關鍵概念
吸附
活性炭
物理學
化學
淨水器
簡介
你在飲用自來水之前會過濾嗎？ 也許你在家裡的水龍頭、冰箱上安裝了淨水器，或者使用帶有過濾器的特殊水壺。 你可能聽過廣告聲稱這些過濾器使你的飲用水更清潔、更安全。 但是你有沒有想過，這些過濾器究竟是做什麼的，以及最終的水是否真的更清潔？ 在這項活動中瞭解淨水器的清潔能力——但結果是你可以看到的。 你將“清潔”有色的運動飲料或有色蘇打水！
背景
要了解淨水器的工作原理，最好看一下過濾器內部。 大多數用於家庭水處理的過濾器都是碳過濾器。 這意味著過濾器內部的材料是碳或其特殊形式，稱為活性炭。 活性炭的特殊之處在於它是一種非常多孔的碳形式——幾乎像海綿——並且有許多微小的微孔可以吸收水分。 所有這些小微孔創造了巨大的內表面積。 大約五茶匙（10 克）顆粒狀活性炭的表面積大約相當於一個足球場的面積。
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當水或液體流經過濾器的多孔結構時，雜質（例如少量化學物質或金屬）可以透過稱為吸附的過程去除。 當化合物物理或化學地附著在碳表面時，就會發生吸附，並且在吸附劑（碳表面）上形成吸附質或化學雜質的薄膜。 這也是表面積重要的原因。 表面積越大，雜質可能結合的位點就越多。 如果所有結合位點都被佔據，那麼雜質仍然留在水中，就該更換淨水器了。 除了表面積之外，水與活性炭接觸的時間也是決定過濾過程效率的重要因素。 接觸時間越長或水流速度越慢，吸附作用就越能發生。 在此活動中親自體驗一下。 是時候開始你自己的吸附實驗了！
材料
有色運動飲料或有色蘇打水
五個塑膠杯（兩盎司杯子效果最佳。）
湯匙
活性炭（你可以從寵物店買到。 如果你想品嚐你的結果，請使用食品級活性炭。）
定時器
咖啡過濾器（至少四個）
記號筆
紙巾
白紙
一個可以容忍少量液體飛濺的工作區域
準備工作
標記五個兩盎司塑膠杯，分別標為：0、1a、1b、2a 和 2b。
使用半湯匙活性炭（約 1 克）填充 1a 杯。 對 2a 杯做同樣的操作。
準備兩個雙層咖啡過濾器。 將一個過濾器插入另一個過濾器以形成兩層。
準備好你的定時器和有色運動飲料。
步驟
拿起空的二盎司塑膠杯，標記為 0，加入約一湯匙（約 10 毫升）的有色運動飲料或蘇打水。 杯子裡的飲料看起來怎麼樣？ 顏色很濃嗎？ 聞一下杯子裡的運動飲料。 它有特殊的氣味嗎？
將你的定時器設定為五分鐘。 暫時不要啟動它。
在標有 1a 和 2a 的兩個裝有活性炭的杯子中，分別加入約半湯匙有色運動飲料（每個杯子約 5 毫升）。 小心旋轉每個杯子，確保溶液與活性炭充分混合。 當你將溶液新增到活性炭中時會發生什麼？ 混合物看起來怎麼樣？
在你裝滿兩個杯子後立即啟動你的定時器。
拿起雙層咖啡過濾器，並將其放在 1b 杯上方。 一旦定時器在五分鐘後響起，將 1a 杯中的內容物（液體和活性炭）倒入雙層咖啡過濾器中。 將流過過濾器的液體收集在 1b 杯中。 運動飲料的外觀改變了嗎？ 如何改變？ 再次聞一下液體。 與原來的運動飲料相比，你注意到有什麼不同嗎？
將你的定時器設定為 25 分鐘，並在你完成從 1a 杯中過濾溶液後立即啟動它。
在等待時，偶爾旋轉 2a 杯。
