Κατασκευή φίλτρου νερού

Ένα παράδειγμα συσκευών φιλτραρίσματος νερού που κατασκευάζονται από μαθητές, που ποικίλλουν ως προς την αποτελεσματικότητά τους.

Υλικά

• Ψηφιακή ζυγαριά (για ζύγιση των υλικών φιλτραρίσματος)
• Διαβαθμισμένοι κύλινδροι -250 mL (για μέτρηση προσομοιωμένων λυμάτων)
• Άδεια πλαστικά μπουκάλια νερού 0,5 L (2 ανά ομάδα)
• Ψαλίδι (1 ανά ομάδα)
• Χαρτοπετσέτες (για καθαρισμό διαρροών)
• Τετράγωνα πανάκια 10 cm x 10 cm από τούλι (1 ανά ομάδα, για να καλυφθεί το στόμιο του μπουκαλιού)
• Λαστιχάκια (1 ανά ομάδα, για να εφαρμοστούν τα πανάκια στο μπουκάλι)
• Ποικιλία υλικών που θα χρησιμοποιηθούν ως μέσα φίλτρου (π.χ. βαμβάκι, φίλτρα καφέ, χαλίκι ενυδρείου, άμμος, άψητα μακαρόνια, ζεόλιθος σε σκόνη (κοστίζει περίπου 20 ευρώ το μισό κιλό), ενεργός άνθρακας (κοστίζει περίπου 5 ευρώ online). Ξεπλύνετε τον άνθρακα με νερό και στεγνώστε σε εφημερίδα ή πετσέτες πριν τον χρησιμοποιήσετε)
• Χάρτινα ή πλαστικά ποτήρια (για να συλλέγουμε τα υλικά του φίλτρου που χύνονται (άμμο, ζεόλιθο, άνθρακα κλπ)
• Προσομοίωση λυμάτων (Για 4 λίτρα: ανακατέψτε 2 φλιτζάνια αποσταγμένο ξύδι, πολλές σταγόνες κίτρινο χρώμα ζαχαροπλαστικής, σκόνη  από το πάτωμα, μισό φλιτζάνι φυτόχωμα ή άμμο, μια χούφτα τρίχες κατοικίδιων ή ανθρώπινες και 4 λίτρα νερό.  Ανακινήστε καλά.)
• Μετρητές αγωγιμότητας (Προαιρετικά) (Πωλούνται στο διαδίκτυο περίπου 15 ευρώ ο φτηνότερος, αλλά αν το σχολείο ή κάποιος φίλος διαθέτει 1-2 πολύμετρα, μπορείτε να κατασκευάσετε τους δικούς σας με βάση τις οδηγίες που παρέχονται στο συνημμένο αρχείο. - Λήψη PDF)
• Ταινίες μέτρησης pH (εύρος 1-12, ελάχιστο) (κοστίζουν γύρω στα 7 ευρώ οι 100 ταινίες)

