新 娟

今年我國(guó)的青少年科技創(chuàng)新大賽已經(jīng)是第25屆了。青少年科技創(chuàng)新成果競(jìng)賽是青少年科技創(chuàng)新大賽的主體內(nèi)容，它是面向在校中小學(xué)生開展的具有示范性和導(dǎo)向性的科技教育活動(dòng)之一。今天讓我們走進(jìn)青少年科學(xué)探究實(shí)踐區(qū)，來(lái)看看他們是怎樣體驗(yàn)、創(chuàng)新和成長(zhǎng)的……

秸稈顆粒炭生產(chǎn)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

秸稈顆粒炭生產(chǎn)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，闡述了秸稈等生物質(zhì)資源不合理利用帶來(lái)的一系列環(huán)境問(wèn)題，該項(xiàng)目從負(fù)碳技術(shù)的角度，設(shè)計(jì)一種半封閉式炭化爐。采用亞高溫(260-450℃)缺氧干餾分解新工藝，將秸稈顆粒直接逐次、分層裝入爐內(nèi)點(diǎn)燃，實(shí)行原料顆粒自燃，在缺氧條件下燃燒炭化。該技術(shù)可作為一項(xiàng)CO₂減排技術(shù)。炭化產(chǎn)品保留了生物質(zhì)原有組織的細(xì)微結(jié)構(gòu)。吸附性強(qiáng)、不需重新加工。可直接作為緩釋復(fù)合肥基質(zhì)和土壤改良劑，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。應(yīng)用前景廣闊。

這是沈陽(yáng)市第二中學(xué)高二年級(jí)劉杭達(dá)同學(xué)撰寫的科學(xué)論文，劉杭達(dá)同學(xué)的爸爸媽媽是高等農(nóng)業(yè)院校的教育工作者，由于受父母的影響，劉杭達(dá)同學(xué)從小對(duì)環(huán)境問(wèn)題就十分關(guān)注。特別是每年寒假全家回遼西北的農(nóng)村老家過(guò)春節(jié)，沿途中不時(shí)就會(huì)看到一股股煙霧從田地中升起。小時(shí)候的他常常會(huì)好奇地指點(diǎn)給爸媽看，他的爸媽告訴他那是農(nóng)作物的秸稈在燃燒。隨著年齡的增長(zhǎng)，特別是進(jìn)入高中學(xué)習(xí)階段后，劉杭達(dá)同學(xué)的知識(shí)面不斷拓寬，化學(xué)、生物、物理等課程內(nèi)容也不斷豐富和深入，當(dāng)他再看到田地中升起的濃煙時(shí)就想：植物經(jīng)過(guò)光合作用積累固定的碳怎么就這樣白白燒掉了呢?每年這樣燒掉的秸稈有多少?燃燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響?帶著這個(gè)問(wèn)題，他開始查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，結(jié)果讓他震驚!

農(nóng)作物秸稈等是一種重要的生物質(zhì)資源。所謂生物質(zhì)是指包括所有動(dòng)植物和微生物以及由這些生命體排泄和代謝所產(chǎn)生的所有有機(jī)物質(zhì)，主要指在農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，所產(chǎn)生的大量剩余物。例如，農(nóng)副產(chǎn)品加工后剩余的稻殼、玉米芯和花生殼等，以及在林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中殘留的樹枝、樹葉、木屑和木材加工的邊角料等。特別是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，收獲稻谷、小麥、玉米等農(nóng)作物以后，殘留的不能食用的莖、葉等作物秸稈。

