核心概念
物理學
化學
水處理
飲用水
引言
你知道你的飲用水來自哪裡嗎？當然，它來自你的水龍頭。但它是如何到達那裡的？世界各地的飲用水都來自地表水（如湖泊、水庫和河流）或地下水源（如地下水）。但你想直接喝來自河流或湖泊的水嗎？可能不想；它們可能非常髒！為了變得清潔和安全，這些水首先要經過幾個處理過程；第一個過程稱為混凝和絮凝。這些過程有助於去除水中的顆粒，並將渾濁的髒水變成清澈的水：在這個活動中親眼看看吧！
背景
地表水通常含有土壤顆粒或絮凝物——有機物和汙垢，這些物質使水看起來渾濁不清。漂浮在水中的固體稱為總懸浮固體 (TSS)。它們通常非常小而輕，需要很長時間才能沉到水體的底部。這是一個問題，因為潛在的危險細菌會附著在這些微小顆粒上，這使得水不安全飲用。
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在地表水變成安全清潔的飲用水之前，必須經過幾個處理步驟。這種淨化發生在飲用水處理廠，其中第一步是使用混凝和絮凝的組合過程去除懸浮固體。在此步驟中，將稱為混凝劑和絮凝劑的化學物質新增到水中；它們有助於將所有小顆粒聚整合更大的顆粒，以便它們由於尺寸和重量的增加而更容易沉到水源底部。水中的大多數懸浮固體都帶有負表面電荷，因此會相互排斥，這阻止它們粘在一起並保持懸浮狀態。然而，如果將帶有相反（正）電荷的化學物質新增到水中，顆粒就會變得中和，並能夠粘在一起形成更大的顆粒或所謂的“微絮凝物”。這些會更快地沉降下來，水會變得更加清澈。你認為新增通常用作混凝劑的明礬後，你的水會變得多幹淨？準備好在這個科學活動中找到答案吧！
材料
來自你的花園或其他來源的乾燥細土
細網篩或濾器
研缽和研杵
大型攪拌碗
自來水
量匙
兩個茶匙
至少四個透明杯子，玻璃或塑膠
定時器
明礬，可在大多數雜貨店的香料區買到
微波爐
紙和筆或鉛筆（可選）
檸檬汁（可選）
用於接住溢位物的廚房毛巾（可選）
準備
從你的花園或其他來源收集一些乾燥的土壤。
使用細網篩過濾掉較大的材料，如石頭或樹枝和樹葉。
將過篩的土壤轉移到研缽中，並充分研磨，直到得到非常細的均勻土壤粉末。
取一茶匙細磨的土壤，放入碗中。
將土壤與約一升自來水混合，製成渾濁的土壤溶液。土壤顆粒不應輕易沉澱，並且混合後溶液應保持渾濁。
透過在約三茶匙自來水中加入四分之一茶匙明礬粉末來製備您的混凝劑-絮凝劑溶液。（您可能需要在微波爐中加熱溶液以使粉末溶解。）攪拌溶液直到所有明礬粉末溶解。
在一個可能會弄溼和弄髒的表面上進行此活動；為了防止溢位，您可能需要在附近準備好廚房毛巾。
步驟
將兩個杯子倒入一半的製備好的土壤溶液中。（確保在將碗中的製備好的土壤溶液倒入杯子之前先攪拌一下。）
其中一個杯子將用作你的對照，另一個用於明礬處理。（您可以相應地標記它們為“對照”和“明礬處理”。）
將你的計時器設定為兩分鐘，並啟動它。
在每個杯子中用一個勺子，儘可能快地攪拌兩個土壤溶液兩分鐘（不要溢位）。您可以小心地用一隻手攪拌兩個杯子，或者讓助手攪拌其中一個杯子。攪拌完成後，土壤溶液看起來如何？ 它非常渾濁嗎？
停止攪拌，並將你的計時器設定為五分鐘。
啟動計時器並觀察兩個土壤溶液五分鐘。攪拌後五分鐘內，土壤溶液會發生什麼變化？ 它會一直保持不變嗎？你看到土壤顆粒沉到水底嗎？
五分鐘後比較兩個杯子。它們看起來不同嗎？其中一個比另一個更渾濁嗎？如果沒有，你認為為什麼會這樣？如果是，原因可能是什麼？
現在，取出您準備好的明礬溶液，並將其中的四分之一茶匙新增到您標記為“明礬處理”的杯子中。不要向“對照”杯中新增任何東西。
