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

学 校：徐州市第一中学

班 级：9班

组 长：王曦晨

组 员：胡文博 张宸瑞 姜伯岩 陆博文

指导老师：张皓然

徐州市第一中学

二○二六年二月

一、 课题背景

1.水质安全的核心关切与浊度的指示意义

水是生命之源，其安全性直接关系到公众健康与生态平衡。在众多水质指标中，浊度不仅是最直观的物理性状指标，更是评价水体质量的关键参数。它反映了水中悬浮颗粒物对光的散射程度，其高低不仅影响水体感官性状（如清澈度），更与水中微生物（如细菌、病毒）和污染物的含量密切相关。研究表明，降低浊度能显著提高消毒效率并减少消毒副产物的生成，因此，浊度被各国水质标准（如我国《生活饮用水卫生标准》）列为强制性监测指标。

2.现有检测技术的局限性与改进需求

目前，浊度的检测主要依赖实验室方法（如分光光度法）和在线仪器法。尽管现有的国家标准方法（如GB/T 5750.4-2023中的目视比浊法和福尔马肼散射法）具有较高的准确性，但在实际应用中仍面临挑战。

一方面，传统实验室方法操作繁琐、试剂消耗大，且难以满足现场快速检测和连续在线监测的需求；另一方面，不同原理的浊度计对于颗粒物粒径、颜色的响应存在差异，导致在特定水体（如低浊度水、高色度水）的检测中可能出现数据偏差。

此外，随着互联网技术的发展，如何实现浊度监测的智能化、低功耗化和远程化，成为当前环境监测领域的研究热点。

3. 本研究的目的与意义

基于上述背景，本研究旨在探究一种基于散射光原理的浊度快速检测方法。通过实验，期望能为水质浊度的精准、快速检测提供数据支持，为保障饮用水安全和环境水质管理保护提供科学依据。

二、 实验过程

1.实验伊始

暑假期间，学校布置了“科探方舟”实验相关课题并告知我们每个课题小组会拿到一个辅助研究的实验箱。面对一个全新的课题和尚未熟悉的小组成员，我们一开始感到迷茫，但大家的心中更多的是对实验箱的期待。经过一段时间的等待，实验箱终于发到了我们手上，当时的心情激动而兴奋，我们认真地拍摄了开箱视频。打开实验箱的那一刻我们仿佛被带入了一个奇妙的科学世界，箱内配备了实验所需的各种器材，为我们接下来的探究提供了充分的条件。

2.实验过程

实验前我们首先对实验所需知识进行了充分的学习和讨论，之后，我们迅速组建了属于我们几个共有的实验工作群，这样即使我们不能时常聚到一起也可以通过实验群进行充分的沟通和讨论。经过沟通，我们共同制定了实验计划，课题主要由三个实验组成。

实验一：自变量：不同浊度水样

因变量：光敏电阻阻值

实验二：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：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

3.结果分析

实验发现，随着水样中总悬浮固体（TSS)含量的增加，光敏电阻的电阻值逐渐减小，两者呈负相关关系；在实验过程中，水中的悬浮物是否均匀分散、LED灯泡的亮度、电池电量、光线均会对光敏电阻的阻值产生一定影响。

实验后通过分析数据发现，自制浊度计在检测明矾对土壤悬液的净化效果中所得数据与预期相符。就同一明矾含量的土壤悬液试样而言，随着静置时间延长，试样中总悬浮固体浓度的变化规律是悬浮固体浓度呈下降趋势。就静置一段时间而言，明矾的含量对试样的水质净化效果有影响，表现为净化效果先增强，后到达峰值。

经过实验测得不同絮凝剂的净水效果存在显著差异：其中硫酸铝的净水效果最弱，聚丙烯酰胺的净水效果最强。三组实验中，硫酸铝组测得该组中#2组净水效果达到峰值，聚合氧化铝组测得该组中#3组净水效果达到峰值，聚丙烯酰胺组测得该组中#5组净水效果达到峰值。

三、 课题报告

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

王曦晨 胡文博

【摘要】水质浊度是指水体中悬浮颗粒物质对光线散射和吸收作用所导致的光学性质变化程度，是评价水体质量的核心指标之一。传统浊度监测主要依赖实验室分析和现场采样，包括分光光度法和目视比浊法等国际标准方法。这些方法虽然测量精度较高，但存在明显局限性。近年来，浊度监测技术呈现多元化发展趋势。

引言

水质浊度是指水体中悬浮颗粒物质对光线散射和吸收作用所导致的光学性质变化程度，是评价水体质量的核心指标之一。浊度的高低直接反映水体中悬浮物（包括有机/无机颗粒物、浮游生物、微生物等）的含量，进而影响水生态系统的健康状态和水资源的可利用性。随着工业化进程加快和城市化的快速发展，水体污染事件频发，对高效、低成本的水质监测技术需求日益迫切。

