STEM-工程挑战 · 2020年3月7日 0

哪种过滤材料可以提供最佳饮用水?

 

难度 <! – 5 – >
所需时间 短(2-5天)
先决条件
材料可用性 一应俱全
费用 低($ 20 – $ 50)
安全 避免将粉末状活性炭分散到空气中,尽量不要吸入颗粒。

 

摘要

你喝酒之前过滤自来水吗?许多商业广告声称这些过滤器使您的饮用水更清洁,更安全。但究竟是什么,这些过滤器正在做什么,之后水真的更清洁?清洁能力来自其填充材料,称为活性炭。它以各种形式存在:粉末,颗粒,泡沫和块状物。您认为过滤器内部的活性炭类型是否重要?在本活动中,您将研究更大或更小的活性炭颗粒是否更适合清洁饮用水 – 您可以看到结果!

目的

 

研究活性炭粒径如何影响饮用水过滤效率。

 

积分

 

Svenja Lohner,PhD,Science Buddies
Alex Andres,UC CEIN实验室助理Courtney R. Thomas,博士,UC CEIN教育协调员Catherine Nameth,博士,UC CEIN前教育协调员 

该科学项目是Science Buddies与加州教育部(UC)纳米技术环境影响中心(CEIN)的合作。

 

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

Lohner,Svenja。”哪种过滤材料会导致最好的饮用水?” 科学伙伴,2017年7月28日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Chem_p108/chemistry/which-filtration-material-leads-to-the-best-drinking-water。2019年7月6日访问。

 

APA风格

Lohner,S。(2017年7月28日)。哪种过滤材料可以提供最佳饮用水?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Chem_p108/chemistry/which-filtration-material-leads-to-the-best-drinking-water

最后编辑日期:2017-07-28

简介

 

清洁水是生活中不可或缺的一部分。想想你每天用水的频率 – 烹饪,饮用,洗衣服和洗碗,刷牙或淋浴。你不想用脏水做这个,对吧? 过滤是水净化的重要一步。在过滤过程中,颗粒或杂质如化学物质和细菌从过滤的溶液中分离出来。分离方法可以是机械的,物理的,化学的甚至是生物的。要了解水过滤器的工作原理,最好查看过滤器内部。大多数用于家庭水处理的过滤器是碳过滤器。这意味着过滤器内的材料是碳或其特殊形式,称为活性炭活性炭,如图1所示。

不同形式的活性炭。
图1. 粉末和块状活性炭(图片来源:Ravedave,维基媒体共享)

 

活性炭的特殊之处在于它是一种非常多孔的碳 – 几乎像海绵一样。它有许多微小的微孔,可以吸收水分或气体。此外,活性炭的表面不光滑 – 如果你在显微镜下看,你会发现颗粒具有非常易碎的形状,如图2所示。所有这些小微孔和它的粗糙表面都会产生巨大的每个粒子的表面积。大约五茶匙(10克)的颗粒状活性炭的表面积大约是足球场的面积!

显微镜下活性炭颗粒。
图2. 在显微镜下观察的活性炭颗粒(每个颗粒宽约0.1mm)。易碎的颗粒结构和形状导致每个颗粒的大表面积(图片来源:Zephyris,通过Wikimedia Commons)。

 

这种巨大的表面积赋予活性炭独特的性质。当水或液体通过过滤器的多孔结构时,可以通过称为吸附的过程去除杂质(例如少量化学品或金属)。当化合物物理或化学粘附到碳表面时发生吸附。物理或化学捕获是由于范德瓦尔斯力,分子或颗粒之间存在的微弱力(可能具有吸引力或排斥力)以及碳表面上的化学键合而发生的。这就是活性炭的表面积或表面积与体积比重要的原因。表面积越大(暴露于周围环境的区域),污染物的粘合位置越多。如果所有粘接位置都被吸收,那么杂质会留在水中,是时候更换滤水器了.

活性炭可以有多种形式和粒径(其中一些如图1所示)。您将在此实验中使用的两种类型是颗粒和粉末形式。颗粒状碳可以与小卵石相比,而粉状碳可以与细砂相比。如图3所示,您可以将左侧立方体视为颗粒状碳,将较小的立方体视为粉状碳。它们都具有相同的体积(总共8个小立方体),但与一个大立方体相比,8个独立立方体暴露于周围的表面积要大得多。因此,颗粒形式具有比粉末形式更小的表面积与体积比.

表面与不同尺寸颗粒的体积比进行比较。
图3. 虽然左侧的立方体和右侧的8个独立的小立方体具有相同的体积,但较小的立方体的总表面积远大于大的立方体。这意味着较小的颗粒具有比较大颗粒更高的表面积与体积比。

 

除了表面积与体积比之外,水与活性炭接触的时间也是决定过滤过程效率的重要因素.接触时间越长或水通过过滤器的流速越慢,可发生的吸附越多。当你用活性炭清理有色自来水时,你会在这个项目中亲眼看到。您认为哪种材料可以更好地清理水,粉末或颗粒状碳?