Διαχείριση

• Ξεκινήστε να συλλέγετε άδεια μπουκάλια 0,5 L εβδομάδες ή μήνες πριν από αυτήν τη δραστηριότητα για να εξοικονομήσετε κόστος. Για 15 παιδιά θα χρειαστείτε 30-35 μπουκάλια
• Κατασκευάστε (ή ζητήστε από τους μαθητές να κατασκευάσουν) και ελέγξτε αν δουλεύουν σωστά οι μετρητές αγωγιμότητας (εάν τους χρησιμοποιήσετε) πριν από την ενασχόληση με αυτήν τη δραστηριότητα. Λήψη σχεδίου ελέγχου αγωγιμότητας (PDF)
• Φροντίστε να χρησιμοποιείτε καθαρό χαλίκι ενυδρείου και καθαρή άμμο (όχι χαλίκι αυλής ή άμμο παραλίας, καθώς αυτά μπορεί να προσθέσουν ρύπους στο νερό).
• Φροντίστε να ξεπλύνετε και να στεγνώσετε καλά τον ενεργό άνθρακα (αν χρησιμοποιείτε). Ο μη ξεπλυμένος άνθρακας θα μαυρίσει το νερό.
• Εξετάστε το ενδεχόμενο να αναθέσετε ρόλους σε μέλη της ομάδας, όπως υπεύθυνος υλικών, καταγραφέας δεδομένων, καταγραφέας μηχανικής και κατασκευαστής
• Σημείωση: Το νερό που φιλτράρεται σε αυτό το πείραμα ΔΕΝ ΠΡΕΠΕΙ να καταναλώνεται από τον άνθρωπο.
• Αυτή η δραστηριότητα μπορεί να προκαλέσει ανταγωνισμό των ομάδων. Γίνετε ο κριτής της ποιοτικής αξιολόγησης του φιλτραρισμένου νερού: κρατήστε ένα κομμάτι λευκό χαρτί στο πίσω μέρος του φιλτραρισμένου νερού και εξετάστε αν υπάρχουν σωματίδια και χρώμα. Η νικήτρια ομάδα είναι αυτή που θα παρουσιάσει το καθαρότερο μπουκάλι με νερό.

Θεωρητικό υπόβαθρο

Το φυσικό σύστημα υποστήριξης της ζωής της Γης παρέχει τον αέρα που αναπνέουμε, το νερό που πίνουμε και άλλες συνθήκες που υποστηρίζουν τη ζωή. Ωστόσο, μερικές φορές οι γήινοι πόροι μολύνονται και απαιτούν καθαρισμό.

Ένα τέτοιο έργο καθαρισμού βρίσκεται σε εξέλιξη στο Εργαστήριο Αεριωθούμενης Πρόωσης της NASA στην Πασαντένα της Καλιφόρνια, μέσω ενός έργου καθαρισμού των υπόγειων υδάτων που με βάση τον Νόμο για την Ολοκληρωμένη Περιβαλλοντική Απόκριση του 1980 . Ο Διευθυντής Έργου Καθαρισμού Υπόγειων Υδάτων, Steve Slaten, δήλωσε: «Η NASA είναι υπεύθυνη για τον καθαρισμό των υπόγειων υδάτων που είναι αποτέλεσμα παλαιότερων πρακτικών διάθεσης απορριμμάτων που χρονολογούνται από τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, όταν ο Στρατός έφτιαχνε πυραύλους. Τα υγρά απόβλητα -- από τις τουαλέτες μέχρι τα αναλυτικά εργαστήρια, χημικά, διαλύτες καθαρισμού και ένα συστατικό για το προωθητικό των πυραύλων που ονομάζεται υπερχλωρικό -- βρίσκονται τώρα στα βαθιά υπόγεια ύδατα. Είναι πολύ σημαντικό να καθαρίσουμε αυτό το πρόβλημα ώστε οι κάτοικοι να έχουν πρόσβαση σε αυτόν τον πόρο».

Υπάρχει επίσης ανάγκη για συστήματα φιλτραρίσματος νερού και έξω από τη Γη, όπως συμβαίνει στην περίπτωση των αστροναυτών στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Για παράδειγμα, το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων της  NASA είναι υπεύθυνο για το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη δοκιμή ενός σημαντικού συστήματος που όχι μόνο παρέχει στο πλήρωμα ένα άνετο περιβάλλον, αλλά και ελαχιστοποιεί τον αριθμό των αποστολών ανεφοδιασμού που απαιτούνται για τη διατήρηση του ISS και του λειτουργία του πληρώματος. Το σύστημα, που ονομάζεται Environmental Control and Life Support System, εκτελεί πολλές βασικές λειτουργίες:

