关键概念
吸附
活性炭
物理学
化学
净水器
简介
你在饮用自来水之前会过滤吗？ 也许你在家里的水龙头、冰箱上安装了净水器，或者使用带有过滤器的特殊水壶。 你可能听过广告声称这些过滤器使你的饮用水更清洁、更安全。 但是你有没有想过，这些过滤器究竟是做什么的，以及最终的水是否真的更清洁？ 在这项活动中了解净水器的清洁能力——但结果是你可以看到的。 你将“清洁”有色的运动饮料或有色苏打水！
背景
要了解净水器的工作原理，最好看一下过滤器内部。 大多数用于家庭水处理的过滤器都是碳过滤器。 这意味着过滤器内部的材料是碳或其特殊形式，称为活性炭。 活性炭的特殊之处在于它是一种非常多孔的碳形式——几乎像海绵——并且有许多微小的微孔可以吸收水分。 所有这些小微孔创造了巨大的内表面积。 大约五茶匙（10 克）颗粒状活性炭的表面积大约相当于一个足球场的面积。
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当水或液体流经过滤器的多孔结构时，杂质（例如少量化学物质或金属）可以通过称为吸附的过程去除。 当化合物物理或化学地附着在碳表面时，就会发生吸附，并且在吸附剂（碳表面）上形成吸附质或化学杂质的薄膜。 这也是表面积重要的原因。 表面积越大，杂质可能结合的位点就越多。 如果所有结合位点都被占据，那么杂质仍然留在水中，就该更换净水器了。 除了表面积之外，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。 接触时间越长或水流速度越慢，吸附作用就越能发生。 在此活动中亲自体验一下。 是时候开始你自己的吸附实验了！
材料
有色运动饮料或有色苏打水
五个塑料杯（两盎司杯子效果最佳。）
汤匙
活性炭（你可以从宠物店买到。 如果你想品尝你的结果，请使用食品级活性炭。）
定时器
咖啡过滤器（至少四个）
记号笔
纸巾
白纸
一个可以容忍少量液体飞溅的工作区域
准备工作
标记五个两盎司塑料杯，分别标为：0、1a、1b、2a 和 2b。
使用半汤匙活性炭（约 1 克）填充 1a 杯。 对 2a 杯做同样的操作。
准备两个双层咖啡过滤器。 将一个过滤器插入另一个过滤器以形成两层。
准备好你的定时器和有色运动饮料。
步骤
拿起空的二盎司塑料杯，标记为 0，加入约一汤匙（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？ 闻一下杯子里的运动饮料。 它有特殊的气味吗？
将你的定时器设置为五分钟。 暂时不要启动它。
在标有 1a 和 2a 的两个装有活性炭的杯子中，分别加入约半汤匙有色运动饮料（每个杯子约 5 毫升）。 小心旋转每个杯子，确保溶液与活性炭充分混合。 当你将溶液添加到活性炭中时会发生什么？ 混合物看起来怎么样？
在你装满两个杯子后立即启动你的定时器。
拿起双层咖啡过滤器，并将其放在 1b 杯上方。 一旦定时器在五分钟后响起，将 1a 杯中的内容物（液体和活性炭）倒入双层咖啡过滤器中。 将流过过滤器的液体收集在 1b 杯中。 运动饮料的外观改变了吗？ 如何改变？ 再次闻一下液体。 与原来的运动饮料相比，你注意到有什么不同吗？
将你的定时器设置为 25 分钟，并在你完成从 1a 杯中过滤溶液后立即启动它。
在等待时，偶尔旋转 2a 杯。
现在准备你的第二个双层咖啡过滤器，一旦你的定时器在 25 分钟后响起，将其放在 2b 杯上方。 将 2a 杯中的液体和活性炭倒入过滤器中，并将液体收集在 2b 杯中。 与原来的运动饮料和 1b 杯中的溶液相比，这种溶液看起来怎么样？ 你注意到气味有任何变化吗？
最后，将 0 号杯与你原来的运动饮料、1b 杯和 2b 杯排成一行。 将它们放在一张白纸上，以便你能更好地看到溶液。 看看所有三个杯子。 当运动饮料与活性炭接触时，随着时间的推移，它发生了什么变化？
额外内容： 如果（且仅当）你使用了食品级活性炭，你可以品尝你每种溶液。 与原来的运动饮料相比，你注意到有什么不同吗？ 味道如何变化？
额外内容： 尝试不同颜色的运动饮料或苏打水。 你看到所有饮料的效果都相同，还是其中一种饮料的效果比其他饮料更好？
额外内容： 如果你改变活性炭和液体的比例会发生什么？ 用相同体积的运动饮料中不同量的活性炭尝试此活动。 或者改变你的溶液的体积，并保持活性炭的量不变。 不同的活性炭-液体比率会导致不同的结果吗？ 例如，当你向相同量的活性炭中添加更多运动饮料时，五分钟后你看到了什么？
额外内容： 尝试寻找活性炭以外的其他材料来清洁你的溶液。 你能想到其他可以像活性炭一样工作的吸附材料吗？ 这种材料需要具备什么特性？
观察和结果
运动饮料有多种颜色。 看着塑料杯中你纯粹的饮料，你可能会发现颜色非常浓郁。 根据颜色或口味，你可能会注意到水果味或甜味。 当你将饮料倒入装有活性炭的杯子中时，你是否看到它冒泡和起泡？ 这是因为一旦活性炭变湿，其许多孔隙内部的所有空气都会被液体取代，因此会被释放出来，从而导致冒泡和起泡。
混合物现在看起来像黑色的浆液，如果你在五分钟后将其过滤到 1b 杯中，你可能会注意到溶液的原始颜色已经变得不那么浓郁了。 水果味可能非常微弱，甚至无法辨认了。 如果你查看你的运动饮料或苏打水的配料表，你可能会发现列出了一些特定的配料，这些配料使饮料具有颜色和风味，例如“蓝色 1 号”、“焦糖色”或“人造香料”。 这些大多是化学物质或有机化合物，它们会吸附到活性炭表面并被困在其孔隙空间中。 因此，它们将从你的饮料中去除。 当用活性炭处理你的运动饮料更长时间时，你甚至可以去除其所有颜色，这样你最终会得到几乎透明的溶液。 在你 25 分钟后过滤掉活性炭后，你的运动饮料在 2b 杯中看起来是透明的吗？ 饮料与活性炭接触的时间越长，其颜色和香味化学物质就越能吸附到碳表面。 如果你等待足够长的时间，所有的颜色和气味都会消失。
但是，如果你尝试调整液体体积和活性炭量的比例，你可能会发现，如果你有很多液体而只有很少的活性炭，你将无法完全去除颜色。 这是因为活性炭的吸附能力有限，这意味着一旦表面积完全被颜色和风味化合物覆盖，就没有空间再吸附更多物质了。 这也是你必须定期更换家中净水器的原因。
如果你使用了食品级活性炭并品尝了无色的运动饮料，它可能根本尝起来不像原来的饮料！ 现在想想你在家使用的净水器——它的工作原理完全相同。 许多化合物（甚至一些你看不见或尝不到的化合物）将被困在活性炭过滤器中，剩下的唯一东西就是供你饮用的水。
清理
你可以将所有溶液倒入水槽。 将活性炭收集在一个容器中，并与你的日常垃圾一起丢弃。 用湿纸巾擦拭你的工作区域。
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