术语和概念

 

    • 过滤

 

    • 碳过滤器
    • 活性炭或活性炭
    • 表面积

 

    • 吸附

 

    • 范德瓦尔斯力量
    • 表面积与体积比
    • 粒径
    • 联系时间

 

问题

 

    • 活性炭的典型用途是什么?
    • 为什么活性炭的形态及其粒径对过滤很重要?
    • 碳过滤器如何清洁受污染的饮用水?
    • 您能想到粒径或表面积与体积比重要的其他过程或反应吗?

 

 

参考书目

 

 

有关创建图表的帮助,请尝试使用以下网站:

 

 

 

 

材料和设备

 

 

    • 颗粒状活性炭;可从 Amazon.com
    • 粉状活性炭;可从 Amazon.com
    • 塑料杯(无需盖子),透明20盎司(每次试验90,30);可从 Amazon.com
    • 食用色素(绿色,蓝色或红色效果很好);可从 Amazon.com
    • 自来水
    • 咖啡过滤器(漂白或未漂白),尺寸4适用于20盎司杯子(每次试验108个,36个)
    • 橡皮筋(9)
    • 量杯

 

    • 定时器

 

    • 纸巾
    • 可以0.1 g增量测量的刻度。适合的数字秤是Fast Weigh MS-500-BLK数字口袋秤;可从亚马逊获取.COM
    • 永久性记号笔
    • 可选:相机(手机或数字)
    • 可选:可以访问互联网并允许使用互联网的计算机。
    • 实验室笔记本

 

 

实验程序

在本实验中,您将使用三种不同的过滤条件(颗粒活性炭过滤器,粉末状活性炭过滤器和无碳过滤器)过滤三种具有不同”污染物” (食用色素)浓度的水样。完成过滤后,您可以通过查看样品的颜色变化来评估每个过滤器的过滤效率。

准备样品和过滤器

在本节中,您将准备总共21杯:3杯不同的食用色素溶液,9杯无碳,颗粒状碳或粉状碳(每种类型3杯)和9个过滤杯(空杯)附有过滤器的杯子)。

 

 

  1. 首先,您将准备要过滤的水样。您将使用食物颜色作为需要从水中去除的模型污染物。准备三种食用色素溶液,每种溶液具有不同的染料浓度。
    1. 使用永久性标记,标记三个杯子,每个染料浓度一个:每杯液体滴0滴,每杯液体滴2滴,每杯液体滴5滴。
    2. 使用量杯将2杯(约500 mL)自来水测量到每个塑料杯中。
    3. 如图4所示,您只会在三个杯子中的两个上添加食物颜色。第一个杯子(每杯液体<0> 0滴)将保持无色。因为你的每个杯子里都有2杯液体,你必须在杯子上加入4滴食物颜色,每杯液体 2滴和10滴食物颜色你用每杯液体标记 5滴的杯子
    4. 用干净的勺子搅拌每种溶液,使食物颜色均匀分散。
用不同染料浓度制备的水样。
图4. 用于碳过滤实验的不同浓度的绿色食用色素的制备水样(从左到右:每杯液体0滴,每杯液体2滴,每杯5滴)液体)。

 

    1. 接下来,为过滤器准备活性炭。您将测试每种染料浓度的三种不同的实验条件(颗粒活性炭,粉状活性炭和无活性炭)。
      1. 当您测试所有三种染料浓度时,您必须为您测试的每种形式的碳标记3个杯子。您可以自己制作标签缩写,例如”PC” 表示碳粉,”GC” 表示颗粒状碳。您的标签应告知您将使用何种形式的碳以及您将使用的染料浓度(每杯液体滴0或2滴或5滴)。最后,你应该有9个标记的杯子.
      2. 使用刻度将3克粒状活性炭称入每个用颗粒状碳标记的杯子中。然后将3克粉末状活性炭加入每个杯子中​​,并加上相应的标签。其余3杯(无活性炭)保持空白.注意:避免吸入活性炭粉末,尽量不要将过多的粉末分散到空气中.
      3. 你应该有3个空杯子和6个装满活性炭的杯子:3杯粉末状,3杯粒状.

