寻找安全饮用水——家用净水器模型的可行性研究与制作

文 大连理工大学附属高中郑玄词任美桐刘子嘉刘佳琪李程熹葛润哲李京翰周佳静孙浣溪陈润泽吴宣鸿

我国是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一，工业废水随意排放、化肥农药大量使用等，导致水污染越来越严重，水的成分越来越复杂，质量也越来越差。传统水处理工艺和城市水厂设备改造、水网管道改造的步伐赶不上水质的变化，输送过程中的二次污染等给人们的健康带来隐患。

为此，我们走入社区，调查居民家庭饮用水的污染状况，了解使用家用净水器的必要性；并从网上、图书馆搜集资料，在老师的指导下开展专题讨论；最后通过模拟实验，组装净水器模型。

一、使用家用净水器的必要性

资料显示，目前城市家庭用水存在的主要问题有：自来水消毒时，漂白粉使用过量；农区农药、化肥、杀虫剂等使用过量造成的水污染不断发生；自来水在生产过程中过滤不过关或输送过程中存在二次污染；饮用水中存在有机污染等。在农村，大部分农民都直接饮用地下水，然而调查的结果显示地下水的情况可能更糟。

因此，在家庭中使用净水器非常必要，具有一定的社会价值和使用价值。

二、制作家用净水器的可行性

1.过滤物质的选择

（1）麦饭石

麦饭石是一种次火山岩矿石，含有铁、镁、钾、钠等20多种对人体有益的微量元素。它还是优良的天然食品保鲜防腐剂和冷藏除臭剂，具有吸附、溶出矿物质、调整水质等作用。

麦饭石

陶瓷滤芯

（2）活性炭

活性炭具有以下优点：处理程度高，城市污水经活性炭深度处理后，BOD（生化需氧量）可降低99%，TOC（有机碳）可降到1mg/L至 3mg/L；应用范围广，对废水中绝大多数有机物都有效，包括微生物以及难降解的有机物；适应性强，对水量及有机物负荷的变动有较强的适应性，处理效果稳定。

（3）石英砂

石英砂是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO2，能阻拦水中细微的悬浮物。

（4）阳离子交换树脂

阳离子交换树脂是以苯乙烯和二乙烯苯聚合，经硫酸磺化而制得的聚合物。遇水后可发生置换反应，去除水中可溶解的离子，对Pb、Hg、Cr、Cd、As的交换率达 96%以上。

2.滤芯的选择

陶瓷滤芯主要用于对饮用水进行过滤、抗菌和活化处理，目前国际上过滤精度最高的为双控制膜陶瓷滤芯，平均孔径为0.1μm。经该滤芯过滤后的水无需煮开，即可饮用，完全能达到国家直接饮用水的标准。

以上材料能从不同的角度净化水，且都不难找到，所以制作家用净水器是可行的。

三、模型设计方案

通过分析、比较各种过滤材料的性能，将家用净水器模型设置为三层结构，第一层预过滤（粗滤）及吸附；第二层软化及矿化；第三层精滤（微过滤、超过滤、反渗透）。

1.过滤吸附层

由石英砂和活性炭构成。石英砂主要过滤颗粒较大的悬浮物，防止水中泥沙、铁锈堵塞陶瓷滤芯，以延长陶瓷滤芯的使用寿命。活性炭具有很强的“物理吸附”和“化学吸附”作用，能有效吸附农药、化肥、杀虫剂、洗衣粉等洗涤剂、工业废水、合成染料等酯类和芳烃等有机化合物，使水质获得直接而迅速的改善。

2.软化层

由麦饭石和阳离子交换树脂构成。麦饭石对水有防腐、保鲜、除臭的作用；可溶出矿物质，对人体有保健作用。阳离子交换树脂能将水中的重金属阳离子与树脂中的活性离子交换，使硬水软化。

3.精滤层

由陶瓷滤芯构成。通过陶瓷滤芯去除水中的细菌、药液、镀液、固体粒子、有机杂质等，把好最后一关。

四、模型可靠性验证

为了证明家用净水器模型的可靠性，我们做了对比实验。

买来一瓶纯净水作为净化程度的对比实验使用，配制蓝色硫酸铜溶液，并在溶液中滴入醋酸，再加些灰尘、泥土，这时肉眼可直接看到蓝色液体中混有悬浮物，并闻到刺鼻的酸味。

将实验用水倒入过滤吸附层

将蓝色硫酸铜溶液分为两份，一份留作验证对比，称之为原液；另一份倒入家用净水器模型。首先，流经过滤吸附层的水直接流入麦饭石，此时可以清楚地看到流出的水是无色的清水，可初步证明经过过滤吸附层的蓝色硫酸铜溶液的浓度远远低于配制的原液；同时悬浮物大部分被滤掉，在显微镜下观察悬浮物，不但远远少于配制的原液，也要少于买来的纯净水。

从麦饭石流出的水流入阳离子交换树脂，最后流经陶瓷滤芯，进入烧杯。可以看到烧杯中的水是无色的清水，也没有刺鼻的酸味，初步断定醋酸被吸附掉。

经陶瓷滤芯流出的无色、无味水

为了进一步证明家用净水器模型的可靠性，把烧杯中的水分为四份，分别标上A、B、C、D。其中A用作对比液；B用pH试纸检验酸性，经检验，蘸有B液体的pH试纸与标准比色卡对比接近7，证明B液体呈中性；向C液体中滴入氢氧化铜溶液，没有蓝色沉淀产生，说明C液体中不含有硫酸铜，证明硫酸铜已被阳离子交换树脂交换掉。

将过滤前的原液、买来的纯净水和D液体分别用专门过滤细菌的滤纸过滤，再将三张带有细菌的滤纸分别放入培养基中培养，观察长出的菌落，发现菌团数最少的是D液，最多的是原液，完全符合理论分析的结果（按照理论分析陶瓷滤芯的直径≤0.1微米，细菌的直径≥0.5微米，陶瓷滤芯可以完全过滤细菌）。

通过实验验证，证明经家用净水器模型过滤的水基本去除了水中的悬浮物颗粒、重金属离子、酸根离子、细菌及色素，是无色、无味的可以直接饮用的水。