家用微污水变净水——从家庭微污染水中汲取干净水用于家庭绿化的研究

◆湖南省长沙市第一中学 袁浩铭

本期点评专家

张永强高级教师，湖南省宜章县第一中学教研室主任、科技创新指导中心主任，湖南省十佳科技教师。全国校园发明创意大赛、湖南省青少年科技创新大赛、湖南省创新编程与智能设计大赛、湖南省科学调查体验活动评审专家组成员。

一、研究背景

日常生活用水主要用于清洁食品、洗涤碗筷、清洁地板、洗衣服、洗漱及其他。生活中，微污染水是指受到轻微污染的水，例如人们在洗脸时，没有使用或仅微量使用过洗涤剂的生活用水。

二、实验原理及过程

正渗透这一现象最早是在1948年被发现，法国人Nollet发现了鱼鳔在酒精和水之间的选择透过性，烧杯中的水分子会透过鱼鳔膜进入长颈漏斗，而酒精分子却能很好地被截留在长颈漏斗内。基于上述正渗透原理，本研究拟设计如下过程。

1.制作正渗透水瓶装置

取一个干净的容量为500 mL的空塑料瓶，剪去底部，留下瓶子的开口部分。

2.制作生物半透膜

（1）制作鸡蛋半透膜

在新鲜鸡蛋表面开一个小洞，将蛋黄、蛋清倒出后浸泡在30%的醋酸中，让鸡蛋壳完全溶解。

（2）制作鱼鳔半透膜

鱼鳔分为两室，一室为卵形，另一室为圆锥形，都可用于实验。把鱼鳔从鱼腹中取出，去掉白色黏膜，用清水浸泡30 min，然后在鱼鳔交接处剪开，放出气体，轻柔漂洗即可。

3.制作正渗透装置

（1）将半透膜套在塑料瓶的瓶口，并用橡皮筋扎紧。

（2）取一个水槽，倒入生活污水。将半透膜封闭后的塑料瓶的一半瓶身放入装有水的水槽中，然后在塑料瓶中加入肥料液（磷酸二氢钾溶液）。上述装置结构如图1，原理图如图2。

图1 正渗透吸水结构图

图2 正渗透吸水原理图

4.具体思路

如图2，在正渗透瓶中，加入较高浓度的肥料液作为渗透液（高渗透压），以鱼鳔膜或鸡蛋膜为半透膜，在水槽中加入生活微污水。这时，微污水为低渗透压液体，而较高浓度的肥料液为高渗透压液体，高渗透压液体（肥料）可从低渗透压（生活微污水）汲取干净的水，用来稀释高浓度的肥料液，直接用于家庭绿化。

三、实验结果与分析

1.水温的影响

图3 温度对水通量的影响

2.渗透液浓度的影响（实验温度为25℃）

图4 渗透液浓度对水通量的影响

四、实验应用

分别在三个（1号、2号、3号）家庭中，利用三个装置得到的溶液培育家中的花草，没有发现异常现象。

接着又去另外六位朋友家（4号、5号、6号、7号、8号、9号）进行实验，在统一配制的尿素含量为5%的溶液作为缓冲液的情况下，一次性收集的水量平均达到545 mL，实验取得了良好的效果。

图5 家庭实验

五、实验结论

1.温度对正渗透过程有影响。溶液温度升高，一方面溶液渗透压增加，增大了传质过程的驱动力；另一方面，流体黏度下降，扩散系数增加，溶质阻力下降，促进了水由原料液侧向汲取液侧的传输。说明温度越高，单位温度的水通量增加值越大，此时输入单位热能可以获得更高的水通量。

当温度升高到一定极限值时，由于膜耐受力不同，能引起膜通量下降，这就很好地解释了当温度超过这个极限值量，水通量下降的现象。鱼鳔半透膜的正渗透性能明显优于鸡蛋半透膜性能。

（1）鸡蛋半透膜的通水量。在装置中，依温度的高低，等渗液分别吸收了相对于渗透液质量的24%、36%、44%、50%、52%、22%、8%的干净水。

（2）鱼鳔半透膜的通水量。在装置中，依温度的高低，等渗液分别吸收了相对于渗透液质量的32%、46%、54%、66%、84%、96%、4%的干净水。

2.随着渗透液浓度的升高，进入正渗透水瓶中的水量呈先升高、后下降的趋势，渗透液浓度达到1.5 mol/L时出现最高极值，之后快速下降。鱼鳔半透膜的正渗透性能明显优于鸡蛋半透膜性能。

（1）鸡蛋半透膜的通水量。在装置中，依渗透液浓度的高低，等渗液分别吸收了相对于渗透液质量的0、28%、48%、56%、34%、24%的干净水。

（2）鱼鳔半透膜的通水量。在装置中，依温度的高低，等渗液分别吸收了相对于渗透液质量的0%、36%、64%、78%、52%、38%的干净水。

从实验中可以看出，在温度为10 ℃～40 ℃范围内，在肥料中都可以进行正渗透，说明该装置适用于所有的家庭。鸡蛋膜和鱼鳔易得，如果能推广这种技术，就能有效利用水资源，有益于环境保护。（指导老师：肖迪凡）

专家点评生活污水是水污染的一个重要途径，小作者从自己家中的污水出发，运用所学知识去解决实际生活中的问题，利用常见的生物膜处理生活污水，达到了学以致用的目的。

本论文的实验设计合理，思路清晰，实验过程严谨，实验数据规范，实验结果可信，实验分析有理有据。特别是实验材料源于生活中常见的生物膜——鸡蛋半透膜、鱼鳔半透膜，选材易得，实验和应用都可以重现，有利于项目的推广。

建议在实验过程中选取更多种类的生物膜进行实验，从中选取更优的生物膜进行实验污水的净化；在分析鱼鳔半透膜明显优于鸡蛋半透膜时，应该分析其中的原理。