• Παρέχει οξυγόνο για μεταβολική κατανάλωση.
• Παρέχει πόσιμο νερό για κατανάλωση, προετοιμασία τροφίμων και χρήσεις υγιεινής.
• Αφαιρεί το διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα της καμπίνας.
• Φιλτράρει σωματίδια και μικροοργανισμούς από τον αέρα της καμπίνας.
• Αφαιρεί τα πτητικά οργανικά ιχνοαέρια από τον αέρα της καμπίνας.
• Παρακολουθεί και ελέγχει τις μερικές πιέσεις του αέρα της καμπίνας σε άζωτο, οξυγόνο, διοξέιδιο του άνθρακα, μεθάνιο, υδρογόνο και υδρατμούς.
• Διατηρεί τη συνολική πίεση στην καμπίνα.
• Διατηρεί τα επίπεδα θερμοκρασίας και υγρασίας καμπίνας.
• Κατανέμει τον αέρα της καμπίνας μεταξύ των συνδεδεμένων μονάδων.

Τα δύο κύρια στοιχεία του Συστήματος Περιβαλλοντικού Ελέγχου και Υποστήριξης Ζωής στον ISS είναι το Σύστημα Ανάκτησης Νερού και το Σύστημα Παραγωγής Οξυγόνου.

Το Σύστημα Ανάκτησης Νερού

Το Σύστημα Ανάκτησης Νερού παρέχει καθαρό νερό με την ανάκτηση λυμάτων (συμπεριλαμβανομένου του νερού από τα ούρα των μελών του πληρώματος, το πλύσιμο των χεριών και των δοντιών ), συμπύκνωμα υγρασίας καμπίνας και τα απόβλητα των διαστημικών στολών από τις δραστηριότητες του πληρώματος εκτός του σκάφους (EVA). Το ανακτηθέν νερό πρέπει να πληροί αυστηρά πρότυπα για να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί για την υποστήριξη των δραστηριοτήτων του πληρώματος, των EVA και του ωφέλιμου φορτίου.

Το Σύστημα Ανάκτησης Νερού έχει σχεδιαστεί για την ανακύκλωση ούρων και λυμάτων από τα μέλη του πληρώματος ώστε να χρησιμοποιείται ως καθαρό νερό. Με αυτόν τον τρόπο, το σύστημα μειώνει την καθαρή μάζα του νερού και των αναλώσιμων που θα έπρεπε να εκτοξευθούν από τη Γη για να υποστηρίξουν έξι μέλη του πληρώματος κατά 3 τόνους ετησίως.

Το σύστημα ανάκτησης νερού αποτελείται από μια διάταξη επεξεργασίας ούρων και μια διάταξη επεξεργασίας νερού. Μια διαδικασία απόσταξης υπό κενό χαμηλής πίεσης χρησιμοποιείται για την ανάκτηση νερού από τα ούρα. Η όλη διαδικασία λαμβάνει χώρα μέσα σε ένα περιστρεφόμενο συγκρότημα απόσταξης που αντισταθμίζει την απουσία βαρύτητας και επομένως βοηθά στον διαχωρισμό υγρών και αερίων στο διάστημα. Το νερό που παράγεται από τη διάταξη επεξεργασίας ούρων συνδυάζεται με άλλα λύματα και παραδίδεται στη διάταξη επεξεργασίας νερού για επεξεργασία. Το συγκρότημα Επεξεργαστή Νερού αφαιρεί τα ελεύθερα αέρια και στερεά υλικά (τρίχες, χνούδι κ.λπ.) από το νερό προτού περάσει από μια σειρά πολλαπλών φίλτρων  για περαιτέρω καθαρισμό. Τυχόν εναπομείναντες οργανικοί ρυπαντές και μικροοργανισμοί απομακρύνονται από ένα συγκρότημα καταλυτικού αντιδραστήρα υψηλής θερμοκρασίας. Η καθαρότητα του νερού του προϊόντος ελέγχεται από αισθητήρες ηλεκτρικής αγωγιμότητας (η αγωγιμότητα του νερού αυξάνεται όταν περιέχει διάφορους ρύπους). Το μη αποδεκτό νερό υποβάλλεται σε επανεπεξεργασία και το καθαρό νερό αποστέλλεται σε δεξαμενή αποθήκευσης έτοιμο για χρήση από το πλήρωμα.

