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介绍

你在喝自来水之前会过滤吗?也许你家水龙头或者冰箱有过滤器,或者那种大水罐会有个过滤器在里面。你可能听广告声称这些过滤器使你的饮用水更干净,更安全。但你有没有想过,究竟过滤器做了什么?最后水是不是真的变干净了?在这个实验中了解过滤器对水的清洁能力——用可以看到的结果。你会“过滤”一瓶有颜色的运动饮料或有颜色的苏打水!

背景

要了解过滤器是怎么起作用的,你最好看看过滤器的内部。用于家庭水处理的过滤器的大部分是碳过滤器。这意味着过滤器内的材料是碳或它的一种特殊形式,称为活性炭。活性炭特别的是,它是一个非常多孔的碳,几乎像海绵一样有许多微小的微观孔隙能吸收水。所有这些小的微孔形成一个巨大的内表面积。五茶匙(10克)的颗粒活性炭具有表面积大约是一个足球场的面积。

第 1 段(可获 2.6 积分)

当水或液体通过过滤器的多孔结构时,杂质(如少量的化学物质或金属)可以通过一个称为吸附的过程除去。吸附是化合物因为物理或化学变化吸附在碳表面和碳表面的膜上,一层的吸附或者说化学杂质是(碳表面)。这也是为什么表面面积对净化有影响。表面积越大,杂质就越可能和结合位点结合。如果所有的结合位点都被占用,那么杂质就会留在水里,那就是时候换掉你的水过滤器了。除表面积外,与活性炭接触的时间也是决定过滤效率的一个重要因素。接触时间越长,或水的流速越慢,就会吸附更多杂质。看看在这个实验吧。是时候开始你自己的吸附实验!

第 2 段(可获 2.11 积分)

材料

  • 有颜色的运动饮料或有颜色的苏打水
  • 五个塑料杯(最好是两盎司的)
  • 汤匙
  • 活性炭(你可以从一个宠物店得到这个。如果你想品尝你的结果,使用食品级活性炭。)
  • 计时器
  • 咖啡过滤器(至少四个)
  • 马克笔
  • 纸巾
  • 白纸
  • 一个能让水飞溅的工作区

准备工作

  • 在五个两盎司塑料杯上分别标记:0,1a,1b,2a和2b。
  • 在1a中倒入半汤匙(约1克)的活性炭,2a也一样。
  • 准备两个双层咖啡过滤器。将一个过滤器插入到另一个过滤器中,形成两层。
  • 准备好你的定时器和有颜色的运动饮料。
第 3 段(可获 1.44 积分)

步骤

  • 把空的两盎司的塑料杯,标记为0,并添加一汤匙(约10毫升)的有色运动饮料或苏打水。杯子里的饮料看起来怎么样?颜色很浓吗?闻一闻杯子里的运动饮料。它有特殊的气味吗?
  • 把你的计时器设置为五分钟。不启动它。
  • 往标记的1A和2A加活性炭,加入半汤匙有色运动饮料(约5毫升/每杯)。仔细地摇晃每一个杯子,以确保该溶液与活性炭混合好。当您添加饮料到活性炭中时会发生什么?混合物是什么样子的?
  • 当你倒好饮料到所有杯子后开始计时。
  • 拿双层咖啡过滤器放在1b杯上面。当五分钟到了之后,倒杯1a的溶液(液体和活性炭)到双层咖啡过滤器上,过滤液体收集到杯1b。运动饮料变样了吗?变得如何?再闻一闻液体。你注意到与原来的运动饮料相比有什么不同吗?
  • 倒计时25分钟,在杯1a的溶液倒到1b过滤后算起。
  • 等待并且不时摇晃杯2a。
  • 现在你准备第二个双层咖啡过滤器,而一旦你2b放置的25分钟到了之后。把2a的液体和活性炭通过过滤器倒到杯2B中收集。和平常的运动饮料相比,这杯溶液看起来怎么样?你注意到闻起来有什么变化吗?
  • 最后,把杯0与你原来的运动饮料杯1b和2b放在一张白纸上,你可以将溶液看得更清楚。看这三个杯子。当它与活性炭接触后,运动饮料的颜色是如何随着时间的推移而变化?
  • 另外:如果(并且仅在此情况下)你使用食品级活性炭,你可以品尝你的过滤溶液。你注意到与原来的运动饮料相比有什么区别吗?味道有什么改变?
  • 另外:尝试用不同颜色的运动饮料或苏打水。你会看到结果一样或者是会有某一种饮料效果更好?
  • 另外:如果你改变了活性炭和液体的比率,会发生什么?尝试用不同量的活性炭和相同体积的运动饮料做这个实验。或改变溶液的体积,并保持活性炭的量相同。不同的活性炭—液比会导致不同的结果吗?例如,在当你添加更多的运动饮料到相同数量的活性炭后五分钟后,你看到了什么?
  • 另外:尝试找到其他材料,而不是活性炭,可以净化你的溶液。你能想到其他的吸附材料,反应过程和活性炭相似吗?这样的材料需要有什么性质?
第 4 段(可获 6.44 积分)

观测与结果

运动饮料有各种各样的颜色。看着你在塑料杯里的纯饮料,你可能发现颜色很浓。根据颜色或味道,你可能已经闻到一个水果或甜的气味。当你把饮料倒进到活性炭里,你看到它嘶嘶起泡了吗?这是因为一旦活性炭变湿,所有的空气,它的许多毛孔内灌满的是液体,因此里面的空气被释放而导致起泡泡。

混合物现在看起来像一个黑色的泥浆,如果你过滤杯1b五分钟后,你会发现,该溶液的色彩变得更浓。而且水果的气味很淡,甚至没有了。如果你检查你的运动饮料或苏打水的成分列表,你可能会发现,使饮料有颜色和味道的添加剂,如“蓝色1号”,“焦糖色素”,“人造香味”,这些都是化学或有机化合物,会被吸附到活性炭表面,并被困在其孔隙空间。因此,他们将从你的饮料中消失。当你的运动饮料用活性炭处理的时候,你甚至可以去除所有的颜色,所以你最终得到一杯几乎澄清的液体。你看到运动饮料杯2b在你筛选出活性炭后25分钟后是什么样的吗?饮料与活性炭接触的时间越长,其颜色和香味的化学物质都被吸附到碳的表面。如果你等的时间够长的话,所有的颜色和气味都会消失。

第 5 段(可获 3.66 积分)

如果你周围的液体体积和量的活性炭的比例,但是,你可能会发现,如果你有很多液体,只有很少的活性炭,你将无法完全去除颜色。这是因为活性炭吸附能力有限,这意味着一旦表面积完全被有颜色和气味的化合物覆盖之后,就没有空间吸附更多。这也是为什么你必须定期更换你家的水过滤器的原因。

如果你使用食品级活性炭,并尝到了无色的运动饮料,它尝起来可能跟原来的味道根本不一样!现在想想你在家里使用的水过滤器,它的工作原理是完全一样的。许多化合物(即使是一些你看不到或尝到的东西)都会被困在活性炭过滤器中,剩下的唯一的东西是给你喝的水。

整理

你可以把所有的溶液案都倒进水槽里。收集活性炭到一个容器里,并把它与您的普通垃圾一起扔。用湿纸巾擦拭你的工作区域。

第 6 段(可获 2.43 积分)

文章评论

蔓越梅
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