基于光敏电阻资质简易浊度计及絮凝剂净水效果研究
1. 徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表
2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表
课题题目：基于光敏电阻资质简易浊度计及絮凝剂净水效果研究 |
编号： |
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活动时间：9月12日 |
第 3 次 |
活动地点：教室 |
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指导教师：朱飞 |
班级：高一17班 |
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参加活动成员： 孙圣翔、孙嘉乐、王思睿（同步实验，保证每组实验控制环境因素相同） 汤大琦、石少甫、胡滨宇（记录实验数据，统计并绘制成实验记录表格） 张屹然、王梓瑞、李佳航（利用计算机将电阻值转化成浊度的相关数据） |
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活动内容： 1）目的（解决什么问题）： 生活中净水常用硫酸铝、聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、明矾四种絮凝剂，哪种最适合净化水质 2）形式（小组讨论、试验、查阅资料、调查、实地测量）： 实验、查阅资料、小组讨论。 3）过程： ① 各小组组长带领小组成员分工进行实验 ② 小组讨论各自的实验及结果 ③ 汇总各小组的实验数据形成总记录表，成员共同探索普遍规律 4）结果（得到什么结论、解决哪些问题、是否完成预定目标和计划、出现的新问题） ①结论：四种絮凝剂中，明矾最适合进行水质净化，其次是硫酸铝和聚丙烯酰胺。 ②通过查阅资料，解决了大家一直疑惑的问题：同样会生成氢氧化铝胶体，明矾和硫酸铝净水效果会产生差异的原因 ③完成了预定目标和计划后，大家产生了新的问题：重度污染下，硫酸铝和聚丙烯酰胺的净水能力差别不明显。 记录者: 孙圣翔 |
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注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。
2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。
3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告
题目：基于光敏电阻自制简易浊度计及絮凝剂净水效果研究 |
编号： |
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课题组成员 |
组长：孙圣翔 |
小组组长：孙圣翔、孙嘉乐、王思睿 |
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指导教师：朱飞 |
报告执笔人：王梓瑞 |
完成时间：11月2日 |
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主导课程：水质浊度检测 |
相关课程：化学、物理 |
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（一）书面材料 |
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课题成果： 1)预期的成果： 三个实验均成功，大多数结论符合预定推测，解决了一些实验前开始的疑惑。 2)课题实际取得的成果： 实验一结果：综合后续实验的需要、操作难度、换算方法等多维度考虑，结合实际尝试的实验数据，最终选定垂直散射法作为简易浊度计的工作原理。而后，对于多个已知浊度（由土壤质量分数转化为浊度（NTU））的水样进行测定，得到浊度（NTU）与光敏电阻（Ω）关系。 实验二结果：利用实验1制作的简易浊度计，设计明矾浓度梯度、不同净水时间进行控制变量实验，得出结论：在一定范围内，净水剂的量不改变的情况下，净水的时间与净水效果成正相关；在一定范围内，净水的时间不改变的情况下，净水剂的量与净水效果成正相关。最终均稳定在一定值 实验三结果：通过实验，可发现不同浊度条件下，四种絮凝剂净水效果差异明显，具体表现为，不同絮凝剂净化相同浊度的水样后水质浊度由高到低依次为聚合氯化铝>硫酸铝＞聚丙烯酰胺>明矾，这说明明矾净水效果最好。就同一絮凝剂而言，得到和实验二相似结论，净化率随添加量的增加先上升后稳定在一定值。 |
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附录材料（要求提交原始记录）包括： 活动记录表（1）份 访谈表（ ）份 实验记录（ ）份 调查表（ ）份 测量数据记录（ ）份 |
