体验.创新.成长

新 娟

今年我国的青少年科技创新大赛已经是第25届了。青少年科技创新成果竞赛是青少年科技创新大赛的主体内容，它是面向在校中小学生开展的具有示范性和导向性的科技教育活动之一。今天让我们走进青少年科学探究实践区，来看看他们是怎样体验、创新和成长的……

秸秆颗粒炭生产技术及其在农业上的应用

秸秆颗粒炭生产技术及其在农业上的应用，阐述了秸秆等生物质资源不合理利用带来的一系列环境问题，该项目从负碳技术的角度，设计一种半封闭式炭化炉。采用亚高温(260-450℃)缺氧干馏分解新工艺，将秸秆颗粒直接逐次、分层装入炉内点燃，实行原料颗粒自燃，在缺氧条件下燃烧炭化。该技术可作为一项CO₂减排技术。炭化产品保留了生物质原有组织的细微结构。吸附性强、不需重新加工。可直接作为缓释复合肥基质和土壤改良剂，对农业可持续发展意义重大。应用前景广阔。

这是沈阳市第二中学高二年级刘杭达同学撰写的科学论文，刘杭达同学的爸爸妈妈是高等农业院校的教育工作者，由于受父母的影响，刘杭达同学从小对环境问题就十分关注。特别是每年寒假全家回辽西北的农村老家过春节，沿途中不时就会看到一股股烟雾从田地中升起。小时候的他常常会好奇地指点给爸妈看，他的爸妈告诉他那是农作物的秸秆在燃烧。随着年龄的增长，特别是进入高中学习阶段后，刘杭达同学的知识面不断拓宽，化学、生物、物理等课程内容也不断丰富和深入，当他再看到田地中升起的浓烟时就想：植物经过光合作用积累固定的碳怎么就这样白白烧掉了呢?每年这样烧掉的秸秆有多少?燃烧过程会产生怎样的影响?带着这个问题，他开始查阅相关的文献，结果让他震惊!

农作物秸秆等是一种重要的生物质资源。所谓生物质是指包括所有动植物和微生物以及由这些生命体排泄和代谢所产生的所有有机物质，主要指在农业和林业生产过程中，所产生的大量剩余物。例如，农副产品加工后剩余的稻壳、玉米芯和花生壳等，以及在林业生产过程中残留的树枝、树叶、木屑和木材加工的边角料等。特别是在农业生产过程中，收获稻谷、小麦、玉米等农作物以后，残留的不能食用的茎、叶等作物秸秆。

生物质是人类利用最早的能源，也是我国农村的主要能源之一。在农村受消费观念和生活方式的影響，大多数的生物质资源以直接燃烧为主，使相当部分的秸秆资源没有得到合理开发利用。同时，焚烧秸秆等生物质资源还给人们的生活、生产和生态环境造成了严重危害。比如生物质的燃烧增加了温室气体排放量，给CO₂减排带来沉重压力，并严重影响了人们的生活和自然生态环境；造成资源的巨大浪费，由于持续的高温会烤焦约3cm-5cm的土壤层，造成有机质的大量损失，生物质燃烧过后的土壤易板结，降低了土壤蓄水保肥能力，破坏了土壤原有结构，降低了土壤的生产能力，高温也使得土壤中有益微生物(如蚯蚓等)无法存活，严重影响土壤耕层生态环境系统的良性循环；焚烧秸秆时，由于火势不易控制。极易引发火灾，造成大量农田林网和地头路边树木被毁，破坏了生态环境系统的稳定性。

面对生物质资源巨大的浪费，特别是不适当的处理带来的一系列环境问题，如何进行有效控制和合理利用，既减少巨大的温室气体排放，又不造成土壤和生态环境的破坏，甚至使其由负效益转变为一举多得的正效益?这无疑将会对CO₂减排和农业可持续发展产生重大而深远的影响。

刘杭达同学还了解到，碳捕获与封存(Carbon Ca!omre and Storage)即CCS技术，是国外最早提出的CO₂减排技术措施。其主要的思路是运用该技术，在燃烧的过程中，通过一定的化学反应将二氧化碳捕捉下来，使之不排放到大气中，再经过压缩和运输将其“封存到地下”，并且长期与大气隔绝。一般包括深海存储和地质储存等。

“深海存储”主要是通过管道或船舶将CO₂运送到海洋储存地点，然后将CO₂注入海底，在海底的CO₂最后会碳化并保存下来。但是，这个方法有一定的隐患，CO₂是通过船舶用高压打人海底的，万一CO₂发生泄漏后果将不堪设想。特别是在海震时常发生的区域，其安全性更低。

另一种方法是地质储存，把CO₂打入地下1—2千米的盐水层，在这样的深度，压力会将C02转换成所谓的“超临界流体”，并缓慢固化，就像地下的煤炭石油一样，使CO₂不容易泄漏。据预测全球盐水层的储量可能达到10万亿吨，可以储存1000年。但据悉，全世界还没有一座大型的完整的CO₂捕获口运输与封存的产业链系统成功运行，目前全球仅有三个成功的子系统CCS项目在进行中。而且，CCS技术普遍存在成本太高，耗能大等问题。另外，迄今为止还没有哪个国家试验过全循环的系统，即使是小规模示范项目也没有试验过。把大量CO₂永久封存在地下的安全性尚难验证。难以得到大面积推广。因此，从目前状况来看，如何能找到一种廉价、简易、高效、安全的解决CO₂排放的实用技术在CO₂减排领域就显得尤为重要，也是一种迫切需要。