Το Σύστημα Παραγωγής Οξυγόνου

Το Σύστημα Παραγωγής Οξυγόνου παράγει οξυγόνο για την αναπνοή του αέρα για το πλήρωμα και τα πειραματόζωα, καθώς και για την αντικατάσταση του οξυγόνου που χάνεται λόγω πειραματικής χρήσης, της αποσυμπίεσης του αεραγωγού, της διαρροής της μονάδας και της εξαέρωσης του διοξειδίου του άνθρακα. Το σύστημα αποτελείται κυρίως από τη διάταξη παραγωγής οξυγόνου και μια μονάδα τροφοδοσίας.

Η καρδιά της διάταξης παραγωγής οξυγόνου είναι η στοίβα κυψελών, η οποία ηλεκτρολύει ή διασπά το νερό που παρέχεται από το Σύστημα Ανάκτησης Νερού, παράγοντας οξυγόνο και υδρογόνο ως υποπροϊόντα. Το οξυγόνο παρέχεται στην ατμόσφαιρα της καμπίνας ενώ το υδρογόνο αποβάλλεται στο διάστημα. Η μονάδα τροφοδοσίας παρέχει την ισχύ που χρειάζεται η διάταξη παραγωγής οξυγόνου για να ηλεκτρολύσει το νερό.

Το σύστημα παραγωγής οξυγόνου έχει σχεδιαστεί για να παράγει οξυγόνο με επιλέξιμο ρυθμό και είναι ικανό να λειτουργεί τόσο συνεχώς όσο και κυκλικά. Παρέχει από 2,3 έως 9 kg  οξυγόνου την ημέρα κατά τη συνεχή λειτουργία και κανονικό ρυθμό 5,4 kg  οξυγόνου την ημέρα κατά τη διάρκεια κυκλικής λειτουργίας.

Το Σύστημα Παραγωγής Οξυγόνου σύντομα θα φιλοξενήσει και μια διάταξη μείωσης διοξειδίου του άνθρακα. Μόλις αναπτυχθεί, η διάταξη μείωσης διοξειδίου του άνθρακα θα προκαλέσει το υδρογόνο που παράγεται από τη διάταξη παραγωγής οξυγόνου να αντιδράσει με το διοξείδιο του άνθρακα που αφαιρείται από την ατμόσφαιρα της καμπίνας κι έτσι θα παράγεται νερό και μεθάνιο.  Αυτό το νερό θα είναι διαθέσιμο για επεξεργασία και επαναχρησιμοποίηση, μειώνοντας έτσι την ποσότητα νερού που θα πρέπει να στέλνεται εκ νέου στον Διαστημικό Σταθμό από το έδαφος.

Διαδικασία

Η συσκευή φιλτραρίσματος που θα κατασκευάσουν οι μαθητές αποτελείται από από δύο μπουκάλια νερού 0,5 λίτρου με κομμένο το κάτω μέρος. Οι φιάλες θα στοιβάζονται έτσι ώστε να επιτρέπεται στα λύματα να φιλτράρονται στην επάνω φιάλη και να συλλέγονται στην κάτω φιάλη. Η πρόκληση για τους μαθητές είναι να καθορίσουν ποια υλικά θα βάλουν στο φίλτρο τους ώστε  να πάρουν το καθαρότερο φιλτραρισμένο νερό. Ενημερώστε ξεκάθαρα στους μαθητές ότι οι συσκευές φιλτραρίσματος νερού που πρόκειται να φτιάξουν θα αφαιρέσουν ορισμένες ακαθαρσίες, αλλά ΔΕΝ θα κάνουν το νερό ασφαλές για πόση .

