尋找安全飲用水

鄭玄詞等

我國是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一，工業(yè)廢水隨意排放、化肥農(nóng)藥大量使用等，導(dǎo)致水污染越來越嚴重，水的成分越來越復(fù)雜，質(zhì)量也越來越差。傳統(tǒng)水處理工藝和城市水廠設(shè)備改造、水網(wǎng)管道改造的步伐趕不上水質(zhì)的變化，輸送過程中的二次污染等給人們的健康帶來隱患。

為此，我們走入社區(qū)，調(diào)查居民家庭飲用水的污染狀況，了解使用家用凈水器的必要性；并從網(wǎng)上、圖書館搜集資料，在老師的指導(dǎo)下開展專題討論；最后通過模擬實驗，組裝凈水器模型。

一、使用家用凈水器的必要性

資料顯示，目前城市家庭用水存在的主要問題有：自來水消毒時，漂白粉使用過量；農(nóng)區(qū)農(nóng)藥、化肥、殺蟲劑等使用過量造成的水污染不斷發(fā)生；自來水在生產(chǎn)過程中過濾不過關(guān)或輸送過程中存在二次污染；飲用水中存在有機污染等。在農(nóng)村，大部分農(nóng)民都直接飲用地下水，然而調(diào)查的結(jié)果顯示地下水的情況可能更糟。

因此，在家庭中使用凈水器非常必要，具有一定的社會價值和使用價值。

二、制作家用凈水器的可行性

1.過濾物質(zhì)的選擇

（1）麥飯石

麥飯石是一種次火山巖礦石，含有鐵、鎂、鉀、鈉等20多種對人體有益的微量元素。它還是優(yōu)良的天然食品保鮮防腐劑和冷藏除臭劑，具有吸附、溶出礦物質(zhì)、調(diào)整水質(zhì)等作用。

（2）活性炭

活性炭具有以下優(yōu)點：處理程度高，城市污水經(jīng)活性炭深度處理后，BOD（生化需氧量）可降低99%，TOC（有機碳）可降到1mg/L至3mg/L；應(yīng)用范圍廣，對廢水中絕大多數(shù)有機物都有效，包括微生物以及難降解的有機物；適應(yīng)性強，對水量及有機物負荷的變動有較強的適應(yīng)性，處理效果穩(wěn)定。

（3）石英砂

石英砂是一種堅硬、耐磨、化學(xué)性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，其主要礦物成分是SiO2，能阻攔水中細微的懸浮物。

（4）陽離子交換樹脂

陽離子交換樹脂是以苯乙烯和二乙烯苯聚合， 經(jīng)硫酸磺化而制得的聚合物。遇水后可發(fā)生置換反應(yīng)，去除水中可溶解的離子，對Pb、Hg、Cr、Cd、As的交換率達96%以上。

2.濾芯的選擇

陶瓷濾芯主要用于對飲用水進行過濾、抗菌和活化處理，目前國際上過濾精度最高的為雙控制膜陶瓷濾芯，平均孔徑為0.1μm。經(jīng)該濾芯過濾后的水無需煮開，即可飲用，完全能達到國家直接飲用水的標準。

以上材料能從不同的角度凈化水，且都不難找到，所以制作家用凈水器是可行的。

三、模型設(shè)計方案

通過分析、比較各種過濾材料的性能，將家用凈水器模型設(shè)置為三層結(jié)構(gòu)，第一層預(yù)過濾（粗濾）及吸附；第二層軟化及礦化；第三層精濾（微過濾、超過濾、反滲透）。

1.過濾吸附層

由石英砂和活性炭構(gòu)成。石英砂主要過濾顆粒較大的懸浮物，防止水中泥沙、鐵銹堵塞陶瓷濾芯，以延長陶瓷濾芯的使用壽命。活性炭具有很強的“物理吸附”和“化學(xué)吸附”作用，能有效吸附農(nóng)藥、化肥、殺蟲劑、洗衣粉等洗滌劑、工業(yè)廢水、合成染料等酯類和芳烴等有機化合物，使水質(zhì)獲得直接而迅速的改善。

2.軟化層

由麥飯石和陽離子交換樹脂構(gòu)成。麥飯石對水有防腐、保鮮、除臭的作用；可溶出礦物質(zhì)，對人體有保健作用。陽離子交換樹脂能將水中的重金屬陽離子與樹脂中的活性離子交換，使硬水軟化。

3.精濾層

由陶瓷濾芯構(gòu)成。通過陶瓷濾芯去除水中的細菌、藥液、鍍液、固體粒子、有機雜質(zhì)等，把好最后一關(guān)。

四、模型可靠性驗證

為了證明家用凈水器模型的可靠性，我們做了對比實驗。

買來一瓶純凈水作為凈化程度的對比實驗使用，配制藍色硫酸銅溶液，并在溶液中滴入醋酸，再加些灰塵、泥土，這時肉眼可直接看到藍色液體中混有懸浮物，并聞到刺鼻的酸味。

將藍色硫酸銅溶液分為兩份，一份留作驗證對比，稱之為原液；另一份倒入家用凈水器模型。首先，流經(jīng)過濾吸附層的水直接流入麥飯石，此時可以清楚地看到流出的水是無色的清水，可初步證明經(jīng)過過濾吸附層的藍色硫酸銅溶液的濃度遠遠低于配制的原液；同時懸浮物大部分被濾掉，在顯微鏡下觀察懸浮物，不但遠遠少于配制的原液，也要少于買來的純凈水。

從麥飯石流出的水流入陽離子交換樹脂，最后流經(jīng)陶瓷濾芯，進入燒杯?？梢钥吹綗械乃菬o色的清水，也沒有刺鼻的酸味，初步斷定醋酸被吸附掉。

為了進一步證明家用凈水器模型的可靠性，把燒杯中的水分為四份，分別標上A、B、C、D。其中A用作對比液；B用pH試紙檢驗酸性，經(jīng)檢驗，蘸有B液體的pH試紙與標準比色卡對比接近7，證明B液體呈中性；向C液體中滴入氫氧化銅溶液，沒有藍色沉淀產(chǎn)生，說明C液體中不含有硫酸銅，證明硫酸銅已被陽離子交換樹脂交換掉。

將過濾前的原液、買來的純凈水和D液體分別用專門過濾細菌的濾紙過濾，再將三張帶有細菌的濾紙分別放入培養(yǎng)基中培養(yǎng)，觀察長出的菌落，發(fā)現(xiàn)菌團數(shù)最少的是D液，最多的是原液，完全符合理論分析的結(jié)果（按照理論分析陶瓷濾芯的直徑≤0.1微米，細菌的直徑≥0.5微米，陶瓷濾芯可以完全過濾細菌）。

通過實驗驗證，證明經(jīng)家用凈水器模型過濾的水基本去除了水中的懸浮物顆粒、重金屬離子、酸根離子、細菌及色素，是無色、無味的可以直接飲用的水。（指導(dǎo)老師：張 杰）