生物质转化碳技术，正是由此而产生。它从另外一个角度，即负碳技术，通过独特的炭化炉装置。将生物质炭化。其目的是将生物质进行光合作用时从大气中吸收的CO₂固定，形成炭化物，进而炭化保存下来，这是一个净负碳的过程。炭化后的产物，可重新施入并封存于土壤中，在几百年内不会变化。

从2008年10月开始，刘杭达同学来到沈阳农业大学水稻研究所参观实践学习，观察通过不同温度的设定，测定不同温度条件下，用炭化炉将生物质转化为炭，焦油类物质，混合可燃气体的比例；观察利用生物质炭化炉生产的不同材料炭的微观结构，利用表面扫描仪，观察不同材料制成炭的表面微观结构，了解制成炭的结构特点与孔隙度等相关性状；利用生物转化炭的良好吸附性，施用于受重金属污染的土壤中，调查测定其对水稻生长的影响；通过对水稻的实际考察，明确生物质转化炭对重金属污染中水稻产量性状指标的影响，如图1收获水稻晾晒，图2水稻指标测试，图3各处理标记，图4水稻脱粒；做玉米施肥试验和玉米生长状况调查，按实验设计，将不同肥料施入试验地，通过玉米苗期的田间调查，了解由炭化炉生产的炭，经进一步开发制成的炭基缓释肥对玉米农艺性状的影响如图5玉米苗期田间对比，左为对照，图6玉米苗期根系对比，图7玉米大喇叭口期对比，图8玉米果穗对比(每幅图左面为对照)。他还了解炭化炉与制炭技术过程，写下研究活动日志。

水中有毒有害有机物的处理

水中有毒有害有机物的处理。是利用紫外光照射TiO₂消除水中有毒有害有机物，是高效清洁净化有机废水的新方法。已有的悬浮纳米二氧化钛颗粒方法亟待解决制约其推广应用的分离难题。针对这一难题，本研究提出”利用泡沫碳化硅负载纳米TiO₂新材料替代TiO₂粉体，省去净化处理后纳米粉体与水的分离过程”的设想，在合理设计实验装置、正确选择实验材料和净化对象的基础上，通过对比研究，证明：紫外光辐照泡沫碳化硅负载TiO₂新材料能夠使水中对氨基苯磺酸得到有效降解，废水净化后不需进行后续过滤。这是沈阳市东北育才外国语学校高一年级吕诗笳同学撰写的科学论文。

2008年，吕诗笳同学升入初三，开始了化学这一科目的学习，逐渐地她对化学产生了兴趣。在平目的阅读中也了解了很多化学常识和知识。在日常生活中，大家都知道地球的生态环境出现了很大的问题，尤其是人们日常生活中必不可少的水，它的污染程度随着现代化工业发展日趋严重，尤其是有机废水的排放，给人类的可持续发展带来了很大的障碍。水是人类生活和生产活动中不可缺少的物质资源。水经过工农业生产和生活使用后，丧失了使用价值而形成废水。废水的外排造成环境水体，土壤甚至空气的污染，它不仅威胁人体的健康，而且造成水资源的匮乏，严重影响了人类社会的可持续发展。

废水处理方法按对污染物实施的作用不同大体上可分为两类：一类为分离法，如采用离心分离、吸附和过滤等方法，将污染物分离出去；另一类是转化法，通过化学或生化反应，使污染物转化为无害的物质或可分离的物质。后者再经过分离予以除去。习惯上也按处理原理不同，将处理方法分为物理法、化学法、物理化学法和生物化学法四类。但这些方法应用于难以自行降解的低浓度有毒有害有机废水蚀，效果十分有限。

现在有没有什么方法可以彻底的解决有机废水的问题而且可以投入到工业化使用中呢?根据所含成分，废水可分为无机废水、有机废水、混合废水和放射性废水。其中有机废水主要是造纸、皮革、食品、染料、农药、医药、石油、化工、焦化等生产过程中产生的废水。这些废水中含有许多的有机物难以降解，且具有较强的致癌、致突变、致畸毒性。就拿有机氯农药来说，它们首先非常稳定，在自然环境中要十几年甚至几十年才降解，另外它们都可能通过食物链在人体内沉集，危害人体健康。因此对有机废水进行净化处理、回收和综合利用已逐渐成为国际上环境保护技术的热点研究课题之一。

吕诗笳同学经过查阅资料得知现在只有用二氧化钛光催化降解废水中污染物的方法，但这种方法需要进行二次过滤，不能投入到大规模工业化使用当中。于是，在询问了相关方面的专家后，为了进行对比研究，本课题还选择了由中国科学院金属研究所提供的与负载在泡沫碳化硅上的纳米TiO₂性质完全相同的纳米TiO₂粉体。图2所示的是泡沫碳化硅和负载纳米TiO₂后的帕沫碳化硅材料的扫描电子显微镜照片。

在经过了一系列的试验之后，吕诗笳同学提出了用泡沫碳化硅负载TiO₂降解水中有毒有机物的设想，成功地发现她的设想可以省去用离心机过滤的步骤。最终确定了“用泡沫碳化硅负载TiO₂新材料代替颗粒状纳米TiO₂，在紫外光作用下消除水中有毒有害有机物”的设想的正确性。

通过本次研究吕诗笳同学深有感触地在日记中写到：实际生活中有很多问题等待着我们去解决，只要我们认真的观察和研究。会得到让自己都意想不到的发现和成果。但是，要完成好一项科学研究，首先要打好基础，并通过查阅资料、虚心向科技界前辈请教，拓宽知识面，掌握发现问题、解决问题的科学方法。更重要的是，我们要有锲而不舍的精神，不要被一时的困难吓倒。科学研究终究要经历“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的历程。这样从科学研究中，我们才能更好的磨练自己，提高自己，开发自己的潜力来磨练出更好的自我。