Как да пречистим водата от замърсители?

Научен експеримент за 5. – 7. клас

Лесно е да приемем чистата вода за даденост. Свикнали сме да можем да пием вода от чешмата, когато сме жадни. Над 1 милиард души по света обаче нямат достъп до чиста вода. Част от проблема е, че пречистването на вода не е лесна задача. Не само трябва да се премахнат почвените частици и други биологични отпадъци, но също така трябва да се отстранят и всички невидими бактерии и микроорганизми, които могат да разболеят хората. В този научен експеримент ще ви предложим няколко метода за пречистване на водата, които да изпробвате с вашите ученици.

Същност на експеримента

Целта на експеримента е учениците да изследват възможностите за пречистване на природните води от различни видове замърсители, така че те да станат безопасни за пиене. За да направят това, младите изследователи проучват основните стъпки за пречистване на водата и тестват няколко собствени системи за филтриране на водата. На базата на получените резултати определят кои методи са най-ефективни и предлагат решения за пречистване на водата, в зависимост от нейната употреба – за питейни нужди, селскостопански дейности, промишлени нужди и други.

Учебни цели

След края на експеримента учениците трябва да могат да:

• обяснят понятия като утаяване, коагулация, филтриране, дезинфекциране;
• разбират по-добре екологичните проблеми;
• откриват начини за опазване на водите от битово и промишлено замърсяване.

Ключови компетентности

В хода на работа учениците развиват следните ключови компетентности:

• работа в екип;
• критично мислене;
• творческо решаване на проблемите;
• изграждане на екологично самосъзнание.

Необходими материали

Всяка от работните групи трябва да разполага със следните материали:

• хартиени филтри за кафе;
• 3 прозрачни пластмасови бутилки за вода от 500 мл;
• 1 чаша неварен ориз;
• 5 прозрачни пластмасови или стъклени чаши;
• 2 листа бяла хартия;
• химикалка или молив;
• 4 чаши вода;
• 1 чаша почва;
• 1 голям пластмасов контейнер с капак (за смесване на водата и почвата);
• линийка;
• ножица или макетен нож;
• ластик;
• таймер;
• мерителна чаша или цилиндър;
• кафена лъжичка;
• работен лист за пречистване на водата от замърсители.

Необходими знания и умения

• да имат обща представа за екологичните проблеми и въглеродния отпечатък;
• да познават основните източници на замърсяване на водите.

Теоретична постановка

Пречистването на водата е сложен и скъп процес. Най-общо, той може да бъде разделен на пет основни стъпки: аериране, коагулация, утаяване, филтриране и дезинфекция. Първата стъпка, аерирането, обогатява водата с кислород и измества по този начин други газообразни вещества, които се отделят от течността. Втората стъпка, коагулацията, представлява обединяване на почвените и другите твърди частици във водата. По този начин се образуват по-големи частици, които са по-лесни за филтриране в следващите стъпки на процеса. Третата стъпка, утаяването, позволява на гравитацията да свърши известна работа вместо нас. Гравитацията издърпва по-големите твърди частици към дъното на водния контейнер, отделяйки ги по този начин от по-чистата вода на повърхността и подготвяйки ги за следващата стъпка – филтриране. При нея се използват филтри, които отделят замърсяващите твърди частици от чистата вода. Последната стъпка е дезинфекцията. В този етап водата се обработва с химикали и/или топлина, за да се отстранят бактериите и други опасни микроорганизми, които могат да разболеят хората при поглъщане.

Ход на експеримента

Въведение

1. Запознайте учениците с целите на експеримента – те трябва да създадат няколко различни системи за филтриране на вода и да определят коя от тях пречиства водата в най-голяма степен.
2. Дискутирайте какви са причините толкова много хора по света да нямат достъп до чиста питейна вода, както и основните стъпки за пречистване, които се използват в практиката.
3. Направете мисловна карта за основните замърсители на природните води.
4. Разделете класа в три работни групи и раздайте на всеки ученик по един работен лист за пречистване на водата от замърсители. В него всеки трябва да опише основните стъпки за пречистване на водата и различните видове източници на замърсяване.