1. Οι μαθητές θα πρέπει να ερευνήσουν τον ορισμό του καθαρού νερού, όπως ορίζεται για την ασφαλή ανθρώπινη κατανάλωση.
2. Δείξτε στους μαθητές τα προσομοιωμένα λύματα και επιτρέψτε τους να μυρίσουν για να ανιχνεύσουν την οσμή της ένωσης.
3. Περιγράψτε τους τα διαθέσιμα υλικά και ζητήστε τους να ερευνήσουν τυχόν υλικά με τα οποία δεν είναι εξοικειωμένοι (συνήθως τον ζεόλιθο και τον ενεργό άνθρακα, εάν τα χρησιμοποιήσετε).
4. Συζητήστε την έννοια του pH (οξύτητα ή αλκαλικότητα του διαλύματος), το ιδανικό pH του πόσιμου νερού και μετρήστε το pH του νερού της βρύσης στο σχολείο σας. Επίσης, σκεφτείτε να ζητήσετε από τους μαθητές να μετρήσουν το pH άλλων κοινών υγρών όπως το ξύδι, η σόδα και η μαγειρική σόδα διαλυμένη σε νερό.
5. Εάν χρησιμοποιήσετε μετρητές αγωγιμότητας, συζητήστε τη χρήση τους σε αυτό το σημείο. Εξηγήστε στους μαθητές ότι ένας μετρητής αγωγιμότητας δημιουργεί ένα κύκλωμα μέσω του νερού και μετρά την ποσότητα του ρεύματος που περνά μέσα από αυτό. Η αγωγιμότητα είναι μια τυπική μέθοδος που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της καθαρότητας του νερού, και συγκεκριμένα της ποσότητας των ανόργανων ρύπων. Το εντελώς καθαρό νερό δεν επιτρέπει στο ρεύμα να περάσει καθόλου. Έτσι, όσο μικρότερη είναι η ποσότητα του ρεύματος που διαρρέει τα επεξεργασμένα λύματα, τόσο μικρότερη είναι η συγκέντρωση των ανόργανων ρύπων και τόσο καθαρότερο είναι το νερό. Το νερό που ανακτάται και καθαρίζεται από το σύστημα ανάκτησης νερού στο ISS έχει μέση αγωγιμότητα περίπου 1 μmho/cm, το μεγαλύτερο μέρος της οποίας είναι αποτέλεσμα του υπολειμματικού ιωδίου που προστίθεται  για να σκοτώνει τα μικρόβια
6. Συζητήστε με τους μαθητές πώς να χρησιμοποιήσετε τον ελεγκτή αγωγιμότητας:
   • Μην αφήσετε  τα δύο μεταλλικά άκρα (το σύρμα που προέρχεται από την υποδοχή κουμπώματος της μπαταρίας και το καλώδιο του πολύμετρου) να έρθουν σε επαφή. Αυτό μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση της μπαταρίας ή δυσλειτουργία του πολύμετρου.
   • Το μήκος των καλωδίων και η μεταξύ τους απόσταση μπορεί να επηρεάσει τις μετρήσεις.
   • Βεβαιωθείτε ότι όλοι οι μαθητές τηρούν μια σταθερή απόσταση μέτρησης, π.χ., τοποθετούν τα καλώδια 1 cm από τον πάτο των δοσομετρικών ποτηριών και τα κρατούν στις αντίθετες πλευρές των τοιχωμάτων τους
   • Ανακατέψτε απαλά το υγρό στο δοχείο αμέσως πριν κάνετε μια μέτρηση, μετά μετρήστε μέχρι το 10 και καταγράψτε την τιμή των mA.
   • Καθαρίστε και στεγνώστε τα καλώδια μεταξύ κάθε δοκιμής.
   • Οι μαθητές θα πρέπει να εξασκηθούν στα γρήγορα στη χρήση των μετρητών ελεγκτές αγωγιμότητας σε γνωστά διαλύματα (νερό βρύσης, αλατούχο διάλυμα κ.λπ.) για να εξοικειωθούν με τις συσκευές και να επαληθεύσουν τη λειτουργικότητά τους.