生物質(zhì)是人類利用最早的能源，也是我國(guó)農(nóng)村的主要能源之一。在農(nóng)村受消費(fèi)觀念和生活方式的影響，大多數(shù)的生物質(zhì)資源以直接燃燒為主，使相當(dāng)部分的秸稈資源沒(méi)有得到合理開發(fā)利用。同時(shí)，焚燒秸稈等生物質(zhì)資源還給人們的生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。比如生物質(zhì)的燃燒增加了溫室氣體排放量，給CO₂減排帶來(lái)沉重壓力，并嚴(yán)重影響了人們的生活和自然生態(tài)環(huán)境；造成資源的巨大浪費(fèi)，由于持續(xù)的高溫會(huì)烤焦約3cm-5cm的土壤層，造成有機(jī)質(zhì)的大量損失，生物質(zhì)燃燒過(guò)后的土壤易板結(jié)，降低了土壤蓄水保肥能力，破壞了土壤原有結(jié)構(gòu)，降低了土壤的生產(chǎn)能力，高溫也使得土壤中有益微生物(如蚯蚓等)無(wú)法存活，嚴(yán)重影響土壤耕層生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的良性循環(huán)；焚燒秸稈時(shí)，由于火勢(shì)不易控制。極易引發(fā)火災(zāi)，造成大量農(nóng)田林網(wǎng)和地頭路邊樹木被毀，破壞了生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

面對(duì)生物質(zhì)資源巨大的浪費(fèi)，特別是不適當(dāng)?shù)奶幚韼?lái)的一系列環(huán)境問(wèn)題，如何進(jìn)行有效控制和合理利用，既減少巨大的溫室氣體排放，又不造成土壤和生態(tài)環(huán)境的破壞，甚至使其由負(fù)效益轉(zhuǎn)變?yōu)橐慌e多得的正效益?這無(wú)疑將會(huì)對(duì)CO₂減排和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

劉杭達(dá)同學(xué)還了解到，碳捕獲與封存(Carbon Ca!omre and Storage)即CCS技術(shù)，是國(guó)外最早提出的CO₂減排技術(shù)措施。其主要的思路是運(yùn)用該技術(shù)，在燃燒的過(guò)程中，通過(guò)一定的化學(xué)反應(yīng)將二氧化碳捕捉下來(lái)，使之不排放到大氣中，再經(jīng)過(guò)壓縮和運(yùn)輸將其“封存到地下”，并且長(zhǎng)期與大氣隔絕。一般包括深海存儲(chǔ)和地質(zhì)儲(chǔ)存等。

“深海存儲(chǔ)”主要是通過(guò)管道或船舶將CO₂運(yùn)送到海洋儲(chǔ)存地點(diǎn)，然后將CO₂注入海底，在海底的CO₂最后會(huì)碳化并保存下來(lái)。但是，這個(gè)方法有一定的隱患，CO₂是通過(guò)船舶用高壓打人海底的，萬(wàn)一CO₂發(fā)生泄漏后果將不堪設(shè)想。特別是在海震時(shí)常發(fā)生的區(qū)域，其安全性更低。

另一種方法是地質(zhì)儲(chǔ)存，把CO₂打入地下1—2千米的鹽水層，在這樣的深度，壓力會(huì)將C02轉(zhuǎn)換成所謂的“超臨界流體”，并緩慢固化，就像地下的煤炭石油一樣，使CO₂不容易泄漏。據(jù)預(yù)測(cè)全球鹽水層的儲(chǔ)量可能達(dá)到10萬(wàn)億噸，可以儲(chǔ)存1000年。但據(jù)悉，全世界還沒(méi)有一座大型的完整的CO₂捕獲口運(yùn)輸與封存的產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)成功運(yùn)行，目前全球僅有三個(gè)成功的子系統(tǒng)CCS項(xiàng)目在進(jìn)行中。而且，CCS技術(shù)普遍存在成本太高，耗能大等問(wèn)題。另外，迄今為止還沒(méi)有哪個(gè)國(guó)家試驗(yàn)過(guò)全循環(huán)的系統(tǒng)，即使是小規(guī)模示范項(xiàng)目也沒(méi)有試驗(yàn)過(guò)。把大量CO₂永久封存在地下的安全性尚難驗(yàn)證。難以得到大面積推廣。因此，從目前狀況來(lái)看，如何能找到一種廉價(jià)、簡(jiǎn)易、高效、安全的解決CO₂排放的實(shí)用技術(shù)在CO₂減排領(lǐng)域就顯得尤為重要，也是一種迫切需要。