       

 

  1. 接下来,您将为不同形式的活性炭和染料浓度设置过滤器。
      1. 总共标记9个杯子,每个测试条件一个。再次,确保您的标签特定于活性炭的类型和您要测试的染料浓度。

     

      1. 取4个咖啡过滤器并将它们相互堆叠。如图5所示,将过滤器按入杯子顶部,将其边缘折叠在杯子的边缘上,并用橡皮筋固定。
      2. 重复步骤b。剩余的过滤杯。

     

带有4层咖啡过滤器的过滤杯。
图5. 使用4层咖啡过滤器,在每个过滤杯内准备一个篮状过滤器,并用橡皮筋固定。

 

过滤样品

在本节中,您将为有色水样准备额外的9杯。在开始过滤过程时,每个实验条件应该有一套9杯(总共27杯)。

 

 

    1. 在开始过滤过程之前,请使用您在”准备样品和过滤器” 步骤1中准备的水样准备每个过滤器的水样。
      1. 对于每种实验条件(颗粒活性炭,粉状活性炭和无活性炭),标记3个新杯子,每杯液体<0>滴,每杯液体滴2滴和每杯液体滴5滴
      2. 使用量杯,将”准备样品和过滤器” 步骤1中准备的0.5杯(约120 mL)染料溶液添加到每个带有相应标签的杯子中.注意:您将获得0.5杯染料溶液,您可以在实验结束时使用它进行颜色比较。
      3. 在切换到下一个染料浓度之前,先冲洗掉量杯并用纸巾擦拭。
      4. 将溶液添加到准备好的炭杯中!

       

 

  1. 如图6所示排列所有准备好的杯子。对于每个实验条件和染料浓度,将有色水样,活性炭和过滤杯放在一起。对于3个实验条件(总共27个),你应该有一套9杯.
在过滤前设置水样,活性炭和过滤器。
图6. 排列所有准备好的杯子,使每个实验条件和染料浓度的有色水样品,活性炭和过滤杯彼此相邻放置。在该图中,显示了用于过滤实验的杯子,其中每杯液体(”2″ )和颗粒活性炭(”GA” )的染料浓度为2滴。

 

  1. 在开始过滤实验之前,请在实验室笔记本中准备一张数据表,如表1。将此表复制到您的笔记本中三次,每种类型的碳(颗粒状活性炭,粉状活性炭,无活性炭)一次。

 

试验1试验2试验3平均

 

 

碳类型: 治疗后的颜色等级
染料浓度
[滴剂/液体]
处理前的颜色等级
0 0        
2 7        
5 10        

表1。用于记录过滤结果的数据表。

 

    1. 您将按0-10的等级评定水样的颜色,其中0表示完全清晰(图4中左侧的杯子),10表示最暗(图4右侧的杯子)。您必须选择一个分配给中间杯的数字,根据您使用的食物颜色的类型或颜色,这可能会略有不同。我们选择为我们的2滴/杯液体样品指定值7,因为它相当黑。
    2. 在过滤前评估所有水样。在特定的染料浓度范围内,它们应该看起来都一样。如步骤4中所述,它们都将在过滤之前以指定的颜色编号开始。这些将是您的开始(过滤前)值.
    3. 如果您有可用的相机,请在开始过滤前拍下所有溶液的照片。这对您的显示板很有帮助。确保使用相同的光照,背景和相机设置拍摄所有照片(最好使用白色背景),以便您可以将它们相互比较.注意:您可以使用您在开始时准备的剩余染料溶液作为”治疗前” 样品的颜色参考。
    4. 继续过滤。您可以执行以下步骤,背靠背或设置它们并同时运行它们。
        1. 从使用粒状活性炭的过滤实验开始。
          1. 将每种浓度的制备的染料溶液倒入含有您在”制备样品和过滤器” 的步骤2中制备的颗粒状活性炭的各个杯子中.
          2. 将计时器设置为10分钟,然后用干净的勺子用活性炭快速搅拌每种溶液。
          3. 10分钟后,将水和碳混合物倒入”准备样品和过滤器” 步骤3中准备的过滤器中,让水渗透过滤器.注意:确保水完全从过滤器中排出,并收集在过滤器下方的杯子中。过滤器中不应有任何水残留。如果水位一旦渗透就到达过滤器的底部,要么选择较大的杯子,要么使用较短的篮状咖啡过滤器而不是较长的锥形咖啡过滤器。
        2. 接下来,继续使用粉末状活性炭进行过滤实验。
            1. 将每种浓度的制备的染料溶液缓慢倒入含有您在”制备样品和过滤器” 的步骤2中制备的粉末状活性炭的各个杯子中.重要:慢慢倒入,避免在空气中产生大量粉尘。
            2. 将计时器设置为10分钟,然后用干净的勺子用活性炭快速搅拌每种溶液.
            3. 10分钟后,将水和碳粉混合物倒入”准备样品和过滤器” 步骤3中制备的过滤器上,让水渗透过滤器。确保过滤器内没有水。

           

       

      1. 对于不使用活性炭的过滤实验,将每个制备的水样品倒入”准备样品和过滤器” 的步骤3中为该条件制备的过滤杯上。再次,让水完全渗透过滤器。

       

