林啟興

活動背景

鏡平STEAM教學模式的目標是打破各學科之間隔閡，讓學生能夠綜合地將各科知識應用于同一個研究或設計元素中。但打破各科的隔閡并不等于放棄各科的基礎知識，反而學生對于各科基礎知識的掌握更為至關重要。課程的目標是讓學生能夠在掌握各學科科學理論知識的基礎上，作分析討論并確實應用到工程上。只有從頭體驗，把科學的理論、工程的應用、技術的優(yōu)化完整經(jīng)歷一次，才是打破各個學科隔閡的關鍵，才能真正達到學以致用的目標，解決一直以來科學知識只能應用于測驗考試之用的偏頗想法，也可避免片面地追求應用技術，過分強調(diào)實物化、產(chǎn)品化的趨勢。為此，我們擬通過制作濾水器活動，讓學生在整個過程中有所收獲。

活動重點和難點

重點：學習污水的類型，學習污水處理的各種方法。

難點：實驗設計，對濾水器設計方案的評價。

活動內(nèi)容

學習常用的污水處理方法

沉積法沉積法是凈化水最簡單的方法，可除去水中較大和較重的固體雜質。該法利用靜置水中小顆粒懸浮的雜質（懸浮物）因重力而自然沉降的原理分離水與雜質。為了促進沉淀，還可以加入混凝劑等化學物質，使雜質與混凝劑聚成較大物質而加速沉淀。最常見的混凝劑是明礬，明礬價格便宜、沒有毒性。當混濁的水加入超過一定量的明礬時，便會產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象。明礬會水解生成吸附能力很強的氫氧化鋁膠體，使水中不易沉淀的膠粒及微小懸浮物相互聚結、吸附，從而形成較大的絮粒沉降下來。

過濾法原水經(jīng)過單純沉淀或是混凝沉淀后，仍然含有許多微細雜質，因此，一般沉淀水無論其處理效果如何良好，皆不適合直接當作凈水飲用，而必須進一步加以過濾。常用的過濾材料是細砂，其原理是當水流經(jīng)細砂濾層時，雜質因無法通過細砂間微小的孔隙而與水分開。

蒸餾法此法通過加熱煮沸水，使水蒸發(fā)再凝結收集，優(yōu)點為可去除重金屬、農(nóng)藥和細菌、病毒，水質較純凈、安全，是戶外野炊常見的簡易凈水方法。缺點是部分沸點比水低的揮發(fā)性化學物質（如三鹵甲烷）也會隨蒸餾水進入收集桶中，另外，水體還缺乏人體必需的礦物質。

煮沸法此法通過加熱煮沸水，利用高溫殺死細菌和病毒，是一種古老的方法，在國內(nèi)普遍應用。缺點是無法去除部分化學物質和重金屬，即使含量極低。

RO逆滲透法RO薄膜為半透膜，是一種多孔的材質，水只能從一面流入，不會回流。薄膜孔徑極小，約0.000 l微米（只有毛發(fā)直徑的五千分之一），水分子剛好可以通過小孔，而其他比水分子大的細菌、病毒、各種化學有毒物質（如重金屬）都無法通過。其原理是在原水端加壓，使純凈的水分子穿過RO薄膜產(chǎn)生純水，同時將無法穿透的各種雜質及有害物質隨著濃縮廢水排放。但此法成本較高。

活性炭過濾法活性炭主要由果殼、椰殼等含碳材料制成，是一種多孔炭，外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙結構發(fā)達，具有很強的吸附能力，能有效吸附水中異味、色素、有機污染物等污染性物質，并能吸附自來水中殘留的余氯。缺點是無法去除細菌和重金屬污染。經(jīng)多次過濾后，活性炭的吸附性會減弱。

離子交換樹脂濾水法（軟水器） 利用鈣、鎂、鐵、錳等硬度離子與交換樹脂結合力比鈉離子強的原理，使交換樹脂的鈉離子與水中硬度離子發(fā)生交換作用，以除去水中部分金屬離子和硬度。缺點是不易排除有機毒物和色素，且可能造成水中鈉含量過多。

