）制作魚鰾半透膜

魚鰾分為兩室，一室為卵形，另一室為圓錐形，都可用于實驗。把魚鰾從魚腹中取出，去掉白色黏膜，用清水浸泡30 min，然后在魚鰾交接處剪開，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）。上述裝置結構如圖1，原理圖如圖2。

圖1 正滲透吸水結構圖

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），以魚鰾膜或雞蛋膜為半透膜，在水槽中加入生活微污水。這時，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，用來稀釋高濃度的肥料液，直接用于家庭綠化。

三、實驗結果與分析

1.水溫的影響

圖3 溫度對水通量的影響

2.滲透液濃度的影響（實驗溫度為25℃）

圖4 滲透液濃度對水通量的影響

四、實驗應用

分別在三個（1號、2號、3號）家庭中，利用三個裝置得到的溶液培育家中的花草，沒有發現異常現象。

接著又去另外六位朋友家（4號、5號、6號、7號、8號、9號）進行實驗，在統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到545 mL，實驗取得了良好的效果。

圖5 家庭實驗

五、實驗結論

1.溫度對正滲透過程有影響。溶液溫度升高，一方面溶液滲透壓增加，增大了傳質過程的驅動力；另一方面，流體黏度下降，擴散系數增加，溶質阻力下降，促進了水由原料液側向汲取液側的傳輸。說明溫度越高，單位溫度的水通量增加值越大，此時輸入單位熱能可以獲得更高的水通量。

當溫度升高到一定極限值時，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溫度超過這個極限值量，水通量下降的現象。魚鰾半透膜的正滲透性能明顯優于雞蛋半透膜性能。

（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于滲透液質量的24%、36%、44%、50%、52%、22%、8%的干凈水。

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

2.隨著滲透液濃度的升高，進入正滲透水瓶中的水量呈先升高、后下降的趨勢，滲透液濃度達到1.5 mol/L時出現最高極值，之后快速下降。魚鰾半透膜的正滲透性能明顯優于雞蛋半透膜性能。

（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于滲透液質量的0、28%、48%、56%、34%、24%的干凈水。

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

從實驗中可以看出，在溫度為10 ℃～40 ℃范圍內，在肥料中都可以進行正滲透，說明該裝置適用于所有的家庭。雞蛋膜和魚鰾易得，如果能推廣這種技術，就能有效利用水資源，有益于環境保護。（指導老師：肖迪凡）

專家點評生活污水是水污染的一個重要途徑，小作者從自己家中的污水出發，運用所學知識去解決實際生活中的問題，利用常見的生物膜處理生活污水，達到了學以致用的目的。

本論文的實驗設計合理，思路清晰，實驗過程嚴謹，實驗數據規范，實驗結果可信，實驗分析有理有據。特別是實驗材料源于生活中常見的生物膜——雞蛋半透膜、魚鰾半透膜，選材易得，實驗和應用都可以重現，有利于項目的推廣。

建議在實驗過程中選取更多種類的生物膜進行實驗，從中選取更優的生物膜進行實驗污水的凈化；在分析魚鰾半透膜明顯優于雞蛋半透膜時，應該分析其中的原理。