尋找安全飲用水——家用凈水器模型的可行性研究與制作

文 大連理工大學(xué)附屬高中鄭玄詞任美桐劉子嘉劉佳琪李程熹葛潤哲李京翰周佳靜孫浣溪陳潤澤吳宣鴻

我國是全球13個(gè)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(yán)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(shí)驗(yàn)，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(shí)，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(jī)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(huì)價(jià)值和使用價(jià)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(duì)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。

麥飯石

陶瓷濾芯

（2）活性炭

活性炭具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(jī)碳）可降到1mg/L至 3mg/L；應(yīng)用范圍廣，對(duì)廢水中絕大多數(shù)有機(jī)物都有效，包括微生物以及難降解的有機(jī)物；適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)水量及有機(jī)物負(fù)荷的變動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，處理效果穩(wěn)定。

（3）石英砂

石英砂是一種堅(jiān)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(xì)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(duì)Pb、Hg、Cr、Cd、As的交換率達(dá) 96%以上。

2.濾芯的選擇

陶瓷濾芯主要用于對(duì)飲用水進(jìn)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(dá)到國家直接飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。

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(jì)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?；钚蕴烤哂泻軓?qiáng)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(jī)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(duì)水有防腐、保鮮、除臭的作用；可溶出礦物質(zhì)，對(duì)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(xì)菌、藥液、鍍液、固體粒子、有機(jī)雜質(zhì)等，把好最后一關(guān)。

四、模型可靠性驗(yàn)證

為了證明家用凈水器模型的可靠性，我們做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

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

將實(shí)驗(yàn)用水倒入過濾吸附層

將藍(lán)色硫酸銅溶液分為兩份，一份留作驗(yàn)證對(duì)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(shí)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(lán)色硫酸銅溶液的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于配制的原液；同時(shí)懸浮物大部分被濾掉，在顯微鏡下觀察懸浮物，不但遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)入燒杯。可以看到燒杯中的水是無色的清水，也沒有刺鼻的酸味，初步斷定醋酸被吸附掉。

經(jīng)陶瓷濾芯流出的無色、無味水

為了進(jìn)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(biāo)上A、B、C、D。其中A用作對(duì)比液；B用pH試紙檢驗(yàn)酸性，經(jīng)檢驗(yàn)，蘸有B液體的pH試紙與標(biāo)準(zhǔn)比色卡對(duì)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(lán)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(xì)菌的濾紙過濾，再將三張帶有細(xì)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(tuán)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(xì)菌的直徑≥0.5微米，陶瓷濾芯可以完全過濾細(xì)菌）。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xì)菌及色素，是無色、無味的可以直接飲用的水。