竹纤毛细原理的发现和应用

黄健昌

一、发现问题

前些日子，爸爸请了一帮伐竹工砍伐自家的成竹林。我意外地发现两个新砍的竹蔸里积留着小半筒清凌凌的水。竹蔸里的清水从哪儿来？竹林能否把污水变成清水？能否利用竹林净化水的原理，开发新技术来净化污水、海水？

二、分析问题

问题1：新砍的竹蔸腔体内的液体是什么？从哪里来？

根据所查资料，竹蔸内的液体是竹液。竹液是从新鲜的竹体内流出的液汁，含有丰富的营养和生物酶。

问题2：竹林能否把污水变成清水？

研究表明，人工种植竹林能处理污水。一般先在基质坑内作防水处理，然后填铺焦渣，在焦渣上种植水竹，水竹经驯化后可无土栽培。

竹子根系发达，生长快，在根系周围形成好氧生物膜层，能对基床中的污水进行生态净化处理。

问题3：能否利用竹林净化水的原理，开发新技术来净化污水、海水？

既然竹林能处理污水，且得到的竹液非常纯净，我相信能借助相关原理开发出净化污水、海水的新技术，造福人类。

为此，我请教指导老师，根据竹根的毛细作用原理和竹子的蒸腾作用原理以及液化原理，先利用棉线束的毛细现象对污水、海水起到显著的过滤、净化作用，再利用太阳能将水蒸发成水蒸气，进一步纯化，最后将纯化的水蒸气加压冷凝，得到可饮用的纯净水，以此开辟净化水资源的新途径。

三、设计并进行实验

为确定竹液的来源和竹林的净水作用，我采集了竹液并检验其纯净度。

先在竹林中找三棵分别为一年生、两年生、多年生的活竹与三根分别为嫩、青、黄老的竹鞭，分别在地表周边倒一桶浑浊的黄泥水。

接着，先在活竹下部的任一节间上方钻一个或几个穿透竹内腔薄膜的洞，该洞取在上竹节的下方尽量高的位置，向竹内倾斜，形成外高内低的斜度，并用塑料薄膜、胶带扎紧封闭。

再在同一节间下竹节上方尽量低的位置，打一个穿透竹内腔膜的孔，插入一根点滴导管，导管与洞孔接触处要密封严实，导管在竹体外的出口端设有可启闭的开关。一天后，撕开节间上方的胶带，将下方的导管口插入经过消毒的空生理盐水瓶（或矿泉水瓶）中，灌装竹腔里积累的竹液。

对于三根分别为嫩、青、黄老的跳鞭（裸露在地面上的竹鞭），则用刀切断，将切口分别插入经过消毒的空生理盐水瓶（或矿泉水瓶）中，再用塑料薄膜封好瓶口。一天后，收集天然竹液，将六瓶竹液样品送检。

实验证明，竹液确实是竹体内流出的液汁，且土壤中的水经过竹体本身的净化，变得非常纯净，还含有人体所需的15种氨基酸和多种微量元素。

了解竹液后，我与几个伙伴共同研究了利用竹林净化水的原理，尝试开发净化污水、海水的新技术。

实验探究一：运用竹根的毛细作用原理，设计对照实验，研究毛细现象对污水、海水的过滤、净化和活化作用。

实验材料：矿泉水瓶5个，50ml的烧杯10个，棉线5大束，河水、泥水、海水（盐水）、生活污水、工业废水各1瓶。

实验步骤：

1.用矿泉水瓶采集河水、泥水、盐水、生活污水、工业废水各1瓶，向5个烧杯分别倒入50ml，用TDS水质检测笔测出各杯样本水的纯净度。

2.将5大束棉线的一头分别放入另外5个空烧杯中，另一头分别浸没到5杯水底部。静置一段时间后，观察5个空烧杯中的净化水量，并用TDS水质检测笔测出各杯净化水的纯净度。

实验结论：利用棉线束的毛细现象能对污水、海水（盐水）起到显著的过滤、净化作用。相比传统利用沙石、活性炭等过滤污水，这种方法既能避免固体废弃物沉积在过滤层的表面，又能有效吸附异味物质，其反重力过滤的设计创意新颖。

应用一：根据上述结果，可将本地污染严重的畜牧场污水通过合理的建筑设计，利用毛细原理和活性炭的吸附作用，经过净化处理后再排放，起到净化水的作用（如图1）。

实验探究二：类比竹子的蒸腾作用原理，利用太阳能将水蒸发成水蒸气，进一步纯化；再利用液化原理，将纯化的水蒸气冷凝成可饮用的纯水。

实验材料：河水、泥水、盐水、生活污水、工业废水各1瓶；50ml的烧杯10个、棉线5大束、凹底小矿泉水空瓶5个。

实验步骤：

1.将5个小矿泉水空瓶的凹底正中央分别钻一个直径为1cm的小洞，将5大束棉线的一头用铁丝分别扎进5个小矿泉水空瓶的底部洞中，拧紧瓶盖。

2.在5个烧杯中各倒入50ml河水、泥水、盐水、生活污水、工业废水；将5个小矿泉水空瓶的底部分别放在5个盛水烧杯口上，并将5大束棉线的另一头分别浸没到5个空烧杯的底部。

3.静置一天后，拧开瓶盖，小心地将5个小矿泉水瓶倒置，瓶口分别对准5个烧杯口（编号为河水①、泥水②、盐水③、生活污水④、工业废水⑤），收集并观察其冷凝水量，并用TDS水质检测笔测出各瓶净化水的纯净度。

实验结果：

1.③号杯中的净化水最多，但可溶物（电解质）的含量最高。

2.类比竹子的蒸腾作用原理，利用太阳能将水蒸发成水蒸气，进一步纯化；最后利用液化原理，将纯化的水蒸气冷凝，即可得到可饮用的纯净水。液体的浓度梯度越大，蒸腾作用越强。

根据实验结论，我们又分时段重做了探究二实验，分析五种液体通过毛细作用和蒸发、再冷凝液化的快慢与时间的关系（以6小时为一个时间段，共5个时间段）。结果发现，③号杯中的盐水在12小时之后，冷凝水量快速增加。鉴于③号杯中的盐水类似于海水，我们可以进一步采取如图2所示的装置对海水进行净化，从而得到可饮用的纯净水。

我们设计的新型污水、海水净化处理模型经实践检验效果显著、成本低廉、能耗较低、清洁环保，值得进一步完善。