传统浊度监测主要依赖实验室分析和现场采样，包括分光光度法和目视比浊法等国际标准方法。这些方法虽然测量精度较高，但存在明显局限性：采样-运输-检测流程耗时较长、人力成本较高，且难以实现大范围、高频次的实时监测。特别是在突发性水污染事件（如尾矿泄漏、工业废水异常排放等）发生时，传统方法的响应速度往往难以满足应急监测需求。

近年来，浊度监测技术呈现多元化发展趋势。遥感监测利用卫星或航空平台获取的多光谱数据，实现了大范围水体浊度的周期性反演，成为宏观水质监测的重要手段。与此同时，基于光电检测原理的传感器技术快速发展，全国多所科研机构相继研发出基于光散射原理的浊度传感器，通过测量90度散射光强或散射光与透射光的比值来实现浊度定量检测。这些技术进步为低成本、便携式浊度检测设备的研发奠定了理论基础。

1. 实验过程

在正式着手实验前，我们小组通过充分的学习和讨论提出了两个大胆的假设：

假设1：随着水体浊度增加，光敏电阻接收到的光强减弱，其阻值会相应增加，且浊度与阻值之间呈正相关。

假设2：投加絮凝剂（如明矾）能显著降低水体的浊度，处理后水样的浊度显著低于未经处理的对照组；絮凝剂的净水效果并非越多越好，而是存在一个最佳投加量。低于该剂量絮凝不充分，高于该剂量则可能导致胶体再稳，浊度反而升高；絮体沉降需要时间，水体浊度会随着静置沉降时间的延长而逐渐降低，并在一定时间后达到相对稳定的状态。

实验材料：面包板、光敏电阻、白色LED灯、220Ω电阻、电池（9V）、电池扣线（9V）、杜邦线、鳄鱼夹导线、万用电表、黑色吸管、150ml烧杯、1000ml烧杯、100ml量筒、比色皿、土壤、研钵、电子秤、称量纸、搅拌棒、记号笔、药勺、塑料盒、胶带、剪刀、电脑。

课题组成

课题一：基于光敏电阻制作简易浊度计的方案设计及实践。

通过查阅资料了解到，一束平行光在透明液体中传播，如果液体中无任何悬浮颗粒存在，那么光束在直线传播时不会改变方向；若有悬浮颗粒、光束在遇到颗粒时就会改变方向。这就形成所谓散射光。颗粒愈多（浊度愈高）光的散射就愈严重。

 实验步骤：

(1)电路连接：将光敏电阻、白色LED 灯、220欧姆电阻和9V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 LED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（5g左右）经研钵充分研磨后置于1000ml烧杯中，自然晾干，然后准备7个150ml烧杯标记，第1个烧杯量取100ml清水，第2-7个量取 50ml清水，称取干燥的土壤粉末0.5g 倒入1号烧杯，充分搅拌混匀（浓度为5mg/ml），然后快速从1号烧杯量取50ml悬浊液倒入2号烧杯，搅拌混匀后，再从2号烧杯量取 50ml悬浊液倒入3号烧杯，重复该步骤，得到梯度稀释的2-7号悬浊液；

(6)水样测定：打开LED，将准备好的1-7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，将装有待测水样的比色皿置于白色LED和光敏电阻之间，保证其与罩着光敏电阻的空的比色皿平齐，LED上遮光罩应充分接触到水样，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：重复步骤共计3次，收集每种浓度水样3次的重复数据，求平均值；

(8)数据分析：根据不同水样下光敏电阻的阻值数据绘制总悬浮固体（TSS）含量与光敏电阻的阻值大小的散点图，拟合总悬浮固体（TSS）含量与光敏电阻阻值的函数关系。

课题一实验照片：

课题二：基于自制浊度计研究明矾的净水效果

利用自制的浊度计检测不同明矾添加量对土壤悬液的净化效果，旨在验证自制简易浊度计的准确性和可靠性，并在不同静置时间下评估明矾不同添加量的净水效果。

实验步骤：

(1)悬浊液及明矾溶液制备

① 悬浊液制备：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）；

② 明矾溶液制备：取1000ml烧杯用量筒量取200ml的自来水倒入烧杯中，然后称取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（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6支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

①编号与标记：排列好#0-#5烧杯，采集水样。

②组别设置：在每个烧杯中倒入等量的土壤悬浊液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，添加后迅速用同步搅拌装置对所有溶液进行搅拌（搅拌1min）；

③计时与检测：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并进行编号，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；

④持续检测：2min、5min、10min后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并进行编号，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。

⑤结果转换：将记录得到的光敏电阻值代入总悬浮固体（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化效果差异，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。

课题二实验照片：

课题三：基于自制浊度计研究不同絮凝剂的净水能力差异

利用自制的浊度计检测不同絮凝剂对土壤溶液的净化效果，旨在评估不同絮凝剂在实现一定净化效果下絮凝剂的用量及静置时间的差异。

实验步骤：

(1)悬浊液及絮凝液制备

① 悬浊液制备：取1000ml烧杯用量简量取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）；

②絮凝液制备：取1000ml烧杯用量筒量取200ml的自来水倒入烧杯中，然后称取1.5g待测絮凝剂，将其与水充分混合，搅拌棒搅拌均匀，获得实验用絮凝剂溶液（浓度为7.5mg/mL）。

