手軽で簡単に行える自由研究の代表が水についての実験です。
特に注目するのは炭が水を浄化する作用です。
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材料はレジャーで川に行ったときに小石などを集めておいて、家に帰ってから行えば1日でできます。
ここでは
１、
水のろ過装置を作る
２、
水をろ過してみる
３、
炭でろ過できる理由を考察する
の順番で進めていきます。
実験そのものは単純ですが、なぜ水を炭でろ過すると浄化されるのかを理解しておくと、
野外で水を確保しなくてはいけなくなったときに役立つ知識になります。
では装置から作ってみましょう。
水野ろ過装置を作ってみる
ではまず、ろ過装置を作ります。
◆材料
500mlペットボトル
脱脂綿
小石
砂利
砂
布
活性炭または細かく砕いた炭
◆作り方
①ペットボトルの底の部分を切り取る
②活性炭を準備する
脱臭剤などに入っている活性炭を出し、炭の汚れが出なくなるまでよく洗います。
活性炭の代わりに炭があればそれを利用しますが、一般には活性炭の方が手に入りやすいでしょう。
③逆さにして中に詰める
画像の様に逆さにしたペットボトルに
下から
脱脂綿
小石
砂利
活性炭
砂
布
の順番に入れて各層を作ります。
ろ過した水を受ける容器を用意して準備完了です。
では装置が出来たら実際に水をろ過してみましょう。
水をろ過してみる
用意するのは
・泥水
・お茶
・コーヒー
・食紅で色を付けた水
などを上から注ぎ、水がどのくらい浄化されるかを比べます。
実際にやってみるとどのくらい水がきれいになるかが分ります。
◆活性炭の代わりにほかのものを使ってみる。
先程のろ過装置の活性炭の層の部分に
・コーヒーフィルター
・軽石(小さなもの)
を入れたものを作り、同じ様にそれぞれをろ過してみます。
どれも活性炭ほどはきれいにならないのではないでしょうか。
ではここで活性炭、炭について考察してみましょう。
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炭でろ過できる理由を考察する
炭または活性炭を調べると次の様な事が分ります。
◆炭でろ過できる理由
泥水などが活性炭を通すとほかのものよりもきれいにろ過できる理由は
表面に非常に細かい穴が開いているからです。
植物は小さな細胞が集まって作られていて、これを炭にするとその中に含まれている水分等が取り除かれます。
その様子は顕微鏡などでは細かい孔がたくさん開いている様子が見られます。
細胞の形がそのまま残っているので、
1gの炭の表面積は300から400平方メートルにもなります。
ですから、炭自体が細胞レベルの目をもったフィルターと言えます。
また、
活性炭は炭をさらに1000℃近い高温で加熱して作られます。
その表面積は
1グラムにつき800から2000平方メートルになるとも言われ、炭よりも沢山の細かい目をもったフィルターになります。
どちらも汚れた水をろ過するとき、
不純物がその孔に入り込み、でられなくなるため、水がきれいになります。
匂いの分子もこのようにして穴から出られなくなる(吸着)ことにより、吸収してしまいます。
コーヒーフィルターや軽石よりも圧倒的に水を浄化してくれる理由はこの穴の数の差ともいえるでしょう。
◆バイオリアクターとしての役目
聞きなれない言葉ですが、炭にあるたくさんの孔には無機成分が含まれていて、
それを餌とする微生物の住み家になります。
炭が水を浄化する理由は先程のように不純物が孔に入ること以外にも
微生物が有機成分を分解するということも大きく作用しているようです。
実例としては
ゴルフ場修景池 農業用ため池 調整池 お城の濠 河川の浄化
にも多く利用されています。
特に、水に混ざった農薬、アンモニア、リンなども吸着または分解されて無害な物質になります。
自由研究の発展としてはペットボトルによる水の浄化から、炭が実際に水の浄化に使われてる例を調べたりするとより充実した内容になるでしょう。
◆アウトドアでの知識
よほどの緊急ではない限り、水を川の自ら調達することはないと思いますが、
今回の実験で知った炭の知識を持っているとより安全に水を確保できます。
一見、きれいに見える清流や川の上流部でも、細菌や微生物が中にいることを忘れてはいけません。
例を挙げると
魚の糞、鹿など野生動物の糞尿、苔や藻
等に触れていることも当然ですし、
浄化作業をしなければ、
クリプトスポリジウム、ノロウイルス、ジアルジア、赤痢菌などに感染しかねません。
一番の方法は煮沸して使用することですが、その前にろ過装置を使用して不純物を取り除いておくとより安全に使えます。
水を浄化する自由研究はろ過した水の状態を観察してレポートにまとめるだけではなく、
比較実験の他に炭の性質を利用した実例を調べたり、と様々な方向に発展させることができます。
今回は取り扱いませんでしたが、
ろ過装置の層の順番を入れ替えて出てくる水の状態を比べたり、
砂の層を抜いた装置と入れた装置の差を見たりするのも面白いと思います。
自由研究のアイデアの参考にしてみてください。
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