• تعداد بازديد :
  • سه شنبه 1395/03/04
  • تاريخ :

بررسی کارآیی فیلترهای کربنی در تصفیه آب

 بررسی کارآیی فیلترهای کربنی در تصفیه ی آب

مقدمه:

آیا شما آب را قبل از نوشیدن تصفیه می کنید؟

ممکن است در خانه فیلتر آب روی شیر آشپزخانه یا یخچال داشته باشید و یا از پارچ هایی خاص که داخلشان فیلتر دارند استفاده کنید. احتمالاً تبلیغاتی در این زمینه دیده اید که این فیلترها باعث می شوند آب آشامیدنی تمیزتر و سالم تر شود.

اما آیا تا به حال از خود پرسیده اید این فیلترها چگونه کار می کنند و آیا واقعاً آب با استفاده از آنها تمیزتر می شود؟ در مورد قدرت پاکسازی این فیلترها در فعالیت علمی زیر بیشتر خواهید آموخت. در این فعالیت یک نوشیدنی رنگی را تصفیه خواهید کرد!

 بررسی کارآیی فیلترهای کربنی در تصفیه ی آب

پیش زمینه:

برای درک بهتر چگونگی کار فیلترهای آب بهتر است یک فیلتر را از نزدیک بررسی کنیم. اغلب فیلترهای مورد استفاده برای مصارف خانگی فیلترهای کربنی هستند. بدین معنا که ماده داخل این فیلترها کربن یا در واقع نوع خاصی از آن یعنی کربن فعال است.

 بررسی کارآیی فیلترهای کربنی در تصفیه ی آب

چیزی که باعث خاص بودن کربن فعال می شود این است که این نوع کربن یک فرم بسیار متخلخل (تقریباً مانند یک اسفنج) دارد و دارای منافذ میکروسکوپی بسیار زیادی است که آب را جذب می کنند. این منافذ میکروسکوپی سطح تماس داخلی بسیار زیادی را فراهم می کنند. حدود پنج قاشق چای خوری (ده گرم) از گرانول کربن فعال سطح تماسی در حدود مساحت یک زمین فوتبال دارد!

 بررسی کارآیی فیلترهای کربنی در تصفیه ی آب

هنگامی که آب از ساختار متخلخل فیلتر عبور می کند، ناخالصی ها (مانند مقادیر کم مواد شیمیایی و فلزات) می توانند توسط فرآیندی به نام جذب از آب حذف شوند. جذب هنگامی رخ می دهد که ترکیبات به صورت فیزیکی یا شیمیایی به یک سطح کربنی می چسبند و فیلمی (لایه نازک) از ماده جذب شده یا ناخالصی های شیمیایی روی سطح ماده جاذب (کربن) تشکیل می شود. به این دلیل سطح تماس ماده جاذب بسیار مهم است.

هر چه سطح تماس بیشتر باشد، شانس چسبیدن مواد ناخالص به سطح بالاتر می رود. اگر تمام سطح تماس مصرف شود، از آن به بعد ناخالصی ها در آب باقی می مانند و زمان تعویض فیلتر آب فرا رسیده است.

علاوه بر سطح تماس، مدت زمانی که آب در تماس با فیلتر کربن قرار می گیرد نیز اهمیت دارد و در بازدهی فرآیند تصفیه تأثیرگذار است. هر چه آب مدت زمان طولانی تری در تماس با فیلتر باشد (سرعت جریان کمتر) جذب بیشتری رخ می دهد. می توانید این موضوع را با انجام فعالیت زیر متوجه شوید. اکنون زمان شروع آزمایش فرا رسیده است!

 بررسی کارآیی فیلترهای کربنی در تصفیه ی آب

مواد و وسایل مورد نیاز:

نوشابه رنگی

 پنج فنجان پلاستیکی (فنجان هایی با ظرفیت دو اونس بسیار مناسب هستند.)

 قاشق غذاخوری

 کربن فعال

 زمان سنج

 فیلتر قهوه (حداقل چهار عدد)

 ماژیک دایمی

 دستمال آشپزخانه

 کاغذ سفید

 یک محیط کار که ریختن مایعات در آن مشکلی نداشته باشد.

آماده سازی:

پنج فنجان پلاستیکی را به این ترتیب نام گذاری کنید: 0، 1الف، 1ب، 2الف، 2ب.