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（二）实物材料，如制作的图片，模型，照片，事物样本，音像资料等 编号： 名称： 制作者： 内容： 功能： |
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（三）演示课题成果所需要的条件，要求（如特别需要，请说明）： |
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4.聚焦水体污染问题——水质浊度的检测
徐州市第一中学高一17班 孙圣翔 孙嘉乐 王思睿 张天诚 王梓瑞
汤大琦 鹿佳乐 王昱臻 石少甫 张屹然
田祖昂 张思远 胡滨宇 朱正旭 李佳航
【摘要】
针对水质污染问题，小组成员自行设计了简易的水质浊度检测仪器。以常见的絮凝剂明矾进行实验，纵向对比同种絮凝剂质量不同、净水时间不同对净水效果的影响；利用多种絮凝剂，探究不同絮凝剂对净水效果的影响
【关键词】浊度；絮凝剂；水质浊度检测
一、研究背景
水是生命之源、生产之要、生态之基，水质浊度作为反映水体物理性状与综合安全水平的核心指标，直接关联我国水资源安全、公共卫生与生态环境保护。在我国水资源总量大但人均占有量少、时空分布不均、流域与城乡差异显著的基本国情下，浊度污染问题尤为突出：长江、黄河等流域易受水土流失、面源污染影响，悬浮颗粒物、胶体等导致浊度波动；北方干旱地区浊度季节性差异明显，南方河湖汛期与藻华期浊度骤升，农村分散式水源因保护薄弱更易超标，城市老旧管网也存在二次污染引发的浊度异常风险。我国《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）等标准已将浊度纳入严格管控，与国际标准接轨，对检测精度提出更高要求。
国家层面高度重视水环境治理，通过深入打好碧水保卫战、推进长江大保护、黑臭水体整治等政策举措，构建精准治污、科学治污、依法治污的治理体系。在设施建设上，全国建成城镇污水处理厂与饮用水净化工程，推广混凝、沉淀等工艺优化浊度去除；同时搭建国家、省、市、县四级监测网络，实现浊度全天候、全覆盖监控，为水环境管控提供基础支撑。
水质浊度检测的核心价值体现在多维度：一是保障饮水安全，作为微生物污染的 “指示指标”，精准检测可降低介水传染病风险，把牢公共卫生关口；二是优化水处理运行，通过实时监测指导药剂投加与设备反冲洗，减少药耗能耗，避免工艺失效；三是支撑水环境监管，浊度突变可快速提示污水直排、管网破损等异常，为应急处置与污染源溯源提供依据；四是服务多元用水需求，既满足食品、电子等行业工艺用水质量要求，也为河湖生态健康评价提供数据支撑；五是助力城乡供水均等化，通过标准化检测缩小城乡水质管控差距，服务乡村振兴与健康中国战略。
在我国加快建设节水型社会、推进水环境高质量发展的背景下，水质浊度检测是不可或缺的基础技术支撑。开展相关研究，既能完善监测方法、提升装备水平，也能为污染治理、政策制定提供科学依据，对保障水资源可持续利用、维护公众健康与生态安全具有重要现实意义。
实验一 通过研究投射法、散射法（4种）、比值法共6种水质浊度测定方法的工作原理，选定合适的测定方法并制作简易的水质浊度计，了解水质浊度测定的方式方法，同时为实验二、三的不同净水剂的比较提供评定工具
实验二 通过以净水剂明矾为例，探究使用净水剂的质量和时间对水质净化的影响，对净水剂量的控制和净水时间的控制有初步认识
实验三 通过对比添加不同种类的絮凝剂（硫酸铝、聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、明矾）后水体净化程度差异，增强对水质改良的兴趣，并对改良方法有一定认识
探究实验 通过测定我们身边的常见水样的污染程度，了解当前环境的污染程度，树立环保意识，养成正确的用水习惯。
二、实验材料
1、实验材料：清水、沙土
2、实验仪器：滴管、研钵、试管、量筒、药匙、搅拌棒、小台秤、面包板、发光二极管。光敏电阻、定值电阻、电池、吸管、透明胶带
实验试剂：明矾，硫酸铝，聚合氯化铝，聚丙烯酰胺
三、研究过程与结论
课题一 基于光敏电阻制作简易浊度计
1．查阅资料:
浊度检测的工作原理主要依据朗伯 - 比尔定律和光的散射定律。光束穿过待测溶液时，部分光直接透射，部分光被吸收，还有部分光因溶液中非可溶性物质的阻碍发生散射，透射和散射方向的光强相较于初始光强会减弱，通过检测光强变化即可实现浊度检测。常见的水质浊度测定方法的工作原理有：投射法、散射法（4种）、比值法等。
2．选取合适的浊度检测原理：
对投射法、散射法、比值法三种方法进行比较，发现垂直散射法最适合制作简易浊度计，原因在于垂直摆放操作方便，且只需要读取光敏电阻的阻值，运用准备实验得出公式进行计算，即可换算得出水质浊度
3. 连接电路
如下左图，将光敏电阻、白色 LED 灯、220Ω 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。