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化碳技術(shù)，正是由此而產(chǎn)生。它從另外一個(gè)角度，即負(fù)碳技術(shù)，通過(guò)獨(dú)特的炭化爐裝置。將生物質(zhì)炭化。其目的是將生物質(zhì)進(jìn)行光合作用時(shí)從大氣中吸收的CO₂固定，形成炭化物，進(jìn)而炭化保存下來(lái)，這是一個(gè)凈負(fù)碳的過(guò)程。炭化后的產(chǎn)物，可重新施入并封存于土壤中，在幾百年內(nèi)不會(huì)變化。

從2008年10月開始，劉杭達(dá)同學(xué)來(lái)到沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所參觀實(shí)踐學(xué)習(xí)，觀察通過(guò)不同溫度的設(shè)定，測(cè)定不同溫度條件下，用炭化爐將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為炭，焦油類物質(zhì)，混合可燃?xì)怏w的比例；觀察利用生物質(zhì)炭化爐生產(chǎn)的不同材料炭的微觀結(jié)構(gòu)，利用表面掃描儀，觀察不同材料制成炭的表面微觀結(jié)構(gòu)，了解制成炭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與孔隙度等相關(guān)性狀；利用生物轉(zhuǎn)化炭的良好吸附性，施用于受重金屬污染的土壤中，調(diào)查測(cè)定其對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響；通過(guò)對(duì)水稻的實(shí)際考察，明確生物質(zhì)轉(zhuǎn)化炭對(duì)重金屬污染中水稻產(chǎn)量性狀指標(biāo)的影響，如圖1收獲水稻晾曬，圖2水稻指標(biāo)測(cè)試，圖3各處理標(biāo)記，圖4水稻脫粒；做玉米施肥試驗(yàn)和玉米生長(zhǎng)狀況調(diào)查，按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將不同肥料施入試驗(yàn)地，通過(guò)玉米苗期的田間調(diào)查，了解由炭化爐生產(chǎn)的炭，經(jīng)進(jìn)一步開發(fā)制成的炭基緩釋肥對(duì)玉米農(nóng)藝性狀的影響如圖5玉米苗期田間對(duì)比，左為對(duì)照，圖6玉米苗期根系對(duì)比，圖7玉米大喇叭口期對(duì)比，圖8玉米果穗對(duì)比(每幅圖左面為對(duì)照)。他還了解炭化爐與制炭技術(shù)過(guò)程，寫下研究活動(dòng)日志。

水中有毒有害有機(jī)物的處理

水中有毒有害有機(jī)物的處理。是利用紫外光照射TiO₂消除水中有毒有害有機(jī)物，是高效清潔凈化有機(jī)廢水的新方法。已有的懸浮納米二氧化鈦顆粒方法亟待解決制約其推廣應(yīng)用的分離難題。針對(duì)這一難題，本研究提出”利用泡沫碳化硅負(fù)載納米TiO₂新材料替代TiO₂粉體，省去凈化處理后納米粉體與水的分離過(guò)程”的設(shè)想，在合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置、正確選擇實(shí)驗(yàn)材料和凈化對(duì)象的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比研究，證明：紫外光輻照泡沫碳化硅負(fù)載TiO₂新材料能夠使水中對(duì)氨基苯磺酸得到有效降解，廢水凈化后不需進(jìn)行后續(xù)過(guò)濾。這是沈陽(yáng)市東北育才外國(guó)語(yǔ)學(xué)校高一年級(jí)呂詩(shī)笳同學(xué)撰寫的科學(xué)論文。

2008年，呂詩(shī)笳同學(xué)升入初三，開始了化學(xué)這一科目的學(xué)習(xí)，逐漸地她對(duì)化學(xué)產(chǎn)生了興趣。在平目的閱讀中也了解了很多化學(xué)常識(shí)和知識(shí)。在日常生活中，大家都知道地球的生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了很大的問(wèn)題，尤其是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚乃?，它的污染程度隨著現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展日趨嚴(yán)重，尤其是有機(jī)廢水的排放，給人類的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了很大的障礙。水是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)中不可缺少的物質(zhì)資源。水經(jīng)過(guò)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活使用后，喪失了使用價(jià)值而形成廢水。廢水的外排造成環(huán)境水體，土壤甚至空氣的污染，它不僅威脅人體的健康，而且造成水資源的匱乏，嚴(yán)重影響了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