 نیم قاشق غذاخوری کربن فعال (حدود یک گرم) در فنجان 1الف بریزید. برای فنجان 2الف نیز همین کار را انجام دهید.

 دو فیلتر دو لایه قهوه آماده کنید. برای دو لایه کردن فیلترها باید یک فیلتر را در فیلتر دیگر فرو کنید.

 زمان سنج و نوشیدنی رنگی خود را آماده کنید.

روش کار:

تعداد یک قاشق غذاخوری (حدوداً ده میلی لیتر) نوشیدنی رنگی در فنجان 0 بریزید. نوشیدنی داخل فنجان چگونه به نظر می رسد؟ آیا رنگ آن شدید است؟ نوشیدنی داخل لیوان را ببویید، آیا بوی خاصی دارد؟

 زمان سنج را روی پنج دقیقه تنظیم کنید اما آن را روشن نکنید.

 نصف قاشق غذاخوری نوشیدنی رنگی به هر کدام از لیوان های حاوی کربن فعال یعنی 1الف و 2الف اضافه کنید. (یعنی پنج میلی لیتر به هر لیوان) با دقت این لیوان ها را تکان دهید تا از مخلوط شدن مواد داخل شان مطمئن شوید. با اضافه کردن نوشیدنی به کربن فعال چه اتفاقی می افتد؟ ظاهر مخلوط چگونه است؟

 زمان سنج را بلافاصله پس از اضافه کردن این مواد روشن کنید.

 فیلتر قهوه دو لایه را روی فنجان 1ب نگه دارید. پس از اتمام زمان پنج دقیقه و به صدا درآمدن زمان سنج، محتویات لیوان 1الف (مایع و کربن فعال) را در فیلترهای دولایه قهوه بریزید. مایع خروجی از فیلتر را در لیوان 1ب بریزید. ظاهر نوشیدنی عوض شده است؟ مجدداً آن را ببویید. به نظرتان بوی آن نسبت به قبل تفاوتی پیدا کرده است؟

 زمان سنج را روی ۲۵ دقیقه تنظیم کنید و پس از اتمام تصفیه محتویات لیوان 1الف آن را روشن کنید.

 در حالی که منتظر هستید، هر از گاهی نیز لیوان 2الف را تکان دهید.

 حال فیلتر قهوه دو لایه دوم را آماده کنید و پس از اتمام زمان ۲۵ دقیقه آن را بالای لیوان 2ب نگه دارید. مایع و کربن فعال داخل لیوان 2الف را در فیلتر بریزید و آنچه که از آن بیرون می آید در لیوان 2ب جمع آوری کنید. ظاهر نوشیدنی چه تغییری کرده است؟ آیا تغییری در بوی آن احساس می کنید؟

 در انتها لیوان 0 حاوی نوشیدنی اصلی را در کنار لیوان های 1ب و 2ب بگذارید. آنها را روی یک کاغذ سفید بگذارید تا بتوانید رنگ محلول ها را بهتر ببینید. به هر سه لیوان نگاه کنید. با گذشت زمان و قرار داشتن در تماس با کربن فعال نوشیدنی ها چه تغییری کرده اند؟

 بررسی کارآیی فیلترهای کربنی در تصفیه ی آب

آزمایش های تکمیلی:

اگر از کربن فعال خوراکی استفاده کرده اید، می توانید طعم هر کدام از محلول ها را بچشید. مزه آنها در مقایسه با نوشیدنی اصلی چگونه است؟ مزه ها چطور تغییر کرده اند؟

 نوشیدنی هایی با رنگ های مختلف را امتحان کنید. آیا نتایج آزمایش در مورد تمام آنها یکسان است یا برخی از رنگ ها بهتر نتیجه می دهند؟

 اگر نسبت کربن فعال به نوشیدنی را تغییر دهید چه اتفاقی می افتد؟ این فعالیت را با مقادیر متفاوتی از کربن فعال در حجم ثابتی از نوشیدنی امتحان کنید. همچنین می توانید مقدار کربن فعال را ثابت نگه دارید و حجم نوشیدنی را تغییر دهید. آیا نسبت های مختلف از کربن فعال به نوشیدنی نتایج متفاوتی را حاصل می کند؟ به عنوان مثال با افزایش مقدار نوشیدنی و ثابت نگه داشتن مقدار کربن فعال پس از پنج دقیقه چه اتفاقی می افتد؟