Διαδικασία για τους μαθητές (θα πρέπει να εργαστούν σε ομάδες των 2-3):

1. Αφαιρέστε τις ετικέτες από τα δύο μπουκάλια νερού. Απορρίψτε στην ανακύκλωση το ένα καπάκι. Βιδώστε καλά το άλλο καπάκι στο κάτω μπουκάλι.
2. Χρησιμοποιήστε το ψαλίδι για να αφαιρέσετε το κάτω μέρος και από τα δύο μπουκάλια.
3. Στερεώστε το τούλι (διπλωμένο όσο χρειάζεται για να συγκρατά τα υλικά του φίλτρου στο μπουκάλι) γύρω από το λαιμό του ανοιχτού μπουκαλιού με λαστιχάκι.
4. Βάλτε το ένα μπουκάλι μέσα στο άλλο
5. Γεμίστε το επάνω μπουκάλι σε απόσταση 4 εκ. από την κορυφή του με υλικά φίλτρου διαφόρων τύπων και στρώσεων. Καταγράψτε τις ποσότητες και τη σειρά των υλικών που χρησιμοποιήσατε.
6. Μετρήστε και καταγράψτε το pH και την αγωγιμότητα του βρώμικου νερού (λύματος).
7. Ρίξτε αργά 200 χιλιοστόλιτρα λύματος μέσα από κάθε συσκευή φιλτραρίσματος κατασκευάσατε
8. Μετρήστε και καταγράψτε το pH και την αγωγιμότητα του φιλτραρισμένου νερού.
9. Συγκρίνετε τα αποτελέσματα (χρώμα, οσμή, pH, αγωγιμότητα) μεταξύ των ομάδων. Συζητήστε τα υλικά φιλτραρίσματος που χρησιμοποιήθηκαν και τα αποτελέσματα που επιτεύχθηκαν.
10. Επιτρέψτε σε κάθε ομάδα να σχεδιάσει και να δημιουργήσει ένα καλύτερο φίλτρο, με βάση τα δεδομένα της τάξης.

Συζήτηση

• Ποια υλικά φίλτρου ήταν πιο αποτελεσματικά στο φιλτράρισμα του νερού;
• Πώς μπορείτε να βελτιώσετε περαιτέρω τον σχεδιασμό του φίλτρου νερού;

Αξιολόγηση

Για την αξιολόγηση ανατρέξτε στην παρακάτω ρουμπρίκα αξιολόγησης μηχανικού σχεδιασμού.

 

Η αξιολόγηση για αυτή τη δραστηριότητα ποικίλλει με βάση τα διαθέσιμα υλικά και τις μεθόδους δοκιμής που χρησιμοποιούνται. Εάν το φιλτραρισμένο νερό είναι πιο καθαρό από τα προσομοιωμένα λύματα, τότε η συσκευή φιλτραρίσματος που κατασκευάστηκε από τους μαθητές θεωρείται αποτελεσματική. Ο βαθμός στον οποίο πιθανώς επιτυγχάνεται η καθαρότητα εξαρτάται από τα διαθέσιμα υλικά, επομένως, στις περισσότερες τάξεις, ενθαρρύνετε τους μαθητές να χρησιμοποιούν τα δεδομένα που θα συλλέξουν κατά την ανάλυση του νερού για να αποφασίσουν ποια φίλτρα είναι πιο αποτελεσματικά.

Επεκτάσεις

• Μάθετε περισσότερα για τις προσπάθειες καθαρισμού νερού της JPL
• Η τεχνολογία φιλτραρίσματος νερού της NASA υποστηρίζει τις προσπάθειες καθαρισμού του νερού παγκοσμίως