廢水處理方法按對(duì)污染物實(shí)施的作用不同大體上可分為兩類：一類為分離法，如采用離心分離、吸附和過(guò)濾等方法，將污染物分離出去；另一類是轉(zhuǎn)化法，通過(guò)化學(xué)或生化反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的物質(zhì)或可分離的物質(zhì)。后者再經(jīng)過(guò)分離予以除去。習(xí)慣上也按處理原理不同，將處理方法分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物化學(xué)法四類。但這些方法應(yīng)用于難以自行降解的低濃度有毒有害有機(jī)廢水蝕，效果十分有限。

現(xiàn)在有沒(méi)有什么方法可以徹底的解決有機(jī)廢水的問(wèn)題而且可以投入到工業(yè)化使用中呢?根據(jù)所含成分，廢水可分為無(wú)機(jī)廢水、有機(jī)廢水、混合廢水和放射性廢水。其中有機(jī)廢水主要是造紙、皮革、食品、染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、石油、化工、焦化等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水。這些廢水中含有許多的有機(jī)物難以降解，且具有較強(qiáng)的致癌、致突變、致畸毒性。就拿有機(jī)氯農(nóng)藥來(lái)說(shuō)，它們首先非常穩(wěn)定，在自然環(huán)境中要十幾年甚至幾十年才降解，另外它們都可能通過(guò)食物鏈在人體內(nèi)沉集，危害人體健康。因此對(duì)有機(jī)廢水進(jìn)行凈化處理、回收和綜合利用已逐漸成為國(guó)際上環(huán)境保護(hù)技術(shù)的熱點(diǎn)研究課題之一。

呂詩(shī)笳同學(xué)經(jīng)過(guò)查閱資料得知現(xiàn)在只有用二氧化鈦光催化降解廢水中污染物的方法，但這種方法需要進(jìn)行二次過(guò)濾，不能投入到大規(guī)模工業(yè)化使用當(dāng)中。于是，在詢問(wèn)了相關(guān)方面的專家后，為了進(jìn)行對(duì)比研究，本課題還選擇了由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所提供的與負(fù)載在泡沫碳化硅上的納米TiO₂性質(zhì)完全相同的納米TiO₂粉體。圖2所示的是泡沫碳化硅和負(fù)載納米TiO₂后的帕沫碳化硅材料的掃描電子顯微鏡照片。

在經(jīng)過(guò)了一系列的試驗(yàn)之后，呂詩(shī)笳同學(xué)提出了用泡沫碳化硅負(fù)載TiO₂降解水中有毒有機(jī)物的設(shè)想，成功地發(fā)現(xiàn)她的設(shè)想可以省去用離心機(jī)過(guò)濾的步驟。最終確定了“用泡沫碳化硅負(fù)載TiO₂新材料代替顆粒狀納米TiO₂，在紫外光作用下消除水中有毒有害有機(jī)物”的設(shè)想的正確性。

通過(guò)本次研究呂詩(shī)笳同學(xué)深有感觸地在日記中寫到：實(shí)際生活中有很多問(wèn)題等待著我們?nèi)ソ鉀Q，只要我們認(rèn)真的觀察和研究。會(huì)得到讓自己都意想不到的發(fā)現(xiàn)和成果。但是，要完成好一項(xiàng)科學(xué)研究，首先要打好基礎(chǔ)，并通過(guò)查閱資料、虛心向科技界前輩請(qǐng)教，拓寬知識(shí)面，掌握發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的科學(xué)方法。更重要的是，我們要有鍥而不舍的精神，不要被一時(shí)的困難嚇倒?？茖W(xué)研究終究要經(jīng)歷“山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村”的歷程。這樣從科學(xué)研究中，我們才能更好的磨練自己，提高自己，開發(fā)自己的潛力來(lái)磨練出更好的自我。