 سعی کنید مواد دیگری به جای کربن فعال برای تصفیه محلول های خود پیدا کنید. به نظرتان چه مواد جاذب دیگری مانند کربن فعال عمل می کنند؟ این مواد چه خواصی باید داشته باشند؟

مشاهده و نتیجه گیری:

نوشیدنی های رنگی تنوع زیادی دارند. با نگاه کردن به نوشیدنی تان در لیوان احتمالاً متوجه شده اید که رنگ آن شدید است. بسته به رنگ یا طعم نوشیدنی ممکن است بوی میوه ای یا شیرین احساس کنید. هنگامی که نوشیدنی را داخل لیوان های حاوی کربن فعال می ریزید، تولید حباب و صدا را متوجه می شوید. دلیل آن است که با خیس شدن کربن فعال، تمام هوای داخل خلل و فرج فراوان آن توسط مایع جایگزین و در نتیجه آزاد می شود. بدین ترتیب تولید حباب و صدا قابل توجیه است.

 بررسی کارآیی فیلترهای کربنی در تصفیه ی آب

ساختار متخلخل کربن فعال

مخلوط اکنون به صورت یک دوغاب سیاه به نظر می رسد و اگر پس از گذشت پنج دقیقه آن را در لیوان 1ب تصفیه کنید متوجه می شوید که رنگ نوشیدنی بسیار کم تر می شود. همچنین بوی میوه ای آن بسیار کم و یا حتی غیر قابل تشخیص می شود. اگر لیست مواد اولیه آورد استفاده در نوشیدنی را نگاه کنید، متوجه خواهید شد که مواد اولیه ای در آن به منظور ایجاد طعم و رنگ به کار رفته اند، مانند «آبی شماره یک»، «رنگ کارامل» و یا «طعم دهنده مصنوعی».

این ها اغلب مواد شیمیایی و ترکیبات آلی هستند که به سطح کربن فعال جذب شده و در خلل و فرج آن حبس می شوند. به همین دلیل از نوشیدنی شما جدا می شوند. اگر نوشیدنی مدت زمان بیشتری در معرض کربن فعال قرار بگیرد می توان تمام رنگ آن را جدا کرد و در نهایت محلولی شفاف به دست آورد. آیا پس از گذشت ۲۵ دقیقه محلول تصفیه شده در لیوان 2ب شفاف می شود؟ هر چه نوشیدنی مدت زمان بیشتری در تماس با کربن فعال باشد رنگ و مواد شیمیایی بیشتری از آن به سطح کربن فعال جذب می شود. اگر مدت زمان کافی صبر کنید تمام رنگ و طعم آن از بین می رود.

 بررسی کارآیی فیلترهای کربنی در تصفیه ی آب

اگر نسبت نوشیدنی به کربن فعال را تغییر دهید، به این نتیجه خواهید رسید که استفاده از حجم زیاد نوشیدنی همراه با مقدار کمی کربن فعال نتیجه خوبی حاصل نمی کند. دلیل آن است که کربن فعال ظرفیت محدودی برای جذب مواد شیمیایی دارد. بدین معنا که پس از پر شدن سطح آن با مواد و ترکیبات شیمیایی، هیچ فضایی برای جذب بیشتر باقی نمی ماند. به همین دلیل لازم است فیلترهای مورد استفاده در منزل مرتب تعویض شوند.

اگر از کربن فعال قابل خوردن استفاده کرده باشید، با چشیدن طعم نوشیدنی بی رنگ متوجه تفاوت طعم آن در مقایسه با نوشیدنی اصلی شده اید. حال به فیلتر آبی که در خانه استفاده می کنید فکر کنید. شیوه کار دقیقاً به همین شکل است، بسیاری از ترکیبات داخل آب (که ممکن است برخی از آنها را نتوانید ببینید) در فیلتر کربن فعال گیر می کنند و آب سالم برای نوشیدن در اختیار شما قرار می گیرد.

تمیز کردن:

می توانید تمام محلول ها را در سینک ظرفشویی بریزید. تمام کربن فعال استفاده شده را در یک ظرف بریزید و آن را در سطل زباله بیندازید. میز کار خود را نیز با دستمال مرطوب تمیز کنید.


 منبع: Scientific American

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تنظیم: نسرین صادقی

UserName