Månadens tema i januari för Kemins År 2011 är "Vatten och luft". Rent vatten och ren luft är en förutsättning för att vi ska kunna leva på den här planeten (eller vilken annan planet som helst, förresten). Med den här laborationen kan man illustrera (i liten skala) hur man gör för rena vatten, så att det blir drickbart.

Laboration: Vattenfiltrering

Den här laborationen kan man göra hemma lika väl som på labbet. Aktivt kol kan man köpa i butiker som säljer "bryggsatser" för öl, vin och liknande.

Hur passar den här laborationen in i kemikursen?

Jag har placerat den här laborationen under "Hållbar utveckling" därför att jag tror att det behövs fler laborationer som ansluter till den delen av kursen. Ett alternativ är också att ha med laborationen i samband med att man pratar om Kemisk bindning, då det är det aktiva kolets egenskaper som gör att föroreningarna kan bindas (adsorberas) till kolets yta.

Rent vatten – en förutsättning för ett gott liv.

Om vatten och vattenrening

Rent vatten är något som de flesta av oss tar för givet. Det är ju bara att öppna kranen, så strömmar drickbart vatten ut. Mycket av det vatten som kommer ur kranen har redan använts för andra ändamål, och har passerat genom olika behandlingar för att rena det så att det kan drickas.

Du kanske redan har använt filter eller tabletter för att rena vatten om du varit ute på hajk eller campat. I den här laborationen ska du göra en egen filtreringskolonn, och undersöka dess förmåga att rena vatten.

Varje grupp behöver

Kemikalier

• Vinäger (5%)
• ½ liter aktivt kol
• ½ liter sand
• ½ liter grus
• Jord och löv
• Matolja
• "Rostlösning"

I många delar av världen är rent vatten en bristvara. Tillgång på sådana här vattenreningstabletter kan rädda liv.

Annan materiel

• En tom 2-liters plastflaska
• Linjal
• Sax eller kniv
• Filterduk (eller ostduk/saftduk)
• gummiband
• Stor sked
• pH-papper
• 2 bägare, 1000 ml
• Filterpapper,
• Stativ + muff,
• Stativring,
• Tesked (5 ml),
• Mätcylinder, 10 ml,
• Mätcylinder, 50 ml,
• Halvlitersmått

Äppelcidervinäger.

Gör såhär

1. Mät upp 1 dm³ kranvatten i den ena bägaren. Tillsätt följande, och rör sedan ordentligt med skeden:
   1. 2,5 ml "rostlösning"
   2. ½ tesked jord
   3. 2-3 små löv
   4. 15 ml vinäger (5%)
   5. 15 ml matolja
2. Sätt bägaren på ett filterpapper. Notera vattnets egenskaper. Hur ser det ut? Hur luktar det? Bestäm vattnets pH med hjälp av pH-papper, och anteckna det.
3. Gör en vattenreningskolonn:
   1. Klipp eller skär av de nedersta 5 centimetrarna av en ren och tom 2-liters plastflaska.
   2. Ta bort och släng flaskans etikett.
   3. Skär ut två bitar filterduk à 7x7 cm.
   4. Lägg de två bitarna ovanpå varandra, och täck flaskans mynning (där korken vanligtvis sitter) med dem. Säkra filterduken över mynningen med ett gummiband.
   5. Vänd upp-och-ner på flaskan och placera den (med mynningen neråt) i ett stativ med stativring. Sätt den andra bägaren under för att samla upp den filtrerade vätskan.
4. Häll c:a ½ liter aktivt kol i vattenfiltreringskolonnen. (Detta lager fyller flaskhalsen plus lite till.)
5. Häll c:a ½ liter sand i vattenfiltreringskolonnen som nästa lager.
6. Häll c:a ½ liter grus i vattenfiltreringskolonnen som det sista lagret.
7. Häll 0,75-1 liter kranvatten på gruset i kolonnen, så att vattnet rinner igenom och rensar ut mindre smutspartiklar och kolbitar ur kolonnen. Häll ut vattnet som samlas i bägaren i vasken.
8. Placera ett filterpapper under uppsamlingsbägaren, och häll ¾ av ditt "nersmutsade" vatten (från steg 1) på gruset i kolonnen. Observera hur vattnet rinner genom kolonnen.
9. Notera det filtrerade vattnets egenskaper. Hur ser det ut? Hur luktar det? Jämför med det smutsvatten som du fortfarande har kvar!
10. Bestäm det filtrerade vattnets pH med hjälp av pH-papper, och anteckna det.
11. Mät hur mycket filtrerat vatten du samlade upp. Är det samma mängd som du hällde på?