Подготовка

1. Всяка работна група трябва да смеси в големия си пластмасов контейнер водата и събраната почва. Съдът се затваря и разклаща, за да се смесят добре.
2. След това дъната на бутилките от минерална вода се отрязват внимателно с ножица или макетен нож, оставяйки основната част на бутилката и гърлото й непокътнати.
3. Учениците трябва да подготвят и по един тестов лист за всяка група, върху който да поставят получените филтрати. За целта един лист А4 се разделя на 8 сектора – 4 реда надолу и 2 колони отвесно. В квадратчетата на първата колона се записва видът на филтърната система:  ред 1: „Контрол“, ред 2: „Филтър за кафе“, ред 3: „Филтър за ориз и кафе“, ред 4: „Ориз, филтър за кафе, стипца“. Полетата във втората колона остават празни – в тях учениците трябва да поставят чашите с получените филтрати.
4. След това трябва да отлеят половин чаша от мръсната вода и да я изсипят в една от четирите прозрачни чаши. За целта използват мерителна чаша или цилиндър и измерват 100 мл вода. Към нея се прибавя 1/2 чаена лъжичка стипца и се разбърква внимателно за 3-4 минути. Какво се случва с разтвора по време на разбъркването?
5. Чашата със стипца и мръсната вода се оставя настрана да престои поне 10 минути.

Метод на работа

Бутилка № 1 пречистване с филтър за кафе

1. Работните екипи трябва да покрият гърлото на първата бутилка (Бутилка 1) с филтър за кафе. Може да се използва ластик или хартиено тиксо, с което филтърът да бъде здраво закрепен.
2. След това бутилката се обръща, така че гърлото ѝ да е обърнато надолу, и се поставя над една от прозрачните чаши.
3. С мерителна чаша или цилиндър се измерват нови 100 мл замърсена вода.
4. Докато един от учениците държи бутилката, друг член на екипа внимателно излива мръсната вода в бутилката. Трети ученик стартира таймера и засича за колко време цялата вода ще премине през филтъра и ще попадне в чашата. Полученият резултат се записва в работния лист. Има ли разлика между водата, изсипана в бутилката, и тази, която попада в чашата? Какво остава в бутилката?
5. Филтрираното количество вода се измерва с мерителна чаша или цилиндър, след което се връща обратно в прозрачната чаша. Наблюдава ли се разминаване между количеството на мръсната вода, изсипана в бутилката, и получения филтрат? На какво се дължи разликата? Какво остава в бутилката?
6. Чашата с вода от Бутилка 1 се поставя върху тестовия лист хартия – в квадратчето, до което е записано “Филтър за кафе”. 

Бутилка № 2 пречистване с филтър за кафе и ориз

1. Бутилка 1 се оставя настрана, след което по аналогичен начин се приготвя Бутилка 2, като за гърлото се прикрепва филтър за кафе.
2. Бутилката се поставя над една от прозрачните чаши по такъв начин, че гърлото ѝ да е обърнато надолу.
3. След това учениците трябва внимателно да измерят половин чаша ориз и да я изсипят вътре в бутилката така, че зрънцата да попаднат в гърлото ѝ, точно над филтъра.
4. С мерителна чаша или цилиндър се измерват нови 100 мл замърсена вода и се изсипват в Бутилка 2.
5. Засича се времето за филтриране на водата и полученият резултат се записва в работния лист.
6. Филтрираното количество вода се измерва и се връща обратно в прозрачната чаша. Наблюдава ли се разминаване между количеството на мръсната вода, изсипана в бутилката, и получения филтрат? На какво се дължи разликата? Какво остава в бутилката?
7. Чашата с вода от Бутилка 2 се поставя върху тестовия лист хартия – в квадратчето, до което е записано “Филтър за кафе и ориз”.

