مفاهیم کلیدی: جذب، کربن فعال، فیزیک، شیمی، تصفیه ی آب
مشاهده علمی ۱۸۶
مقدمه:
آیا شما آب را قبل از نوشیدن تصفیه می‌کنید؟ ممکن است در خانه فیلتر آب روی شیر آشپزخانه یا یخچال داشته باشید و یا از پارچ‌هایی خاص که داخلشان فیلتر دارند استفاده کنید. احتمالاً تبلیغاتی در این زمینه دیده‌اید که این فیلترها باعث می‌شوند آب آشامیدنی تمیزتر و سالم‌تر شود. اما آیا تا به حال از خود پرسیده‌اید این فیلترها چگونه کار می‌کنند و آیا واقعاً آب با استفاده از آنها تمیزتر می‌شود؟ در مورد قدرت پاکسازی این فیلترها در فعالیت علمی زیر بیشتر خواهید آموخت. در این فعالیت یک نوشیدنی رنگی را تصفیه خواهید کرد!
پیش‌زمینه:
برای درک بهتر چگونگی کار فیلترهای آب بهتر است یک فیلتر را از نزدیک بررسی کنیم. اغلب فیلترهای مورد استفاده برای مصارف خانگی فیلترهای کربنی هستند. بدین معنا که ماده‌ی داخل این فیلترها کربن یا در واقع نوع خاصی از آن یعنی کربن فعال است. چیزی که باعث خاص بودن کربن فعال می‌شود این است که این نوع کربن یک فرم بسیار متخلخل (تقریباً مانند یک اسفنج) دارد و دارای منافذ میکروسکوپی بسیار زیادی است که آب را جذب می‌کنند. این منافذ میکروسکوپی سطح تماس داخلی بسیار زیادی را فراهم می‌کنند. حدود پنج قاشق چای خوری (ده گرم) از گرانول کربن فعال سطح تماسی در حدود مساحت یک زمین فوتبال دارد!
 |
هنگامی که آب از ساختار متخلخل فیلتر عبور می‌کند، ناخالصی‌ها (مانند مقادیر کم مواد شیمیایی و فلزات) می‌توانند توسط فرآیندی به نام جذب از آب حذف شوند. جذب هنگامی رخ می‌دهد که ترکیبات به صورت فیزیکی یا شیمیایی به یک سطح کربنی می‌چسبند و فیلمی (لایه‌ی نازک) از ماده‌ی جذب شده یا ناخالصی‌های شیمیایی روی سطح ماده‌ی جاذب (کربن) تشکیل می‌شود. به این دلیل سطح تماس ماده‌ی جاذب بسیار مهم است. هر چه سطح تماس بیشتر باشد، شانس چسبیدن مواد ناخالص به سطح بالاتر می‌رود. اگر تمام سطح تماس مصرف شود، از آن به بعد ناخالصی‌ها در آب باقی می‌مانند و زمان تعویض فیلتر آب فرا رسیده است. علاوه بر سطح تماس، مدت زمانی که آب در تماس با فیلتر کربن قرار می‌گیرد نیز اهمیت دارد و در بازدهی فرآیند تصفیه تأثیرگذار است. هر چه آب مدت زمان طولانی‌تری در تماس با فیلتر باشد (سرعت جریان کمتر) جذب بیشتری رخ می‌دهد. می‌توانید این موضوع را با انجام فعالیت زیر متوجه شوید. اکنون زمان شروع آزمایش فرا رسیده است!
مواد و وسایل مورد نیاز:
نوشابه‌ی رنگی
پنج فنجان پلاستیکی (فنجان‌هایی با ظرفیت دو اونس بسیار مناسب هستند.)
قاشق غذاخوری
کربن فعال
زمان سنج
فیلتر قهوه (حداقل چهار عدد)
ماژیک دائمی
دستمال آشپزخانه
کاغذ سفید
یک محیط کار که ریختن مایعات در آن مشکلی نداشته باشد.
آماده‌سازی:
پنج فنجان پلاستیکی را به این ترتیب نام‌گذاری کنید: 0، 1الف، 1ب، 2الف، 2ب.
نیم قاشق غذاخوری کربن فعال (حدود یک گرم) در فنجان 1الف بریزید. برای فنجان 2الف نیز همین کار را انجام دهید.