Frågor att besvara

1. Vilka föroreningar lyckades din kolonn ta bort? Vilka fanns kvar? Hur kunde du avgöra det?
2. Vad finns det för några nackdelar med den här reningsmetoden? Föreslå några sätt, som man kan förbättra kolonnen på!
3. Skulle den här typen av kolonn kunna avlägsna skadliga bakterier från vattnet? Hur bär man sig åt för att avlägsna skadliga bakterier från vatten?
4. Hur många liter vatten tror du att du skulle kunna rena upp med din kolonn? Varför tror du det? Hur skulle du kunna testa din kolonn för att ta reda på det?
5. Några deltagare i en campargrupp får instruktioner att gräva ett hål intill en bäck om de inte har möjlighet att filtrera vattnet ute i skogen. Skulle denna metod kunna tänkas fungera?

Riskanalys

Laborationen är inte riskfylld. Drick inte något av vattenproverna från laborationerna, och alltså inte heller det renade vattnet. Skadliga föroreningar kan vara kvar också efter filtreringen.

Tillkännagivande

Den här laborationen har jag inte kommit på själv, utan hittat i Journal of Chemical Education: JCE Classroom Activity #60: Water Filtration (J. Chem. Edu. 2004. 81(2) s. 224A-224B). Jag har dock bearbetat den för att den ska passa mina behov.

Lärarinstruktioner

Vattenkällor såsom sjöar, åar och grundvatten står för det mesta vattnet som används i hushållen. En del av vattnet som når kranarna i våra hushåll har också använts för andra ändamål. Vatten från dessa olika källor behandlas för att avlägsna föroreningar och göra det tjänligt som människoföda.

Flera olika steg ingår i denna process. Stora saker och partiklar kan filtreras bort. En del partiklar låter man sedimentera, ofta med hjälp av tillsats av kalciumoxid (CaO) för att göra lösningen basisk. Därefter tillsätts alun (KAl(SO₄)₂), som reagerar med hydroxidjonerna (OH^–) i lösningen och bildar Al(OH)₃(s). Det här precipitatet sedimenterar i lösningen, och tar då med sig större partiklar. Övriga partiklar kan tas bort genom filtrering genom sand.

Aktivt kol har behandlats för att öka dess porositet och ytarea, och används för att adsorbera illaluktande eller skadliga (och ibland färgade) ämnen. Vissa föroreningar, däribland kolinnehållande partiklar och klorin, fångas in i porerna. Ett prov med aktivt kol kan mättas med föroreningar, och till slut förlora sina filtrerande/renande egenskaper. Vattnet desinficeras också med kemisk behandling, vanligtvis klorin.

Särskilda förberedelser

Gör en "rostlösning" genom att lägga en tuss stålull (utan tvål!) i en bägare, täcka den med vinäger (5%), och låta den stå framme. Rör i den dagligen med engångsgaffel eller glasstav i 2-3 dagar innan laborationen, tills man bara ser rost i bägaren.

Svar på frågorna

1. Vattenfiltreringskolonnen avlägsnar löv, smuts, matolja, rost och vinäger från det förorenade vattnet. Det filtrerade vattnet innehåller inga löv, har inget oljelager, ingen kännbar doft av vinäger, och den mesta färgen från smutsen och rosten är borta. pH ändras från surt mot neutralt, men pH-värdena varierar beroende på kranvattnets ursprungliga pH.
2. Stora saker, såsom löv, ansamlas på grusets yta, och saktar ner filtret. Ett löstagbart ståltrådsnät kan läggas ovan på gruslagret för att samla upp det. Detta kan man sedan kasta bort vid behov.
3. Inget i kolonnen tar bort bakterier från vattnet. Vattnet kan istället behandlas med kemikalier, t.ex. klorin, eller kokas i flera minuter för att döda bakterierna.
4. Svaren varierar. Filterkapaciteten för kolonnen är inte känd. Eleverna kan hälla ytterligare uppmätta mängder förorenat vatten över kolonnen, och bestämma när den börjar släppa igenom föroreningar.
5. Marken intill bäcken skulle kunna bestå av material såsom sand och grus. Om hålet grävs nära bäcken, skulle vatten kunna sippra igenom marken och fylla hålet. Sanden och gruset skulle då fungera på motsvarande sätt som ett filter.

Tips & inspiration

Man har uppfunnit en finurlig cykel som filtrerar vattnet samtidigt som man cyklar hem med det. En allt-i-ett-lösning som både löser transportproblemet och vattenreningen! En annan uppfinning är en slags "tepåse" som snabbt och billigt renar vattnet.