核心概念
物理学
化学
水处理
饮用水
引言
你知道你的饮用水来自哪里吗？当然，它来自你的水龙头。但它是如何到达那里的？世界各地的饮用水都来自地表水（如湖泊、水库和河流）或地下水源（如地下水）。但你想直接喝来自河流或湖泊的水吗？可能不想；它们可能非常脏！为了变得清洁和安全，这些水首先要经过几个处理过程；第一个过程称为混凝和絮凝。这些过程有助于去除水中的颗粒，并将浑浊的脏水变成清澈的水：在这个活动中亲眼看看吧！
背景
地表水通常含有土壤颗粒或絮凝物——有机物和污垢，这些物质使水看起来浑浊不清。漂浮在水中的固体称为总悬浮固体 (TSS)。它们通常非常小而轻，需要很长时间才能沉到水体的底部。这是一个问题，因为潜在的危险细菌会附着在这些微小颗粒上，这使得水不安全饮用。
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在地表水变成安全清洁的饮用水之前，必须经过几个处理步骤。这种净化发生在饮用水处理厂，其中第一步是使用混凝和絮凝的组合过程去除悬浮固体。在此步骤中，将称为混凝剂和絮凝剂的化学物质添加到水中；它们有助于将所有小颗粒聚集成更大的颗粒，以便它们由于尺寸和重量的增加而更容易沉到水源底部。水中的大多数悬浮固体都带有负表面电荷，因此会相互排斥，这阻止它们粘在一起并保持悬浮状态。然而，如果将带有相反（正）电荷的化学物质添加到水中，颗粒就会变得中和，并能够粘在一起形成更大的颗粒或所谓的“微絮凝物”。这些会更快地沉降下来，水会变得更加清澈。你认为添加通常用作混凝剂的明矾后，你的水会变得多干净？准备好在这个科学活动中找到答案吧！
材料
来自你的花园或其他来源的干燥细土
细网筛或滤器
研钵和研杵
大型搅拌碗
自来水
量匙
两个茶匙
至少四个透明杯子，玻璃或塑料
定时器
明矾，可在大多数杂货店的香料区买到
微波炉
纸和笔或铅笔（可选）
柠檬汁（可选）
用于接住溢出物的厨房毛巾（可选）
准备
从你的花园或其他来源收集一些干燥的土壤。
使用细网筛过滤掉较大的材料，如石头或树枝和树叶。
将过筛的土壤转移到研钵中，并充分研磨，直到得到非常细的均匀土壤粉末。
取一茶匙细磨的土壤，放入碗中。
将土壤与约一升自来水混合，制成浑浊的土壤溶液。土壤颗粒不应轻易沉淀，并且混合后溶液应保持浑浊。
通过在约三茶匙自来水中加入四分之一茶匙明矾粉末来制备您的混凝剂-絮凝剂溶液。（您可能需要在微波炉中加热溶液以使粉末溶解。）搅拌溶液直到所有明矾粉末溶解。
在一个可能会弄湿和弄脏的表面上进行此活动；为了防止溢出，您可能需要在附近准备好厨房毛巾。
步骤
将两个杯子倒入一半的制备好的土壤溶液中。（确保在将碗中的制备好的土壤溶液倒入杯子之前先搅拌一下。）
其中一个杯子将用作你的对照，另一个用于明矾处理。（您可以相应地标记它们为“对照”和“明矾处理”。）
将你的计时器设置为两分钟，并启动它。
在每个杯子中用一个勺子，尽可能快地搅拌两个土壤溶液两分钟（不要溢出）。您可以小心地用一只手搅拌两个杯子，或者让助手搅拌其中一个杯子。搅拌完成后，土壤溶液看起来如何？ 它非常浑浊吗？
停止搅拌，并将你的计时器设置为五分钟。
启动计时器并观察两个土壤溶液五分钟。搅拌后五分钟内，土壤溶液会发生什么变化？ 它会一直保持不变吗？你看到土壤颗粒沉到水底吗？
五分钟后比较两个杯子。它们看起来不同吗？其中一个比另一个更浑浊吗？如果没有，你认为为什么会这样？如果是，原因可能是什么？
现在，取出您准备好的明矾溶液，并将其中的四分之一茶匙添加到您标记为“明矾处理”的杯子中。不要向“对照”杯中添加任何东西。