دو فیلتر دو لایه‌ی قهوه آماده کنید. برای دو لایه کردن فیلترها باید یک فیلتر را در فیلتر دیگر فرو کنید.
زمان سنج و نوشیدنی رنگی خود را آماده کنید.
روش کار:
تعداد یک قاشق غذاخوری (حدوداً ده میلی لیتر) نوشیدنی رنگی در فنجان 0 بریزید. نوشیدنی داخل فنجان چگونه به نظر می‌رسد؟ آیا رنگ آن شدید است؟ نوشیدنی داخل لیوان را ببویید، آیا بوی خاصی دارد؟
زمان سنج را روی پنج دقیقه تنظیم کنید اما آن را روشن نکنید.
نصف قاشق غذاخوری نوشیدنی رنگی به هر کدام از لیوان‌های حاوی کربن فعال یعنی 1الف و 2الف اضافه کنید. (یعنی پنج میلی لیتر به هر لیوان) با دقت این لیوان‌ها را تکان دهید تا از مخلوط شدن مواد داخلشان مطمئن شوید. با اضافه کردن نوشیدنی به کربن فعال چه اتفاقی می‌افتد؟ ظاهر مخلوط چگونه است؟
زمان سنج را بلافاصله پس از اضافه کردن این مواد روشن کنید.
فیلتر قهوه‌ی دو لایه را روی فنجان 1ب نگه دارید. پس از اتمام زمان پنج دقیقه و به صدا درآمدن زمان سنج، محتویات لیوان 1الف (مایع و کربن فعال) را در فیلترهای دولایه‌ی قهوه بریزید. مایع خروجی از فیلتر را در لیوان 1ب بریزید. ظاهر نوشیدنی عوض شده است؟ مجدداً آن را ببویید. به نظرتان بوی آن نسبت به قبل تفاوتی پیدا کرده است؟
زمان سنج را روی ۲۵ دقیقه تنظیم کنید و پس از اتمام تصفیه‌ی محتویات لیوان 1الف آن را روشن کنید.
در حالی که منتظر هستید، هر از گاهی نیز لیوان 2الف را تکان دهید.
حال فیلتر قهوه‌ی دو لایه‌ی دوم را آماده کنید و پس از اتمام زمان ۲۵ دقیقه آن را بالای لیوان 2ب نگه دارید. مایع و کربن فعال داخل لیوان 2الف را در فیلتر بریزید و آنچه که از آن بیرون می‌آید در لیوان 2ب جمع‌آوری کنید. ظاهر نوشیدنی چه تغییری کرده است؟ آیا تغییری در بوی آن احساس می‌کنید؟
در انتها لیوان 0 حاوی نوشیدنی اصلی را در کنار لیوان‌های 1ب و 2ب بگذارید. آنها را روی یک کاغذ سفید بگذارید تا بتوانید رنگ محلول‌ها را بهتر ببینید. به هر سه لیوان نگاه کنید. با گذشت زمان و قرار داشتن در تماس با کربن فعال نوشیدنی‌ها چه تغییری کرده‌اند؟
آزمایش‌های تکمیلی:
اگر از کربن فعال خوراکی استفاده کرده‌اید، می‌توانید طعم هر کدام از محلول‌ها را بچشید. مزه‌ی آنها در مقایسه با نوشیدنی اصلی چگونه است؟ مزه‌ها چطور تغییر کرده‌اند؟
نوشیدنی‌هایی با رنگ‌های مختلف را امتحان کنید. آیا نتایج آزمایش در مورد تمام آنها یکسان است یا برخی از رنگ‌ها بهتر نتیجه می‌دهند؟
اگر نسبت کربن فعال به نوشیدنی را تغییر دهید چه اتفاقی می‌افتد؟ این فعالیت را با مقادیر متفاوتی از کربن فعال در حجم ثابتی از نوشیدنی امتحان کنید. همچنین می‌توانید مقدار کربن فعال را ثابت نگه دارید و حجم نوشیدنی را تغییر دهید. آیا نسبت‌های مختلف از کربن فعال به نوشیدنی نتایج متفاوتی را حاصل می‌کند؟ به عنوان مثال با افزایش مقدار نوشیدنی و ثابت نگه داشتن مقدار کربن فعال پس از پنج دقیقه چه اتفاقی می‌افتد؟
سعی کنید مواد دیگری به جای کربن فعال برای تصفیه‌ی محلول‌های خود پیدا کنید. به نظرتان چه مواد جاذب دیگری مانند کربن فعال عمل می‌کنند؟ این مواد چه خواصی باید داشته باشند؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
نوشیدنی‌های رنگی تنوع زیادی دارند. با نگاه کردن به نوشیدنی‌تان در لیوان احتمالاً متوجه شده‌اید که رنگ آن شدید است. بسته به رنگ یا طعم نوشیدنی ممکن است بوی میوه‌ای یا شیرین احساس کنید. هنگامی که نوشیدنی را داخل لیوان‌های حاوی کربن فعال می‌ریزید، تولید حباب و صدا را متوجه می‌شوید. دلیل آن است که با خیس شدن کربن فعال، تمام هوای داخل خلل و فرج فراوان آن توسط مایع جایگزین و در نتیجه آزاد می‌شود. بدین ترتیب تولید حباب و صدا قابل توجیه است.