(2)不同浓度絮凝剂净水效果研究

①编号与标记：排列好 #0—#5 烧杯，采集水样；

②组别设置：在每个烧杯中倒入等量的土壤悬浊液150ml，用自制同步搅拌工具对6个烧杯中悬浊液进行搅拌，然后用3ml塑料滴管在每个烧杯中加入不同量的絮凝剂溶液，添加后迅速用同步搅拌装置对所有溶液进行搅拌（搅拌1min）；

③计时与检测：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并进行编号，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；

④持续检测：2min、5min、10min后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并进行编号，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；

⑤结果转换：将记录得到的光敏电阻值代入总悬浮固体（TSS）含量与光敏电阻阻值的回归方程，分析絮凝剂在不同含量及作用时间下对土壤悬液的净化效果差异，找出使土壤悬液达到最佳净化效果的絮凝剂添加量及作用时间。

(3)不同絮凝剂净水效果研究

重复上述步骤(1)-(2)，探究不同案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。

课题三实验照片：

2.结果与分析

课题一实验结论：1.实验发现，随着水样中总悬浮固体（TSS)含量的增加，光敏电阻的电阻值逐渐减小，两者呈负相关关系；2.在实验过程中，水中的悬浮物是否均匀分散、LED灯泡的亮度、电池电量、房间的环境光均会对光敏电阻的阻值产生一定影响。

课题二实验结论：通过分析数据发现，自制浊度计在检测明矾对土壤悬液的净化效果中所得数据与预期相符。就同一明矾含量的土壤悬液试样而言，随着静置时间延长，试样中总悬浮固体浓度的变化规律是悬浮固体浓度呈下降趋势。就静置一段时间而言，明矾的含量对试样的水质净化效果有影响，表现为净化效果先增强，后到达峰值。

课题三实验结论：经过实验测得不同絮凝剂的净水效果存在显著差异：其中硫酸铝的净水效果最弱，聚丙烯酰胺的净水效果最强。三组实验中，硫酸铝组测得该组中#2组净水效果达到峰值，聚合氧化铝组测得该组中#3组净水效果达到峰值，聚丙烯酰胺组测得该组中#5组净水效果达到峰值。

海报展示：

3.结论总结

（1）自制光敏电阻浊度计的可行性

实验证明，基于光敏电阻的浊度计设计合理，性能可靠。通过测量散射光强度变化，该装置能有效区分不同浊度水样，输出电阻值与水样浊度呈良好线性关系。该装置成本低廉、电路简单、响应迅速，为水质监测提供了一种实用的技术方案。

（2）絮凝剂的净水效果与影响因素

净水效果：投加絮凝剂（如明矾）能显著降低水体的浊度，处理后水样的浊度显著低于未经处理的对照组。

投加量影响：絮凝剂的净水效果并非越多越好，而是存在一个最佳投加量。低于该剂量絮凝不充分，高于该剂量则可能导致胶体再稳，浊度反而升高。

沉降时间：絮体沉降需要时间，水体浊度会随着静置沉降时间的延长而逐渐降低，并在一定时间后达到相对稳定的状态。

水质比较：絮凝剂对高浊度水样的净化效果（如浊度清除率）可能优于对低浊度水样的效果。

过程观察：絮凝剂的投加会改变水体的物理特性，如形成肉眼可见的絮状沉淀，且上层清液的澄清度与光敏电阻阻值的变化趋势高度相关。

（3）研究的综合价值

本实验一方面验证了光敏电阻在浊度检测中的实用性，为低成本水质监测设备研发提供了参考；另一方面，建立了基于浊度变化的絮凝效果评价体系，可为基层水处理工艺优化提供技术支撑。

【参考文献】

弓跃华.（2022）.浊度计法测定水质浊度的方法验证及问题探究［J］.《环境与发展》2022年第34卷第9期，内蒙古环境科学研究院主办

焦燕，孟小莉，吴东霞.（2024）.基于絮体结构调控的絮凝减缓超滤膜污染［J］.《净水技术》2024年第43卷第9期，自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所

创新课题

一、研究背景：

我国藻华治理背景复杂且严峻，尽管水生态环境保护工作持续推进，但湖泊富营养化态势尚未得到根本缓解，藻华尤其是蓝藻水华仍频繁发生，成为制约水环境质量改善的关键问题。

二、 实验材料：

1，实验材料：水竹，蜈蚣草，植物水培篮，搅拌池，过滤器，上浮池，可控阀门，气泵，太阳能电池板，钢管，红外灯。

2，实验仪器：浊度监测计，电焊。

三、 实验流程与仪器组装：

主要功能区示意图：

四、 结论：

该装置相较于同类功能装置较为机动灵活，且能充当绿化，增大水中溶氧。但效率较低。