基于光敏电阻自制简易浊度计及絮凝剂净水效果研究

徐州市第一中学高一7班

组长：冯嘉睿 组员：张喻杰 庄轶博 付光玺 狄靖凯

指导老师：张皓然

摘要： 本研究旨在利用光敏电阻的特性，设计并制作一款成本低廉、操作简便的简易浊度计。通过测量水样在不同浊度下对光束的散射程度，并将其转化为电信号（电阻值）由万用电表读取，实现对水体浊度的相对定量分析。应用此自制装置，我们系统地研究了明矾的净水效果，并对比分析了聚丙烯酰胺（PAM）和硫酸铝两种絮凝剂的净水能力差异。实验结果表明，自制浊度计能够有效反映水体浊度的变化趋势；明矾具有良好的絮凝净水作用，且存在最佳投加量；不同絮凝剂因其作用机理不同，净水效果存在显著差异。本研究为中学及大学基础环境化学实验提供了可靠的自制测量工具和实验方案。

关键词：光敏电阻，浊度检测，絮凝剂

1. 引言

水体的浊度是衡量水质好坏的重要物理指标之一，其主要由水中悬浮颗粒物（如泥沙、有机物、微生物等）对光线的散射和吸收作用造成。浊度的定量检测在水处理、环境监测、水产养殖等领域具有重要意义。商业浊度仪虽精度高，但价格昂贵，不利于教学实验的普及开展。

絮凝沉淀是水处理工艺中最常用、最关键的技术之一，其通过在水中投加絮凝剂，使胶体颗粒脱稳、聚集形成大颗粒絮体而后沉降，从而达到净化目的。明矾（硫酸铝钾）、硫酸铝等无机絮凝剂和聚丙烯酰胺（PAM）等有机高分子絮凝剂的应用极为广泛。

本研究尝试利用常见电子元件光敏电阻，动手制作一款简易浊度计，摆脱对昂贵商用仪器的依赖。并利用该装置，定量探究传统絮凝剂明矾的净水规律，并进一步对比研究无机絮凝剂硫酸铝与有机高分子絮凝剂聚丙烯酰胺在净水效果上的差异，以期为理解絮凝净水原理提供直观、可靠的实验依据。

2. 实验部分

2.1 实验材料与仪器

高功率LED灯珠（白光，5mm）、光敏电阻（GL5528）、数字万用电表（UNI-T UT39A）、黑色不透光塑料盒（自制暗箱）、烧杯（100mL, 250mL）、量筒、玻璃棒、电子天平。

干土、明矾（硫酸铝钾，分析纯）、硫酸铝（分析纯）、聚丙烯酰胺（PAM，阴离子型，分子量约1200万）、蒸馏水。

2.2 基于光敏电阻的简易浊度计制作与标定

2.2.1 装置设计与制作

本自制浊度计的核心设计为一个不透光的暗箱，其基本原理为：一束固定强度的光穿过待测水样，水样中的悬浮颗粒会对光产生散射，导致散射光增强。浊度越高，散射越强。使用与光束垂直的光敏电阻检测散射光强，并将其变化转化为电阻值的变化，通过万用电表进行测量。

具体制作如下：取一黑色塑料盒，在一侧正中开孔固定LED灯珠作为光源，并串联适当电阻确保其工作电流稳定。在暗盒垂直于光源处开孔固定光敏电阻，确保其感光面垂直于光源。光源与感光元件之间的距离固定。将光敏电阻的两极用导线引出，连接至万用电表的电阻测量档位。将盛有空白蒸馏水（零浊度标准）的比色皿置于暗盒内光源与光敏电阻之间的固定卡槽中，闭合暗盒盖，即可进行测量。

2.2.2 装置标定与浊度-电阻关系建立

配制一系列不同浓度的干土悬浊液，模拟不同浊度的水样。每份水样充分摇匀后，静置30秒以消除大气泡，然后倒入比色皿中，放入自制浊度计的固定位置，闭合暗盒，记录万用电表显示的稳定电阻值（R）。

图1-1

以干土浓度（mg/mL）作为浊度的相对度量单位，以测得的电阻值（R）为纵坐标，绘制浊度-电阻标准工作曲线。

2.3 基于自制浊度计研究明矾的净水效果

配制5.0 mg/mL的干土悬浊液若干份，每份200mL。向各份悬浊液中分别投加不同质量的明矾粉末，使其投加浓度分别为0（空白）、0.05、0.1、0.2、0.5、0.8g/L。快速搅拌1分钟，慢速搅拌5分钟。

用移液管在液面下2 cm处吸取上清液，注入比色皿中，使用自制浊度计测量其电阻值（R），并通过标准工作曲线换算为剩余浊度（单位：mg/mL）。记录不同明矾投加量下的剩余浊度值。

图1-2

图1-3

通过分析数据，可以明确明矾的最佳投加量范围以及过量投加可能产生的“胶体保护”效应。

2.4 基于自制浊度计研究不同絮凝剂的净水能力差异

配制5.0mg/mL的干土悬浊液三份，每份200mL。分别向其中投加：

a) 0.2 g/L 的明矾（作为对照）；

b) 0.2 g/L 的硫酸铝；

c) 0.001 g/L 的聚丙烯酰胺（PAM）溶液（需预先配制为0.1%的母液再稀释投加）。

采用与2.3实验相同的搅拌和静置程序。静置结束后，同样方法取上清液，用自制浊度计测量其电阻值并换算为剩余浊度。记录三种絮凝剂处理后的剩余浊度值。通过对比相同投加量（对于无机絮凝剂）或常规投加量下处理后水样的浊度，分析不同种类絮凝剂的净水效能差异。

3. 结果与讨论

3.1 自制浊度计的可行性

自制浊度计显示出良好的功能特性。测量数据显示，光敏电阻的阻值随水样中干土浓度的增加而单调递增。（此处插入图1：浊度-电阻标准工作曲线）的线性关系在0-1.0mg/mL浓度范围内良好（R² > 0.99），表明该装置能够有效区分不同浊度的水样，可用于后续絮凝效果的评估。虽然其精度不及商用仪器，但对于相对比较和趋势研究而言已经完全足够。

3.2 明矾净水效果分析

由数据可知，随着明矾投加量的增加，上清液剩余浊度先迅速下降后略有回升。当投加量为0.1 g/L时，剩余浊度降至最低，净水效果最佳。投加量不足时，絮凝不彻底；当投加量超过最佳值后（如0.8 g/L），净水效果反而下降，剩余浊度升高。这是由于过量带正电的铝离子压缩扩散层，使胶粒重新带电而再次稳定，发生了“再稳”现象。这表明在实际水处理中，确定絮凝剂的最佳投加量至关重要。

3.3 不同絮凝剂净水能力差异讨论

图1-4

图1-5

结果显示，三种絮凝剂在特定投加量下均表现出净水效果，但效能差异显著。

1.  硫酸铝与明矾：在相同投加量（0.2 g/L）下，硫酸铝的处理效果略优于明矾。这是因为明矾（KAl(SO₄)₂·12H₂O）的有效成分是Al³⁺，其分子量大于硫酸铝（Al₂(SO₄)₃）中的Al³⁺，因此相同质量下，硫酸铝提供的有效Al³⁺离子更多，电中和能力更强。

2.  PAM与无机絮凝剂：投加量极低（0.001 g/L）的PAM展现了最优异的净水效果，其剩余浊度远低于两种无机絮凝剂。这源于PAM作为高分子絮凝剂的强大桥联作用。其长分子链可同时吸附多个颗粒物，形成巨大的网状絮凝体，从而快速沉降，具有用量少、絮体大、沉降快的突出优点。

综上所述，自制浊度计成功捕捉到了不同絮凝剂在净水效能上的显著差异，证明了其作为研究工具的有效性。

4. 结论

1.  本研究成功利用光敏电阻和常见材料制作了一款简易浊度计。该装置结构简单、成本低廉，其测量信号（电阻值）与水体浊度具有良好的相关性，可用于水处理实验中的半定量分析。

2.  应用自制浊度计研究发现，明矾作为絮凝剂存在最佳投加量（本实验中为0.1 g/L），过量投加会导致净水效果恶化。

3.  对比实验表明，不同絮凝剂因作用机理不同，净水能力存在显著差异。高分子絮凝剂PAM凭借桥联作用，在极低投加量下即可达到远超传统铝盐絮凝剂的净水效果；而在相同投加量下，硫酸铝因其有效成分含量更高，净水效果略优于明矾。

4.  本方案将物理电子知识与环境化学实验相结合，自制仪器并开展探究，具有良好的实践意义。

5.参考文献

[1] 顾夏声，等. 水处理工程[M]. 北京：清华大学出版社，1985.

[2] 吴婉娥，葛红光，张克峰. 废水处理工程[M]. 北京：化学工业出版社，2003.

[3] 常青 . 絮凝原理与应用[M].北京：化学工业出版社，2021.

创新课题

经过一段时间的研究，小组成员们对光敏电阻的阻值与其与点光源之间的距离之间的关系产生兴趣，经查阅资料得知，点光源单位面积内的光能与和其中心之间的距离呈平方反比递减。即满足以下关系式：E=lcosθ/r²，若光敏电阻与点光源中心在同一直线上，且其可充分吸收该位置所接收光能，则我们设光敏电阻阻值减小值与吸收光能之间满足ΔR=kE，那么R=R原-ΔR，那么其就满足R=R原-klcosθ/r²。所以R不就与r呈平方递增吗？知道了这个猜想，组员们立即投身实践。（l表示发光强度，θ表示光线与接触面法线

实验数据：

实验过程图片：