現在準備你的第二個雙層咖啡過濾器，一旦你的定時器在 25 分鐘後響起，將其放在 2b 杯上方。 將 2a 杯中的液體和活性炭倒入過濾器中，並將液體收集在 2b 杯中。 與原來的運動飲料和 1b 杯中的溶液相比，這種溶液看起來怎麼樣？ 你注意到氣味有任何變化嗎？
最後，將 0 號杯與你原來的運動飲料、1b 杯和 2b 杯排成一行。 將它們放在一張白紙上，以便你能更好地看到溶液。 看看所有三個杯子。 當運動飲料與活性炭接觸時，隨著時間的推移，它發生了什麼變化？
額外內容： 如果（且僅當）你使用了食品級活性炭，你可以品嚐你每種溶液。 與原來的運動飲料相比，你注意到有什麼不同嗎？ 味道如何變化？
額外內容： 嘗試不同顏色的運動飲料或蘇打水。 你看到所有飲料的效果都相同，還是其中一種飲料的效果比其他飲料更好？
額外內容： 如果你改變活性炭和液體的比例會發生什麼？ 用相同體積的運動飲料中不同量的活性炭嘗試此活動。 或者改變你的溶液的體積，並保持活性炭的量不變。 不同的活性炭-液體比率會導致不同的結果嗎？ 例如，當你向相同量的活性炭中新增更多運動飲料時，五分鐘後你看到了什麼？
額外內容： 嘗試尋找活性炭以外的其他材料來清潔你的溶液。 你能想到其他可以像活性炭一樣工作的吸附材料嗎？ 這種材料需要具備什麼特性？
觀察和結果
運動飲料有多種顏色。 看著塑膠杯中你純粹的飲料，你可能會發現顏色非常濃郁。 根據顏色或口味，你可能會注意到水果味或甜味。 當你將飲料倒入裝有活性炭的杯子中時，你是否看到它冒泡和起泡？ 這是因為一旦活性炭變溼，其許多孔隙內部的所有空氣都會被液體取代，因此會被釋放出來，從而導致冒泡和起泡。
混合物現在看起來像黑色的漿液，如果你在五分鐘後將其過濾到 1b 杯中，你可能會注意到溶液的原始顏色已經變得不那麼濃郁了。 水果味可能非常微弱，甚至無法辨認了。 如果你檢視你的運動飲料或蘇打水的配料表，你可能會發現列出了一些特定的配料，這些配料使飲料具有顏色和風味，例如“藍色 1 號”、“焦糖色”或“人造香料”。 這些大多是化學物質或有機化合物，它們會吸附到活性炭表面並被困在其孔隙空間中。 因此，它們將從你的飲料中去除。 當用活性炭處理你的運動飲料更長時間時，你甚至可以去除其所有顏色，這樣你最終會得到幾乎透明的溶液。 在你 25 分鐘後過濾掉活性炭後，你的運動飲料在 2b 杯中看起來是透明的嗎？ 飲料與活性炭接觸的時間越長，其顏色和香味化學物質就越能吸附到碳表面。 如果你等待足夠長的時間，所有的顏色和氣味都會消失。
但是，如果你嘗試調整液體體積和活性炭量的比例，你可能會發現，如果你有很多液體而只有很少的活性炭，你將無法完全去除顏色。 這是因為活性炭的吸附能力有限，這意味著一旦表面積完全被顏色和風味化合物覆蓋，就沒有空間再吸附更多物質了。 這也是你必須定期更換家中淨水器的原因。
如果你使用了食品級活性炭並品嚐了無色的運動飲料，它可能根本嚐起來不像原來的飲料！ 現在想想你在家使用的淨水器——它的工作原理完全相同。 許多化合物（甚至一些你看不見或嘗不到的化合物）將被困在活性炭過濾器中，剩下的唯一東西就是供你飲用的水。
清理
你可以將所有溶液倒入水槽。 將活性炭收集在一個容器中，並與你的日常垃圾一起丟棄。 用溼紙巾擦拭你的工作區域。
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