污水處理的設計與模擬

水污染包括工業(yè)廢水、生活污水、禽畜排泄物等。各類水體污染物包括化學污染物（如重金屬、肥料中的硝酸鹽）、有機污染物（如油脂）、生物污染物（如毒素、病原體）、物理污染物（如熱污染）。

為改進水質，污水需經(jīng)收集和處理才可排放。污水處理程序是應用化學和生物的處理方法以降低污染物濃度或消除污染物。本實驗模擬污水處理的過程，針對廢水含有化學污染物，如有毒重金屬離子（如銅、鉛和鐵離子等），擬通過沉淀過程降低此類污染物的濃度，并簡化其移除程序。

濾水器的設計

喝水對大部分人而言或許是日常生活中再普遍不過的一件事了。不過，在某些地區(qū)與狀況中，由于水源的污染或環(huán)境條件的影響，能取用到一口干凈的水卻不是件容易的事。那如何才能將生活污水、農(nóng)業(yè)污水、工業(yè)污水還原成無色、無味、可飲用的白開水呢？

針對生活污水、農(nóng)業(yè)污水、工業(yè)污水中的雜質，與組員討論應如何設計濾水器，并選擇合適的濾材開展凈化實驗。通過設計實驗 寫出實驗步驟（實驗裝置） 記錄實驗結果分析實驗結論，分別考察不同濾材的凈水效果、濾水物料擺放順序對凈水效果的影響、濾水物料的用量對濾液流速的影響，并依據(jù)實驗結果設計凈化生活污水、農(nóng)業(yè)污水、工業(yè)污水的濾水器。

濾水器的濾水效能評價

常規(guī)的水質評價指標主要包括pH值、色度、濁度、導電率、鹽度、溶解氧（DO），化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）。

◇pH值代表水的鹽堿度，水pH值的允許范圍一般在6.5 - 8.5。就天然水域而言，其pH值的變化范圍是比較小的。

◇色度。一般的水是透明的。當水中含有其他有顏色的可溶物質時，色度就高。

◇濁度是用來表示水質混濁程度的。當水中含有懸浮物質，就會造成混濁，使光線通過時產(chǎn)生干擾。簡單來說，濁度就是所謂的透明度。

◇導電率代表水中所含有的離子量。導電度越高，表示含有腐蝕或水垢生成要素的物質越多;導電度越低，水中所含離子或導電物質含量越少。一般淡水的導電率是比較低的。

◇鹽度代表水中含有的氯離子量。水中鹽度越低越接近淡水，蒸餾水的鹽度為0。

◇溶解氧。自然界的水由于與大氣接觸，或多或少都溶解有氧氣，這些氧氣稱為水中溶氧。水體中溶氧濃度經(jīng)常受到系統(tǒng)中生物、物理及化學物質的影響。

◇化學需氧量指水中有機物質在酸性及高溫條件，經(jīng)由強氧化劑將其氧化成CO，與H：O所用的氧量。與生化需氧量類似，化學需氧量值的大小可表示水中有機物的多少，用以指示水中有機物污染的程度。

◇生化需氧量指水中有機物質在某一特定時間及溫度下，由于微生物的生物化學作用所耗用的氧量。生化需氧量的大小可表示生物可分解的有機物的多少，用以指示水中有機物污染的程度。

撰寫設計方案

設計方案主要由4部分構成：第1部分，寫出選用的材料與工具;第2部分，繪制濾水器設計圖，需要標明每層材料名稱、厚度、放置順序、每種材料起到的作用等信息;第3部分，記錄結果;第4部分，進行可行性分析。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果科技教育方案類一等獎。

專家評語

該方案通過濾水器的設計與制作，致力于組織學生開展基于相關學科基礎知識，又能跳出單一學科，把各科知識綜合運用于同一個研究或設計項目的實踐學習活動，形成解決實際問題的能力。同時通過活動培養(yǎng)學生的環(huán)保和服務社會的意識。活動取材簡單、成本低廉、易于推廣。