ساختار متخلخل کربن فعال
مخلوط اکنون به صورت یک دوغاب سیاه به نظر می‌رسد و اگر پس از گذشت پنج دقیقه آن را در لیوان 1ب تصفیه کنید متوجه می‌شوید که رنگ نوشیدنی بسیار کمتر می‌شود. همچنین بوی میوه‌ای آن بسیار کم و یا حتی غیر قابل تشخیص می‌شود. اگر لیست مواد اولیه‌ی مورد استفاده در نوشیدنی را نگاه کنید، متوجه خواهید شد که مواد اولیه‌ای در آن به منظور ایجاد طعم و رنگ به کار رفته‌اند، مانند «آبی شماره یک»، «رنگ کارامل» و یا «طعم دهنده‌ی مصنوعی».
این‌ها اغلب مواد شیمیایی و ترکیبات آلی هستند که به سطح کربن فعال جذب شده و در خلل و فرج آن حبس می‌شوند. به همین دلیل از نوشیدنی شما جدا می‌شوند. اگر نوشیدنی مدت زمان بیشتری در معرض کربن فعال قرار بگیرد می‌توان تمام رنگ آن را جدا کرد و در نهایت محلولی شفاف به دست آورد. آیا پس از گذشت ۲۵ دقیقه محلول تصفیه شده در لیوان 2ب شفاف می‌شود؟ هر چه نوشیدنی مدت زمان بیشتری در تماس با کربن فعال باشد رنگ و مواد شیمیایی بیشتری از آن به سطح کربن فعال جذب می‌شود. اگر مدت زمان کافی صبر کنید تمام رنگ و طعم آن از بین می‌رود.
اگر نسبت نوشیدنی به کربن فعال را تغییر دهید، به این نتیجه خواهید رسید که استفاده از حجم زیاد نوشیدنی همراه با مقدار کمی کربن فعال نتیجه‌ی خوبی حاصل نمی‌کند. دلیل آن است که کربن فعال ظرفیت محدودی برای جذب مواد شیمیایی دارد. بدین معنا که پس از پر شدن سطح آن با مواد و ترکیبات شیمیایی، هیچ فضایی برای جذب بیشتر باقی نمی‌ماند. به همین دلیل لازم است فیلترهای مورد استفاده در منزل مرتب تعویض شوند.
اگر از کربن فعال قابل خوردن استفاده کرده باشید، با چشیدن طعم نوشیدنی بی رنگ متوجه تفاوت طعم آن در مقایسه با نوشیدنی اصلی شده‌اید. حال به فیلتر آبی که در خانه استفاده می‌کنید فکر کنید. شیوه‌ی کار دقیقاً به همین شکل است، بسیاری از ترکیبات داخل آب (که ممکن است برخی از آنها را نتوانید ببینید) در فیلتر کربن فعال گیر می‌کنند و آب سالم برای نوشیدن در اختیار شما قرار می‌گیرد.
تمیز کردن:
می‌توانید تمام محلول‌ها را در سینک ظرفشویی بریزید. تمام کربن فعال استفاده شده را در یک ظرف بریزید و آن را در سطل زباله بیندازید. میز کار خود را نیز با دستمال مرطوب تمیز کنید.
منبع:
منابع مفید: