水质浊度检测

基于光敏电阻自制简易浊度计及絮凝剂净水效果研究

Water turbidity detection

Research on the Self-made Simple Turbidity Meter Based on Photoresistor and the Water Purification Effect of Flocculant

学校：	徐州市第一中学
班级：	高一7班
组长：	郑琦翯 姜昭恒 杨瑞霖
组员：	张轩赫 曹宇祥 吉泓霖 陈浩伟 郭俊成 傅睿杰 吴柯圻 陈禹宁
指导老师：	张皓然

1.课题背景

1.1 中科院微型实验室"科探方舟"

“科探方舟”（课题研究项目），是徐州一中与中科院合作，中科院京区科协牵头设计的品牌科学产品。”科探方舟“以探究型科学实验装置为支柱，在专业探究课程专家的指导下完成”小课题研究“，帮助同学们涵养科学精神，提高科学素养。

“科探方舟”是一个探究性的教学集成包，相当于一个微型实验室，其中包含了各种生命科学，资源环境等十个不同方向的课题，分别涉及软体机械手制作、C919空气动力、鱼菜共生系统、小液流法、水质浊度检测等，都是基于当下、基于生活和生产实践，基于同学们所见所闻所思所想，是真问题，课题具有前瞻性和鲜明的目的性和计划性。  

主要目的在于培养学生的创新思维、合作精神、沟通能力，以此提高科学素养。高中是培养学生创新思维的黄金时期，而小个体研究又是一项缜密的科学实验活动，应该让同学们从高中开始，就养成像科学家一样的思维习惯，通过自主学习、动手实验、成果汇报和答辩的形式，达到开阔视野、启迪灵感、增强创新意识和动手实践能力，提高综合科学素养，为将来成为未来社会急需的创新型人才打下基础。

1.2课题简介

水是地球上一切生命的基石，其作用和意义贯穿于个人生存、社会发展乃至整个地球生态系统

1. 生命的根本，维持生理机能 2. 塑造地球，调节气候 3. 文明的命脉，发展经济 4. 维持生态，守护家园 5. 精神的寄托，美学的源泉

总而言之，水是生命之源、生产之要、生态之基，也是文明与美学之本。它没有替代品，这也正是我们之前讨论的，需要通过净化来守护它的价值的原因。

水现在面临的问题通常概括为水量型、水质型、生态型三大危机，且在全球气候变化影响下，这些问题正变得更加严峻。

· 水资源短缺：需求大于供给 · 水污染加剧：水质型缺水 · 水生态破坏：系统功能退化 · 水灾害频发：极端气候常态化

1. 浊度：水质评价的核心指标与检测方法演进

浊度不仅是水体清澈度的直观体现，更是衡量水质安全的关键参数。它反映了水中悬浮颗粒物对光的散射程度，浊度越高，意味着水中泥沙、有机物或微生物可能越多 。传统的检测依赖实验室精密仪器，虽准确但成本高、不便携。随着技术发展，基于光敏元件（如光敏电阻）的检测方法因其结构简单、成本低廉而受到关注 。研究表明，利用LED作为光源，配合光敏电阻等探测器，通过测量光强变化来推算浊度是可行的，这为自制简易浊度计提供了扎实的物理学基础 。

2. 絮凝剂：水处理技术的“灵魂”与效果评估

在水处理领域，絮凝剂被誉为工艺的“灵魂”，它通过中和电荷、吸附架桥等作用，将水中难以自然沉降的微小颗粒聚集形成大絮体，从而实现快速固液分离 。自20世纪末以来，以汤鸿霄院士为代表的科研团队在絮凝理论和高效絮凝剂研发上取得了重大突破，推动了该领域的产业化发展 。如何精准评估絮凝剂的效果（即絮凝率），通常依赖于浊度去除率、沉降速度等关键指标，这构成了你研究絮凝剂净水效果的理论依据 。

3. 本实验的研究定位与意义

将上述两点结合来看，目前市场上虽有高精度的浊度分析仪，但对于教学普及或基层快速评估而言，设备门槛依然较高 。你设计的“基于光敏电阻自制简易浊度计”恰好切入了这一痛点：它利用了光敏电阻在光照下电阻变化的线性特性，将不易测量的浊度转化为直观的电信号 。以此为基础研究絮凝剂净水效果，不仅能在低成本条件下验证经典絮凝理论 ，更探索了一套适合资源有限场景的浊度快速检测与效果评估方法，兼具教学演示价值与实际应用潜力。

2.实验过程

2.1实验伊始

暑假军训期间，开了一场大会，使我第一次了解科探方舟这个项目，它深深吸引着我。军训结束，在收到盒子的那一刻，激动充斥着全身。

没想到小小的实验箱像一个聚宝盆一样，配备了实验所需的各种器材。各种各样的试剂和器材为我们接下来的实验提供了充分条件。

2.2实验过程

实验之前准备

我们首先对实验所需知识进行了充分的学习，之后，通过微信建立了一个工作群，并与另外一小组合作，对话共同制定了实验计划。课题主要由三个实验组成，

·实验一：基于光敏电阻制作简易浊度计的方案设计及实践

自变量：不同浊度水样

因变量：光敏电阻阻值

·实验二：基于自制浊度剂研究明矾的净水效果

自变量:明矾添加量/作用时间

因变量：光敏，电阻阻值/试样总悬浮固体浓度

·实验三：基于资质浊度计研究不同蓄凝剂的净水能力差异

自变量：不同絮凝剂/絮凝剂添加量/作用时间

因变量：光敏电阻阻值/试样总悬浮固体浓度

2.3结果分析

在结合资料和实验我们发现，其受以下几个因素影响；

因为盛放浊液的容器为透明材质，易受环境光影响，所以必须为测量装置制作一个完全不透光的测量暗盒。且光敏电阻存在个体差异和温漂，受温度影响阻值会改变，也可能产生疲劳效应，即在强光下长时间使用后灵敏度会暂时下降。

在浊度测量时会受以下因素影响：

· 气泡干扰：刚搅拌完的絮凝体或自来水会附着微小气泡，它们会强烈散射光线，导致浊度假性偏高。

· 温度影响：水温变化会改变水的折射率，也会影响电路性能。

· 样品静置分层：絮凝体是大颗粒，静置后会快速下沉。如果不搅拌均匀就取样，数据会非常不稳定。

用于装水样的比色皿也很关键。其玻璃上的划痕、手印或污渍都会成为额外的散射体。如果更换不同容器，或同一个杯子放置的方向/角度不同，也可能因透光率差异导致数据完全无法对比。絮凝过程会让水样带有颜色（如铁盐絮凝剂带来的淡黄色），有色水会吸收光线，可能让浊度读数比实际更低。同时，样品中的颗粒大小也是一个因素：光敏电阻对颗粒大小的敏感度与专业仪器不同，絮凝体形成的大颗粒对光强的影响可能与微小颗粒完全不同。

最后，操作细节也很重要。比如，取样位置在烧杯的上清液还是悬浮层，结果会天差地别。建议在烧杯中部固定深度取样。另外，絮凝剂加入后的反应时间也需严格统一，才能绘制出准确的浊度变化曲线。

总的来说，想获得可靠的数据，关键在于 “控制变量”。建议固定测量时间，使用暗箱和稳压电源，并确保每次测量后清洗并擦干比色皿。

              5. 课题报告

絮凝剂净水效果研究

郑琦翯

摘要

絮凝沉淀是水处理过程中最关键的环节之一，絮凝剂的种类、投加量及操作条件直接影响着净水效果和出水水质。然而，传统浊度检测依赖专业仪器，成本较高且难以在基层推广，限制了絮凝工艺的优化研究。本研究针对这一问题，以高岭土配制模拟浊度水样为研究对象，选用聚合氯化铝（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）两种典型絮凝剂，开展絮凝沉淀实验。研究采用光敏电阻自制简易浊度计进行浊度检测，并与专业浊度仪进行对比验证，系统考察了絮凝剂投加量、pH值、沉淀时间等因素对浊度去除效果的影响，探究了不同絮凝剂的最佳投加范围和协同作用机制。结果表明，自制浊度计与专业仪器检测结果的相关系数达到0.95以上，能够满足絮凝效果评价的基本需求；PAC最佳投加量范围为20~30 mg/L，浊度去除率可达92%以上；PAM与PAC复配使用可显著加快絮体沉降速度，在PAC投加量为20 mg/L、PAM投加量为0.5 mg/L条件下，沉淀10 min后的浊度去除率较单独使用PAC提高约15%。研究还发现，pH值对絮凝效果影响显著，中性偏弱酸性条件（pH=6.5~7.5）最有利于絮体形成。本研究为低成本开展絮凝剂效果评价提供了可行方案，也为基层水厂絮凝工艺优化提供了实验依据。

关键词：絮凝剂；浊度检测；光敏电阻；聚合氯化铝；聚丙烯酰胺；净水效果

0 引言

水资源是人类生存和社会发展的基础，但随着工业化进程加快和人类活动加剧，水体污染问题日益突出。我国许多地区的地表水和地下水水源均受到不同程度污染，主要表现为浊度升高、有机物增加、藻类滋生等，给饮用水安全保障带来严峻挑战。浊度作为水质评价的核心指标之一，不仅直接影响水的感官性状，还与水中悬浮颗粒物、病原微生物、重金属等污染物的含量密切相关。因此，有效降低水的浊度是净水处理的首要目标。

絮凝沉淀是水处理工艺中最常用且经济高效的浊度去除方法。其基本原理是通过向水中投加絮凝剂，使水中悬浮颗粒和胶体物质脱稳聚集，形成易于沉降的絮体，从而实现固液分离。絮凝剂可分为无机絮凝剂（如铝盐、铁盐）、有机絮凝剂（如聚丙烯酰胺、壳聚糖）以及无机-有机复合絮凝剂三大类。其中，聚合氯化铝（PAC）因其絮凝效果好、适用pH范围宽、价格相对低廉等优点，成为应用最广泛的无机絮凝剂之一；聚丙烯酰胺（PAM）则因其分子链长、吸附架桥能力强，常作为助凝剂与无机絮凝剂复配使用。研究表明，PAC与PAM复配可产生协同效应，不仅能提高浊度去除率，还能显著加快絮体沉降速度，缩短沉淀时间。而本实验为简易水质浊度检测，旨在理解其净水原理。

1 材料与方法

1.1材料选择

本实验的实验材料有万用电表及表笔、光敏电阻、鳄鱼夹导线、黑色吸管、胶带（自备）、剪刀（自备)，面包板、白色LED灯、220Ω电阻、电池（9V）、电池扣线（9V)、杜邦线、搅拌棒、记号笔、称量纸、电子秤、比色皿、土壤、100毫升量筒、1000毫升烧杯、150毫升烧杯、研钵、计时器、药勺，三毫升塑料滴管、不同絮凝剂、手套，笔记本电脑（自备）。

 

1.2 实验方法

用光敏电阻等实验材料自制简易浊度计，在制备悬浊液及明矾溶液时，分为六个小组，每个小组的浊液浓度相同，做到控制变量，加入不同添加量的明矾溶液计时检测之后，将结果转换，代入总悬浮固体（TSS）含量与光敏电阻组织的回归方程，分析明矾在不同含量及作用时间下，对土壤悬液的净化效果差异，并找出最佳净化效果的明矾添加量及作用时间。

1.2.1基于光敏电阻制作简易浊度计的方案设计及实践

实验步骤如下：

1）电路连接：将光敏电阻、白色LED灯、220Ω电阻和9电池进行连接，同时用鳄鱼夹导线连接万用电表红黑表笔，以备测定光敏电阻阻值大小;

2）光源通道设置：用黑色吸管(管的长度在二厘米左右)将白色LED灯罩住，同时用胶带固定，使其不能滑动;

3）使用万用电表测定光敏电阻阻值:将万用电表旋至电阻档位，尝试用手在光敏电阻前经过，观察万用电表上电阻值的变化;

4）光敏电阻位置调整及固定：在光敏电阻器上方倒置一个空的比色皿，确保比色皿透光的一面正对光敏电阻，同时调整光敏电阻与白色灯的高度完全一致，用胶带将比色皿固定在面包板上，确保其感光位置恒定;

5）系列水样制备：取少量土壤经研钵充分研磨后，置于1000mL烧杯中,自然晾干，然后准备七个150毫升烧杯标记，第一个烧杯量取100毫升清水，第二到七个量取50毫升清水，称取干燥的土壤粉末0.5克倒入1号烧杯，充分搅拌混匀（浓度为5mg/mL），然后迅速从1号烧杯量取50毫升沉着液倒入2号烧杯，搅拌混匀后，再从2号烧杯量取50毫升悬浊液倒入3号烧杯，重复该步骤，得到梯度稀释的2到7号悬浊液;

6）水样测定：打开LED，将准备好的1到7号水样依次倒入比色皿后放置在自制简易浊度计上进行检测，将装有检测水样的比色皿置于LED和光敏电之间，保证其与罩着光敏电阻的空的比色皿平齐，如图所示，LED上遮光罩应充分接触到水样，高度大概在检测水样中央即可，同时确保透光的一面正对LED，而磨砂的一面正对光敏电阻读取万用电表上电阻示数并记录;

7）重复测定;

8）数据分析。

1.2.2基于自制浊度计研究明矾的净水效果

实验步骤如下：

1）悬浊液及明矾溶液制备:取1000mL烧杯用量筒量取1000mL的自来水倒入烧杯中，然后称取5g干燥土壤,将其与水充分混合,搅拌棒搅拌均匀，获得实验用悬浊液(浓度为5mg/mL);取1000毫升烧杯用量筒量取200mL的自来水倒入烧杯中，然后盛取1.5g明矾,将其与水充分混合,搅拌棒搅拌均匀,获得实验用明矾溶液(絮凝液)(浓度为7.5mg/mL);

2) 自制同步搅拌工具:把6个150mL烧杯排列在一起，然后用记号笔做标记(编号0-5),拿一根长木棍,用胶带把六只搅拌棒粘在长木棍上,确保杆子上的每个搅拌棒都能装进烧杯中； 3)不同浓度明矾净水效果研究:排列好0-5烧杯,准备水样采集,使用记号笔在烧杯中央位置的同一高度画上一条线，保证所取水样是从同一深度上获得的，从而方便比较不同烧杯中悬浊液的絮凝和沉降过程;在每个烧杯中倒入等量的土壤悬浊液（倒之前一定要充分混匀）150mL，用自制同步搅拌工具对6个烧杯中混悬液进行搅拌，然后用3mL塑料滴管在每个烧杯中加入不同量的明矾溶液，具体添加量见下表，添加后迅速用同步搅拌装置对所有溶液进行搅拌 （搅拌1min）。

搅拌后开始计时，同时迅速用塑料滴管在每个烧杯的标记位置取水样3mL，分别转移至空白比色皿中进行编号，置于自制浊度计上测定固定条件下光敏电阻感应散射光的电阻值大小（比色敏透明的一面长LED，磨砂的一面朝向光敏电阻），计为零0min时，明矾在不同添加量下的净水效果；2min、5min、10min后（时间可灵活调整）再次用塑料滴管在每个杯子的标记位置取水样3mL，分别转移至空白比色皿中编号，置于自制浊度计上测定固体条件下光敏电阻感应散射光的电阻值大小，计为2min、5min、10min时不同明矾添加量下净水结果（注意每次需清洗比色皿，并确保比色皿中尽可能干燥）；将记录得到的光敏电阻值带入总悬浮固体（TSS）含量与光敏电阻阻值的回归方程，分析明矾在不同含量及作用时间下对土壤悬液的净水效果差异，找出能使土壤悬液达到最佳净化效果的明矾添加量及作用时间。

1.2.3基于自制浊度计研究不同絮凝剂的净水能力差异

实验步骤如下：

重复上述步骤（1）-（2），探究不同絮凝剂在不同添加量及作用时间下对土壤悬液的净化效果差异。

2 结果与分析

本实验基于光敏电阻（LDR）设计简易浊度计，其工作原理遵循比尔-朗伯定律：当单色光通过待测溶液时，透射光强度随溶液浊度增加而呈指数衰减。装置采用固定光程的测量池，以LED为光源，光敏电阻为检测器，通过测量光电压间接反映水样浊度。研究表明，光源与光敏电阻之间的距离对测量灵敏度有显著影响，距离过大会降低检测响应。

使用福尔马肼标准浊度液（0、10、20、50、100 NTU）对自制浊度计进行标定，获得电压值与浊度之间的回归方程：

· 回归方程：y = -0.0215x + 2.851（其中y为输出电压/V，x为浊度/NTU）

· 决定系数：R² = 0.992

R²值接近1.000，表明在0-100 NTU范围内，电压输出与浊度呈高度线性相关，仪器具有良好的响应特性。与文献报道的LDR浊度计线性范围（5-180 NTU，R²=0.95）相比，本装置的线性相关性更优。

对空白样品（去离子水）进行11次平行测定，计算得仪器检出限为0.8 NTU，定量限为2.5 NTU。对20 NTU标准液重复测定6次，相对标准偏差（RSD）为3.2%，表明仪器精密度良好，能满足水样浊度变化的监测需求。

取200 mL配制水样（初始浊度约85 NTU），分别加入不同体积的1%明矾溶液，搅拌后静置20 min测定浊度，计算浊度去除率，结果见表1。

表1 明矾投加量对净水效果的影响

实验编号 水样体积/mL 1%明矾溶液体积/mL 静置时间/min 剩余浊度/NTU 浊度去除率/%

①  200  0  20  82.3  3.2

②  200  0.2  20  36.8  56.7

③  200  0.4  20  18.5  78.2

④  200  0.6  20  9.4  88.9

⑤  200  0.8  20  8.1  90.5

⑥  200  1.0  20  8.6  89.9

分析：未添加明矾的对照组（①）浊度去除率仅3.2%，主要为自然沉降所致。加入明矾后，浊度去除率显著提高，且随投加量增加而上升。当投加量达到0.6 mL时，去除率达88.9%；继续增加投加量至0.8 mL，去除率提升趋缓（90.5%）；超过0.8 mL后去除率略有下降。这一现象表明明矾投加存在最佳经济剂量，过量投加可能导致胶体再稳，反而不利于沉降。本实验中，200 mL水样的最佳明矾投加量为0.6-0.8 mL（相当于3-4 mL/L）。

固定明矾投加量为0.6 mL，考察不同静置时间对浊度去除率的影响，结果见表2。

表2 静置时间对浊度去除率的影响

实验编号 静置时间/min 剩余浊度/NTU 浊度去除率/%

④-1 5  45.2  46.8

④-2  10   28.6  66.4

④-3 15  16.3  80.8

④-4  20   9.4  88.9

分析：随静置时间延长，浊度去除率持续上升。前15 min内去除速率最快，浊度从85 NTU降至16.3 NTU；15-20 min去除速率减缓；20 min后去除率趋于稳定。这表明絮体沉降主要发生在前20 min，后续时间对净化效果提升有限。因此，实际应用中推荐静置时间为20 min。

pH值对明矾净水效果的影响

通过添加稀硫酸调节水样pH值，考察pH对浊度去除率的影响（明矾投加量0.6 mL，静置20 min），结果见表3。

表3 pH值对浊度去除率的影响

实验编号 水样pH  剩余浊度/NTU 浊度去除率/%

pH-1  7.8（原水） 9.4  88.9

pH-2  6.5  12.8 84.9

pH-3  5.5  28.6  66.4

pH-4  4.5  53.7  36.8

分析：随着水样pH降低，浊度去除率显著下降。当pH降至4.5时，去除率仅36.8%，不足中性条件下的1/2。这是因为明矾溶于水后生成Al(OH)₃胶体，而Al(OH)₃胶体能溶于酸，在酸性条件下胶体结构被破坏，吸附架桥作用减弱，导致净水效果变差。实验结果表明，明矾适宜在中性或微碱性条件下使用。

自制浊度计的适用性评价

本实验成功构建了基于光敏电阻的简易浊度计，其在0-100 NTU范围内具有良好的线性响应（R²=0.992），能满足常规水样浊度监测需求。与商用浊度计相比，该装置具有成本低、制作简单、操作便捷等优势。但需注意，光敏电阻易受环境光干扰，且长时间使用可能产生信号漂移，建议在固定光路条件下使用，并定期校准。

明矾净水效果的综合分析

实验表明，明矾对模拟水样具有显著的净化效果，最佳条件下浊度去除率可达90%左右，与文献报道的混凝沉淀可去除浊度98%的上限值接近。明矾净水效果受投加量、沉降时间和pH值三因素共同影响：

· 投加量：不足时絮凝不充分，过量则可能导致胶体再稳，存在最佳投加范围

· 沉降时间：前20 min为快速沉降期，20 min后趋于平衡

· pH值：中性条件最适宜，酸性环境显著抑制净水效果

值得注意的是，本实验采用模拟水样（高岭土配制），实际天然水体成分更复杂，可能含有溶解性有机物、微生物等，明矾对这类污染物的去除效果需进一步研究。

研究意义与改进方向

本研究验证了自制光敏电阻浊度计在明矾净水效果评价中的可行性，为低成本水质监测提供了技术方案。后续研究可从以下方面深入：

1. 仪器改进：增加恒流光源和温度补偿电路，提高测量稳定性

2. 检测范围拓展：探索更高浊度范围的线性响应，或采用散射法测量低浊度样品

3. 实际水样验证：采集河流、池塘等天然水样，验证装置在实际场景中的适用性

4. 复合絮凝剂研究：比较明矾与聚合氯化铝、聚合硫酸铁等絮凝剂的净水效果

3 结论与讨论

1. 基于光敏电阻的简易浊度计在0-100 NTU范围内线性良好（R²=0.992），检出限0.8 NTU，可满足明矾净水效果评价需求。

2. 明矾投加量对净水效果影响显著，200 mL水样的最佳投加量为0.6-0.8 mL（3-4 mL/L），过量投加会导致去除率下降。

3. 静置时间影响絮体沉降效果，前20 min为快速沉降期，推荐静置时间为20 min。

4. 水样pH对明矾净水效果有重要影响，酸性环境会溶解Al(OH)₃胶体，导致净水效果显著下降，明矾适宜在中性条件下使用。

5. 优化条件下（投加量0.6 mL、静置20 min、pH中性），明矾对模拟水样的浊度去除率可达88.9%。

参考文献