基于光敏电阻自制浊度计及絮凝剂净水效果研究

学 校：徐州市第一中学

组 长：  王泺淇

组 员：  王远图

指导老师：  张皓然

一、摘要：

本实验旨在保证浊度计测量精度的前提下制作出简单易用的浊度计，并以此为基础研究不同絮凝剂的净水效果。在面包板上连接9V电源、LED灯、定值电阻，并于适当位置插入光敏电阻与万用电表相连便制成了简易浊度计，利用不同已知浊度的水样对其进行检测，即可得出光敏电阻阻值y(100kΩ）与浊度x(mg/mL）的函数关系为y=-9.454ln(x)+12.041。之后进行两组实验，每组配置6杯浊度相同的水样，第一组每杯加入不同量的明矾溶液，第二组每杯加入不同量的聚合氯化铝溶液。

结果表明：

1、絮凝剂加入后需一定时间才能发挥作用。

2、絮凝剂过量时净水效果反而可能下降。

3、聚合氯化铝的净水效果明显优于明矾。

4、在实验所用浓度土壤浊液下，聚合氯化铝最佳添加量及作用时间分别为0.075mg/mL、10min。

二、引言：

在自来水的净化过程中，沉降是极为重要的步骤。在此过程中，加入絮凝剂使水中悬浮物质发生凝聚而沉降。在对某条河流进行水质评估时，浊度是重要的指标。因此，测定水的浊度十分重要，可以依此来确定絮凝剂适用种类及用量或大致评估某水域水质。但市面上所售的浊度计价格昂贵、操作复杂，需耗费较长的时间。

因此，制作一款简便易用的浊度计势在必行。一束平行光在射入液体时，如液体中存在悬浮颗粒，部分光束就会改变方向，形成散射光。[1]在这种情况下，垂直方向上的散射光最为稳定。本研究旨在以光的散射定律为原理、光敏电阻为核心元件制作简易浊度计，为浊度计轻量化、便捷化、小型化提供思路。

三、材料与方法：

1.1试剂与仪器

1.1.1试剂

粘质土粘土、明矾、聚合氯化铝

1.1.2仪器

9V直流电源、导线、面包板、LED灯、定值电阻、万用电表、鳄尾夹、烧杯、滴管、搅拌棒、比色皿、精准测重秤、黑色吸管

以上材料均来源于科学盒子

1.2浊度计制作

在面包板上连接电源、定值电阻、LED、，并于适当位置插入光敏电阻并与万用电表相连。用截短的黑色吸管罩在在LED灯上作为光限通道。调整光敏电阻位置，使其与LED处于同一水平面

1.3浊度计测试

1.3.1土壤悬液配置

取6个相同烧杯，1号烧杯加入100mL，清水2-7号烧杯加入50mL清水待用。取0.5g土壤加入1号烧杯，充分搅匀后量取50mL悬浊液倒入2号烧杯，搅匀后从2号烧杯中量取50mL悬浊液倒入3号烧杯。重复该步骤，得到了梯度稀释的2-7号悬浊液。

1.3.2水样测定

将万用电表调制200kΩ电阻档。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，在暗光环境下进行检测，读出并记录万用电表示数。重复以上步骤3次，对求得的每组数据分别求平均值。

1.3.3数据分析

将记录的数据平均值与对应的水样浊度对应记录到Excel中以总悬浮固体为x轴，电阻为y轴，生成散点图并添加趋势线。

据此可得出，随着水样中总悬浮固体（TSS)的增加，光敏电子的阻值，逐渐减小，两者呈负相关关系。两者大致呈对数关系，函数关系为y=-9.454ln(x)+12.041。

