聚焦荒漠化问题——土壤改良及生物治理研究
3. 连接电路
如下左图，将光敏电阻、白色 LED 灯、220 Ω 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/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；
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 |
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，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、微山河保护较好，水质、浊度都较
低；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
当前，我们周围的水体污染依然是我们无法忽视的环境问题之一。通过本次小课题研究，我们深刻了解到了净水对于水质改善的重要作用。也启发我们在生活中正确合理地净水，做到合理用水。从小事做起，从身边做起，保护我们周围的水资源。
[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.