將你的計時器設定為兩分鐘並啟動它。
再次，取兩個勺子，儘可能快地攪拌兩個杯子兩分鐘（不要溢位）。
停止攪拌，並將你的計時器設定為五分鐘。
啟動你的計時器並再次觀察兩個杯子五分鐘。這次你看到了什麼？兩個杯子裡的水都渾濁還是你注意到用明礬處理過的土壤溶液有差異？
觀察兩個杯子更長的時間（最多 15 分鐘）以跟蹤絮凝過程。你看到其中一個杯子裡的水變得更清澈了嗎？需要多長時間才能完全清澈？
拿出兩個新杯子，再次標記它們為“對照”和“明礬處理”。
將它們都倒入你一開始準備的相同土壤溶液中。（確保在將碗中的土壤溶液倒入兩個杯子之前先攪拌一下。）
向您標記為“明礬處理”的杯子中新增四分之一茶匙的明礬溶液。
這次不要攪拌溶液，只需觀察七分鐘會發生什麼。你看到“明礬處理”杯子中發生的事情與你之前攪拌時看到的一樣嗎？七分鐘後兩個杯子裡的土壤溶液看起來一樣嗎？你認為為什麼會這樣？
等待七分鐘後，開始儘可能快地攪拌兩個溶液兩分鐘（不要溢位），然後觀察杯子再過五分鐘。攪拌溶液後會發生什麼？你認為攪拌溶液會產生什麼影響？你的水現在變得更清澈了嗎？
額外：探索水的特性如何影響絮凝過程。準備兩個裝有渾濁土壤溶液的杯子，並在每個杯子中加入兩茶匙檸檬汁。這會改變土壤溶液的 pH 值。現在，向其中一個杯子中加入四分之一茶匙的明礬溶液，並將它們攪拌兩分鐘。觀察攪拌後會發生什麼。你看到明礬處理的杯子裡有絮凝物形成嗎？檸檬汁如何改變絮凝過程？
額外：明礬的量如何改變土壤溶液中的絮凝形成？透過在一升自來水中加入 7.5 克明礬來製備明礬溶液。然後準備三個或四個裝有渾濁土壤溶液的杯子。向每個杯子中加入不同量的明礬溶液（例如零、一、三和五毫升），並將它們全部攪拌兩分鐘（當然需要幫助）。攪拌後觀察杯子。攪拌後，你看到三個或四個杯子有差異嗎？所有的水溶液都從渾濁變為清澈了嗎？
觀察和結果
在這個科學活動中，你在一個杯子中模擬了全面水處理過程的第一步。你能夠清除水中可見的懸浮顆粒嗎？如果你不使用混凝劑處理水，而只是攪拌它，就不會發生水淨化。正如你所注意到的，水仍然是渾濁的。但是，當你攪拌溶液並新增明礬粉末作為混凝劑時，你應該觀察到透過明礬處理，顆粒會沉澱下來，並且水變得比對照組清澈得多。原因是明礬粉末（一種鋁鹽，或更具體地說，是 KAl(SO4)2）含有帶正電荷的鋁離子，這些離子能夠中和水中帶負電荷的顆粒。這樣，顆粒就可以聚整合團，形成微絮凝物，這些微絮凝物會沉到杯底，留下清澈的水。
如果你在加入明礬粉末後不攪拌水，缺乏混合會導致帶正電荷的鋁離子無法與土壤顆粒接觸。因此，顆粒無法被中和，也無法沉澱下來。因此，攪拌是混凝和絮凝過程中的關鍵步驟。如果向溶液中新增檸檬汁，改變其 pH 值，明礬在中和土壤顆粒方面的效果就會降低。溶液應該比沒有檸檬汁的情況下更渾濁。向渾濁的水中新增不同量的明礬會導致不同的淨化結果。在開始時，新增更多的明礬會導致更好的水淨化效果。然而，新增過多的明礬可能會導致淨化效率降低。此外，混凝劑和絮凝劑很昂貴，這就是為什麼你要避免在水中新增超過必要量的原因；飲用水處理廠使用“燒杯試驗”來確定最佳的混凝劑和絮凝劑濃度。
清理
不要喝你的任何水樣——即使它們看起來清澈。在真正的水處理廠中，還會採取其他步驟來確保水可以安全飲用，並且沒有被我們看不到的危險物質汙染。將所有溶液倒入下水道。
更多探索 飲用水：水處理，來自美國疾病控制與預防中心
混凝-絮凝，來自可持續衛生和水管理 (SSWM)
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本活動由Science Buddies合作呈現