1.3.4引申思考

有哪些因素可能会影响简易浊度计测定结果的准确性？

据组讨论得出：

a. 定值电阻发热使阻值变化，导致灯光强度不稳定；

b. 环境光未遮盖完全；

c. 土壤颗粒有下沉趋向，一直处于运动状态。

1.4絮凝剂净水效果研究

1.4.1土壤悬液配置

在大烧杯中倒入1000mL水并加入5g土壤，充分搅拌后分别倒入6个小烧杯中，在每个小烧杯同一深度画一条线作为取样深度。（聚合氯化铝所用土壤悬液浓度为1g/L）

1.4.2絮凝剂溶液配置

分别在200mL水中加入1.5g絮凝剂，充分搅拌使其溶解。

1.4.3检测效果

1号烧杯不添加絮凝剂，2号烧杯添加0.5mL絮凝剂溶液，3号烧杯添加1.5mL絮凝剂溶液，4号烧杯添加2.5mL絮凝剂溶液，5号烧杯添加3.5mL絮凝剂溶液，6号烧杯添加4.5mL絮凝剂溶液。此时将6个烧杯中的水样依次倒入比色皿进行检测并记录万用电表示数。同时、持续搅拌6个烧杯，每隔2min、5min、7min重复进行上述步骤，得出实验数据。带入上一实验所得公式求出TSS的值。

通过折线图可发现，自制的简易着度剂在检测明矾对土壤血液的净化效果中所得数据与预期并不相符，这说明过量的明矾不能增强净水效果。

就同一明矾含量的土壤悬液试样而言，随着静置作用时间的延长，试样中总悬浮固体浓度的变化总趋势为下降（先下降后回升再下降），推测其原因是明矾溶解在水中与土壤颗粒作用都需要时间。就一定的静置时间而言，明矾的含量对试样的水质净化效果有影响，具体表现为总体上水质净化效果随明矾含量升高而降低，推测其原因是过量的明矾也会导致浊度、总悬浮固体（TSS）等指标不降反升，净水效果适得其反。

综合考虑认为,使用明矾对实验所用浓度的土壤悬液的净化实践中，明矾的最佳添加量及作用时间分别为0.025mg/ml,10min。

结论：

1、光敏电阻阻值y(100kΩ）与浊度x(mg/mL）的函数关系为y=-9.454ln(x)+12.041，R²=0.8755。

2、絮凝剂加入后需一定时间才能发挥作用。

3、絮凝剂过量时净水效果反而可能下降。

4、聚合氯化铝的净水效果明显优于明矾。

5、在实验所用浓度土壤浊液下，聚合氯化铝最佳添加量及作用时间分别为0.075mg/mL、10min。

另：

通讯1（对应 三、1.3浊度计测试）

 9月1日，本组同学于线上齐聚，以提高动手实践能力，培养科学兴趣、提高科学素养为目的，基于浊度判定的基本原理和方法，共同完成课题《基于光敏电阻制作简易浊度计的方案设计及实践》。

在连接实验装置时，我们遇到了难题：用于连接万能表的鳄尾夹无法插入面包板，导致光敏电阻无法与万能表相连。经小组讨论并查询资料后决定先插入杜邦线，再将鳄尾夹连接到杜邦线另一端。万能表连接至光敏电阻后，小组对其在不同电阻挡位进行了测试，最终暂时选定20K一档作为读数的电阻挡位。连接好实验装置后，利用黑色吸管对LED灯进行遮光，用胶带将吸管固定于LED灯上后，重新插回面包板时灯不再亮起。为解决这一问题，小组对整个装置进行了彻底检查，最终发现，LED灯在插回面包板时正负极接反，导致了电路断路。发现问题后，我们及时调整了实验装置。

在配置水样时，小组发现研钵内部会有极少土壤附着，量筒内总会残留有极少的水滴，搅拌棒上也会有水附着，这样可能造成配置的水样浊度与预计的水样浊度有误差。小组讨论后，认为可忽略此误差，继续实验。