Бутилка № 3 пречистване с филтър за кафе, ориз и стипца

1. Бутилка 2 се оставя настрана, след което по аналогичен начин се приготвя Бутилка 3, като за гърлото се прикрепва филтър за кафе и се поставя над една от прозрачните чаши по такъв начин, че гърлото ѝ да е обърнато надолу.
2. Отново се измерва половин чаша ориз и се изсипва в бутилката.
3. Добавя се чашата с мръсна вода и стипца, приготвена в началото на експеримента, като се изсипва бавно и внимателно, за да не се нарушава целостта на утайката.
4. Записва се времето за филтриране на течността и полученият резултат се записва в работния лист.
5. Филтрираното количество вода се измерва и се връща обратно в прозрачната чаша. Наблюдава ли се разминаване между количеството на мръсната вода, изсипано в бутилката, и получения филтрат? На какво се дължи разликата? Какво остава в бутилката?
6. Чашата с вода от Бутилка 3 се поставя върху тесовия лист хартия – в квадратчето, до което е записано „Ориз, филтър за кафе, стипца“.

Контролна проба – нефилтрирана

1. В последната чиста прозрачна чаша учениците трябва да поставят 100 мл замърсена вода, предварително измерена в мерителна чаша или цилиндър. 
2. Тази чаша се поставя върху листа хартия в квадратчето, до което е написано „Контрол“.

Анализ

На този етап всяка група трябва да разполага с 4 чаши, подредени върху своя тестов лист.

1. Учениците трябва да сравнят резултатите от трите филтърни системи с контролната чаша. Коя вода е най-мръсна? А най-чиста? Ако са работили правилно, учениците ще забележат, че водата е най-чиста, когато използват филтъра за кафе, ориза и стипцата заедно. Този филтър върши най-добрата работа за почистване на водата, тъй като включва няколко различни стъпки за пречистването ѝ. Стипцата предизвиква коагулация, която се наблюдава по време на разбъркване на сместа в подготвителния етап на експеримента. След това водата остава в покой поне 10 минути, което води до утаяване за коагулираните частици. Гравитацията издърпва коагулираните вещества към дъното на чашата, оставяйки по-чиста вода на повърхността. Накрая филтрирането на по-чистата вода през ориз и филтър за кафе помага за крайното отделяне на замърсяващите частици от водата.
2. Коя филтърна система отнема най-много време за филтриране на водата и коя – най-малко? Пречистването на водата само с филтър за кафе е най-бързият метод за филтриране от трите тествани и отнема най-малко време за изпразване на бутилката. Най-бавен, съответно, е методът за пречистване с филтър, ориз и стипца, който включва най-много етапи на пречистване.
3. Коя филтърна система абсорбира най-много вода и коя – най-малко? Обикновено най-много вода преминава през филтъра за кафе. Както оризът, така и стипцата, абсорбират част от водата, така че по-малко вода попада в чашата след филтриране.
4. В зависимост от използваната система, полученият филтрат има различни физични и химични свойства и може да бъде използван за различни цели. Освен това, колкото е по-добра системата за пречистване, толкова процесът е по-скъп и бавен. Дискутирайте за какви нужди може да бъде използвана всяка от изследваните системи.

Вариации

1. Опитайте тази дейност с други домакински материали, като памучни топки, хартиени кърпи, гъби или нещо друго, което смятате, че може да е добър филтър.
2. Макар да изглежда чиста, филтрираната вода не е безопасна за пиене, тъй като не е дезинфекцирана. Ако разполагате с необходимите материали, можете да направите микробиологични посевки и да разберете какви видове микроорганизми има в пробите. Тествайте различни химични и физични методи за пречистването ѝ от микроорганизми.
3. Проучете кои са основните източници на вода във вашето населено място. По какъв начин се замърсяват те и какви системи се използват за пречистването им? Направете стратегия за намаляване на замърсяването на водите.

В този научен експеримент учениците могат да изследват различните видове филтърни системи за пречистване на водата и да оценят качествата и недостатъците на всяка от тях. Познаването на необходимите стъпки за пречистването на пресните води от замърсители помага за осмислянето на негативното влияние, което има начинът на живот на хората върху качеството и количеството на водите, а впоследствие и върху качеството на живот. Освен това дава възможност за търсене на алтернативни решения за опазването на чистотата на водите и разумната им употреба.

За статията е използван следният ресурс, който е допълнен с личния опит на автора:

Time to Spring Clean… Your Water! | STEM Activity (sciencebuddies.org)