为了方便后续实验的进行，选用废弃手机盒和电脑主机上拆下的小开关及排线搭建如图所示的实验装置（如上右图）。
4．配置不同浊度的浊度水质样本
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个烧杯量取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/L），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；
5. 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（确保水样充分混匀的状态下），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，高度大概在待测水样中央即可，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。
课题一成果：
绘制出下图所示的趋势图，拟合曲线为
y = -2444 ln(x) + 7538.9 R2 = 0 . 98 [2][3][4]
为了方便后续研究，进一步换算出浊度与电阻的趋势图。其中，浊度（NTU） ≈TSS（mg/L） × k，其中 k是经验系数，一般在0.8 - 1.2 之间，多数场景下取k ≈ 1。[1]
课题二 基于自制浊度计研究明矾的净水效果
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．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，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。
2)组别设置：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，小组成员同时、同步对 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，添加后迅速同步搅拌所有溶液（搅拌 1min）；
杯号 |
明矾溶液添加量(mL) |
0 |
0 |
1 |
0.5 |
2 |
1.5 |
3 |
2.5 |
4 |
3.5 |
5 |
4.5 |
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（比色皿透明的一面朝 LED，磨砂的一面朝向光敏电阻），记为 0min 时明矾在不同添加量下的净水结果；
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，记为 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）。
课题二成果：
将记录得到的光敏电阻值代入浊度与光敏电阻值的回归方程，分析明矾在不同含量及作用时间下对土壤悬浊液的净化效果差异，找出能使土壤悬浊液达到最佳净化效果的明矾添加量及作用时间。
整理数据：
再利用实验1得到的浊度与电阻阻值的关系绘制出以下图像：
通过观察图像，我们可以发现，4号烧杯和5号烧杯折线基本重合，并且在第5分钟到第10分钟曲线趋于水平。因此，我们结合时间成本和物质成本综合考虑，大致推断出最佳浓度为添加3.5ml明矾溶液，最佳作用时间为6分钟左右。
同时，我们还可以得出结论：在一定范围内，净水剂的量不改变的情况下，净水的时间与净水效果成正相关；在一定范围内，净水的时间不改变的情况下，净水剂的量与净水效果成正相关。最终军稳定在一定值
课题三 基于自制浊度计研究不同絮凝剂的净水效果
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）絮凝剂溶液制备：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）。按照相同的步骤，分别将明矾更换为硫酸铝、聚丙烯酰胺、聚合氯化铝进行配制相同浓度的溶液。
2．不同絮凝剂净水效果研究
1)编号与标记：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。
2)组别设置：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，小组成员同时、同步对 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，添加后迅速同步搅拌所有溶液（搅拌 1min）
杯号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
絮凝剂种类 |
对照（加入清水） |
硫酸铝 |
聚丙烯酰胺 |
聚合氯化铝 |
明矾 |
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（比色皿透明的一面朝 LED，磨砂的一面朝向光敏电阻），记为 0min 时明矾在不同絮凝剂下的净水结果；