 

    1. 让每个杯子中​​的溶液渗透4层咖啡过滤器。在您的实验室笔记本中过滤后,记下您对收集的水样的观察结果。是否有任何水样变色?您是否观察到染料浓度或活性炭类型的差异?
    2. 评估所有过滤水样的颜色。小心取下咖啡过滤器,以便在杯子内部看得更清楚。根据步骤4中描述的色标为每个水样分配一个色号。在数据表中记下您的结果。

 

  1. 如果您有可用的相机,请在过滤实验后拍下您在过滤杯中收集的所有溶液的照片。同样,这对您的显示板也很有帮助。确保使用您在步骤6中使用的相同照明,背景和相机设置拍摄所有照片(最好使用白色背景),以便您可以将它们相互比较。
  2. 一旦您填写了试验1的数据,请设置并执行另外两个过滤试验,从”准备样品和过滤器” 开始。负责任的科学家总是至少进行三次实验,以确认他们的结果总是呈现出相同的趋势,这意味着它们是可重现的。

分析您的数据

 

 

  1. 计算处理后每个水样的平均颜色等级。为此,为每个样本添加每个单独试验的颜色值,然后将结果除以3.将平均值写入数据表。
  2. 比较您在过滤前后为每个实验条件记下的平均颜色值。你能看到你的数据趋势吗?过滤后,您的水样变得不那么有色甚至无色了吗?过滤材料或染料浓度是否有所不同?
  3. 更多高级学生可以使用a进行更多的水色定量测量在线颜色选择工具。查看每个过滤水样,从每个过滤水样中选择相应的颜色。您可以使用您在开始时准备的剩余染料溶液作为”治疗前” 样品的参考。该工具为您提供H(色调),S(饱和度),B(亮度)和R(红色),G(绿色)和B(蓝色)的颜色值。保持在相同的色调中进行颜色评估(保持右边条上的箭头固定在一个设置),并为每个选定的颜色记下颜色饱和度(S)和亮度(B)值。计算所有实验的三次试验的确定亮度和饱和度值的平均值.注意:使用较浅颜色的水样,您会看到亮度值增加。
  4. 对于每种类型的碳(颗粒状碳,粉状碳和无活性炭),制作一个条形图,比较过滤前后的观察颜色(使用平均颜色数或更高级学生的平均亮度值)。在x轴上放置染料浓度(0,2和5滴/杯液体),并在y轴图表上显示平均颜色数(或者如果您选择颜色选择器工具,平均颜色亮度值)之前和过滤后的过程。您可以为每种染料浓度制作单独的图表,也可以使用一种不同颜色的条形图表示不同的染料浓度。该参考书目列出了一个在线图表工具,可以帮助您创建图表。
  5. 如果您选择使用颜色选择工具,请创建与步骤4中类似的另一个图表,但这次会在y轴上绘制平均饱和度值.
  6. 使用颜色选择器工具时,请记住亮度值越高,水越清晰。饱和度值越高意味着水的颜色越多。组合饱和度值为0,亮度值为100意味着您的水是清澈的,没有颜色了!
  7. 比较所有图表,您能否判断粒状或粉状碳是否是使用10分钟接触时间的更有效的过滤器?您认为如何提高过滤器的效率?

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化学家

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变体形式

 

  • 在这个项目中,您为每个实验条件使用了相同数量的活性炭。当您使用更多或更少的活性炭时,您认为结果会发生变化吗?重复此实验,但这次会改变您放入过滤器的活性炭量。您可以为不同的染料浓度选择另一种活性炭,或者保持染料浓度不变并改变活性炭的含量。
  • 您可能想了解水的清理方式取决于接触时间。设计一个实验,您可以在其中研究接触时间对过滤效率的依赖性。为您的水样和活性炭做一个具有不同接触时间的时间序列。如有必要,您还可以在这些实验中更改水样中的染料浓度。
  • 您用于实验的活性炭是否可以重新用于另一个水样?经过多少次过滤步骤才能达到碳的吸附能力?它取决于水样的染料浓度吗?设计一个实验来找出答案!
  • 还有什么可以用活性炭过滤?其他食物颜色会给你相同的结果吗?尝试用碳过滤器分离其他混合物,例如沙子/土壤和水混合物,或油和水的混合物。如何去除水样中的气味,你认为可以过滤出香草或薄荷香气吗?
  • 除了接触时间和粒径外,还有哪些其他参数会影响滤水器的过滤效率?你认为水样的温度会有所不同吗?你的水样的pH值怎么样?通过改变这些参数来测试您的假设,看看每次水的清洁程度!
  • 如果您对水过滤的环境方面或使用更多不同的过滤材料感兴趣,请查看Science Buddies science项目从污染到清洁:过滤如何清洁水