将你的计时器设置为两分钟并启动它。
再次，取两个勺子，尽可能快地搅拌两个杯子两分钟（不要溢出）。
停止搅拌，并将你的计时器设置为五分钟。
启动你的计时器并再次观察两个杯子五分钟。这次你看到了什么？两个杯子里的水都浑浊还是你注意到用明矾处理过的土壤溶液有差异？
观察两个杯子更长的时间（最多 15 分钟）以跟踪絮凝过程。你看到其中一个杯子里的水变得更清澈了吗？需要多长时间才能完全清澈？
拿出两个新杯子，再次标记它们为“对照”和“明矾处理”。
将它们都倒入你一开始准备的相同土壤溶液中。（确保在将碗中的土壤溶液倒入两个杯子之前先搅拌一下。）
向您标记为“明矾处理”的杯子中添加四分之一茶匙的明矾溶液。
这次不要搅拌溶液，只需观察七分钟会发生什么。你看到“明矾处理”杯子中发生的事情与你之前搅拌时看到的一样吗？七分钟后两个杯子里的土壤溶液看起来一样吗？你认为为什么会这样？
等待七分钟后，开始尽可能快地搅拌两个溶液两分钟（不要溢出），然后观察杯子再过五分钟。搅拌溶液后会发生什么？你认为搅拌溶液会产生什么影响？你的水现在变得更清澈了吗？
额外：探索水的特性如何影响絮凝过程。准备两个装有浑浊土壤溶液的杯子，并在每个杯子中加入两茶匙柠檬汁。这会改变土壤溶液的 pH 值。现在，向其中一个杯子中加入四分之一茶匙的明矾溶液，并将它们搅拌两分钟。观察搅拌后会发生什么。你看到明矾处理的杯子里有絮凝物形成吗？柠檬汁如何改变絮凝过程？
额外：明矾的量如何改变土壤溶液中的絮凝形成？通过在一升自来水中加入 7.5 克明矾来制备明矾溶液。然后准备三个或四个装有浑浊土壤溶液的杯子。向每个杯子中加入不同量的明矾溶液（例如零、一、三和五毫升），并将它们全部搅拌两分钟（当然需要帮助）。搅拌后观察杯子。搅拌后，你看到三个或四个杯子有差异吗？所有的水溶液都从浑浊变为清澈了吗？
观察和结果
在这个科学活动中，你在一个杯子中模拟了全面水处理过程的第一步。你能够清除水中可见的悬浮颗粒吗？如果你不使用混凝剂处理水，而只是搅拌它，就不会发生水净化。正如你所注意到的，水仍然是浑浊的。但是，当你搅拌溶液并添加明矾粉末作为混凝剂时，你应该观察到通过明矾处理，颗粒会沉淀下来，并且水变得比对照组清澈得多。原因是明矾粉末（一种铝盐，或更具体地说，是 KAl(SO4)2）含有带正电荷的铝离子，这些离子能够中和水中带负电荷的颗粒。这样，颗粒就可以聚集成团，形成微絮凝物，这些微絮凝物会沉到杯底，留下清澈的水。
如果你在加入明矾粉末后不搅拌水，缺乏混合会导致带正电荷的铝离子无法与土壤颗粒接触。因此，颗粒无法被中和，也无法沉淀下来。因此，搅拌是混凝和絮凝过程中的关键步骤。如果向溶液中添加柠檬汁，改变其 pH 值，明矾在中和土壤颗粒方面的效果就会降低。溶液应该比没有柠檬汁的情况下更浑浊。向浑浊的水中添加不同量的明矾会导致不同的净化结果。在开始时，添加更多的明矾会导致更好的水净化效果。然而，添加过多的明矾可能会导致净化效率降低。此外，混凝剂和絮凝剂很昂贵，这就是为什么你要避免在水中添加超过必要量的原因；饮用水处理厂使用“烧杯试验”来确定最佳的混凝剂和絮凝剂浓度。
清理
不要喝你的任何水样——即使它们看起来清澈。在真正的水处理厂中，还会采取其他步骤来确保水可以安全饮用，并且没有被我们看不到的危险物质污染。将所有溶液倒入下水道。
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本活动由Science Buddies合作呈现