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，记为 2min、5min、10min 时不同絮凝剂添加下净水结果（注意每次需清洗比色皿，并确保比色皿中尽可能干燥）。
实验三 成果：
由此我们可以推断，明矾的净水效果最好，聚丙烯酰胺的净水效果最差。由此我们可以解释工业上大部分利用明矾净水的原因。
提出问题：硫酸铝和聚合氯化铝净水效果有明显差异，根据所学知识，它们都是通过形成氢氧化铝胶体实现净水的，二者净水差异是由于什么？
·查阅资料
·整理信息，并绘制成表格[5]
对比维度 |
硫酸铝（Al₂(SO₄)₃） |
聚合氯化铝（PAC） |
铝的存在形态 |
单一的 Al³⁺离子（单体） |
预聚合的铝羟基络合物（如 [Al₁₃O₄(OH)₂₄]⁷⁺） |
水解反应条件 |
依赖水体 pH（最佳 6.5-8.5），pH 不适则水解不完全 |
广谱 pH 适配（5.0-9.0），无需严格调 pH[6][7] |
胶体形成速率 |
慢（需逐步水解，耗时 2-5min） |
快（预聚合结构遇水快速解离，耗时 0.5-1min） |
胶体颗粒大小 |
小（粒径 50-100nm），吸附面积有限 |
大（粒径 100-200nm），吸附面积是硫酸铝 2-3 倍[8] |
电荷密度 |
低（Al³⁺水解后胶体电荷弱） |
高（预聚合络合物带高正电） |
从五个角度实现了对这个问题的解答。
探究实验 徐州的水质
我们通过对河流采样，以及对网络信息汇总，整理出了以下表格
注：
① 其中“京杭大运河”为京杭大运河徐州段；
② 采集水样时，奎河治理尚未完成
③ 红色柱状代表实验采集，蓝色柱状代表网络搜集[9][10]
我们可以得出结论，徐州的河流有骆马湖、云龙湖、沂河保护较好，水质、浊度都较低（低于8）；但是奎河治理较晚，导致污染较为严重，未治理河段，已经超出了地表水浊度合格线
四、总结与展望
本次研究围绕水体污染问题，完成了简易浊度计制作、明矾净水效果探究及四种絮凝剂对比实验，明确了垂直散射法的实用性，验证了一定范围内净水剂用量、作用时间与净水效果的正相关关系，也证实明矾的净水效果最优，并摸清徐州本地河湖浊度现状，发现部分河段仍存在超标问题。研究中我们将理化知识与实际检测结合，掌握了实验研究方法，更树立了科学的环保意识。
本次研究仍有完善空间，后续可优化浊度计检测精度，探究温度、pH 值等因素对净水效果的影响。水资源保护任重道远，未来我们将践行节水净水理念，向身边人普及环保知识，也会持续以科学探究的方式关注生态问题，用点滴行动守护水资源，为水环境治理贡献微薄之力。
五、 参考文献
[1] 中国水网。悬浊液浊度与颗粒浓度关系的理论分析 [J]. 中国水网，2001.
[2] 陈恒，何荣，吴晓玲，等。基于星载激光雷达光子分布特征的湖面近岸水体浊度反演 [J]. 光学精密工程，2025, 33 (12).
[3] Remote Sensing of Turbidity for Lakes in Northeast China Using Sentinel-2 Images With Machine Learning Algorithms [J]. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，2021.
[4] Assessing temporal variability of lake turbidity and trophic state of European lakes using open data repositories [J]. PubMed, 2025.
[5] 潘阳，陈人毅。聚合氯化铝和硫酸铝水处理混凝效果对比试验 [J]. 化工生产与技术，2006 (2): 60-61.
[6] Zarchi I, et al. Polyaluminium chloride as an alternative to alum for the direct filtration of drinking water [J]. Environ Technol, 2013, 34 (9-12): 1477-1484.
[7] BenchChem Technical Support Team. A Head-to-Head Battle: Aluminum Sulfate vs. Polyaluminum Chloride for Turbidity Removal in Water Treatment [R]. BenchChem, 2026.
[8] 王春。奉贤某给水厂平流式浓缩池上清液絮凝剂的优选 [J]. 净水技术，2025.
[9] 吕顺，余莉琳，周猛，等。徐州市云龙湖水质监测与评价 [J]. 徐州工程学院学报 (自然科学版), 2010, 25 (4): 42-46.
[10] 骆马湖水质遥感反演研究 [J]. 中国农村水利水电，2026 (1): 1-8.
实验过程记录：
（右图）小组依托自己的公众号“科舟共济”展示研究进程，替代了传统的海报形式