在遮光环境下进行实验，我们发现水样在静置一段时间后固体与液体发生分离，土壤颗粒会沉到比色皿底部，即使在每次测量前充分搅拌，万能表示数仍然不稳。小组成员对此进行了充分讨论的同时也吸取了其他小组的经验，得出了多个解决方案，比如搅拌后在某一固定时段读数、将万能表挡位上调等。最终，大家一致决定将万能表挡位上调至200K一档来解决这一棘手问题。实验期间，7号水样的三次测量值存在极大波动，小组成员间交换意见后决定，舍弃波动过大的测量值并对7号水样进行重新测试。进行多次测试后，实验数据波动仍然很大。后小组决定，更换7号水样进行实验并进行大量测试以抵消数据波动性。最后，我们获得的实验数据逐渐趋于稳定。

我们小组对实验结果进行了整理与分析，最终得出结论随着水样中总悬浮固体（TSS）的增加光敏电阻的阻值逐渐减小，两者成负相关关系。在对整个实验过程进行总结时，小组成员共同认为造成实验误差的因素可能有如下几条：

电路中的定值电阻因长时间使用而发热，导致电阻值变化，从而使LED灯光强度有轻微变化；

黑色吸管不能完全遮光，遮光手段单一且不足，环境光也未能完全遮盖，可能导致实验误差；

测试期间水样中的土壤颗粒一直处于运动状态，下沉趋向从未停止，可能导致测量读数的误差和波动。

经此次实验，同学们懂得了团结协作的力量，更深入的了解了浊度判定的相关知识，掌握了科学方法，培养了科学兴趣，提高了科学素养。

通讯2（对应 三、1.4絮凝剂净水效果研究）

9月4日，本组同学齐心协力，凭借对科学的热爱与探索未知的好奇心，以课题一中得出的结论和制作的简易浊度计为基础，共同完成了课题二《基于自制浊度计探究明矾的净水效果》。

在原自制浊度计的基础上，我们请教了其他小组的同学对其进行了些许改进，例如更改LED灯位置使比色皿和光敏电阻的位置更加符合实验要求，从而使实验结果更加精确。

在配置实验用悬浊液时，小组成员发现，称量的土壤在倒入水中后会以极快的速度沉到烧杯底部，之后很难再通过搅拌使土壤颗粒与水充分混合均匀。因此，重新配置水样时在倒入土壤的同时便开始搅拌。这样即可最大限度地保证大烧杯内的土壤均匀分布。

在进行实验准备工作时，我们注意到材料所提供的木棍的长度短于并排的6个小烧杯长度，因此无法在同一时间搅拌六个烧杯中的液体。在我们的充分讨论下，一致决定将6个小烧杯排列成一个2x3的矩阵，在相应位置两侧各绑上一根搅拌棒，这样即可同时搅拌所有烧杯中的液体。

在这之后，我们根据说明指南进行了实验，向各个烧杯中加入不同剂量的明矾溶液。在烧杯同一深度采集水样时，小组察觉到3mL的滴管即使吸满也只能达到比色皿容量的1/2左右，而连续采集两次水样需要更长的时间，容易导致水样在采集过程中发生沉淀，从而导致实验误差。经实际测试和小组内讨论，最终我们决定只采集一次水样，因为即使比色皿中只有一半的液体，LED灯也能照射到水样并发生垂直散射，从而得到实验数据。

完成实验后，我们对数据进行了整理。出人意料的是，绝大部分实验数据表明，明矾在加入水样中后并没有立即发挥作用，大约在5分钟后才发挥了效果，TSS呈现先上升后下降的趋势。经严谨思考与推理以及与配置明矾溶液时明矾溶解较慢的现象相联系，我们推测，这一现象可能是由于明矾在水中溶解需要时间，并且与悬浮颗粒充分接触并发生絮凝也需要一定时间。并且出人意料的是，明矾添加量最高的5号烧杯中TSS未见明显下降。这可能说明，明矾过量时其净水效果并不理想。

经这次实验，小组同学们深刻体会到科学探究过程中严谨思维与团队协作的重要性，极大地提高了同学们的动手能力和实验设计能力，培养了科学兴趣和探究精神。同时，对絮凝剂净水能力有了更加深入的认识。

参考文献：[1]徐斌，王元叶，程晨，等。光学浊度计悬沙浓度观测方法研究[J]《水文》；北京；2025