【4M】Clean Water Science 環保淨水器

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4M的產品注重於親手操作，不論是組裝機械、自製小飾品、收集材料進行實驗，從操作中獲得跨領域的知識，培養面對問題的勇氣，讓知識得以被實踐。
4M產品設計的基礎，就是要帶給孩子們四種不同心智體驗，激發創造力，引導想像力，啟發知識，感受學習的樂趣。

Clean Water Science 環保淨水器

適合年齡 : 8歲以上

包裝尺寸 : 約 17 x 22 x 6 cm

A. 安全指示
1. 開始使用前請詳讀說明。
2. 建議使用時需要有大人的監督以及管理。
3. 產品適合年齡八歲以上的兒童使用。
4. 產品中含有小物件可能會有造成哽咽導致窒息的危險，不適合三歲以下孩童使用。
5. 請勿用一般污水來做實驗，因為一般污水中含有細菌以及微生物會損壞產品，請跟隨指示加入人造的污水，這個實驗足以淨化水。
6. 淨化後的水只是實驗性的淨化水，請不要飲用淨化後的水，實驗過程中必須用到熱水，請大人在旁協助。

B. 內容物
1. 四個塑膠長方容器(filter section)
2. 圓形濾器基座(Round filter base)
3. 漏斗狀收集器(Funnel-shaped collector)
4. 黑色塑膠杯(Black plastic cup)
5. 小塑膠杯(Small plastic cup)
6. 透明管(Transparent tube)
7. 兩個透明蓋(transparent cap)
8. 四個濾器栓片(filter plug)
9. 一片軟膠(soft wax)
10.兩個金屬墊圈(metal washer)
11.一條釣魚線(Fish line)
12.三張濾紙(filter paper)
13.三包砂礫(bag of gravel)
14.三包沙(bag of sand )
15.三包碳粉(bag of carbon)
16.一片銀色反光紙卡(Silver reflector card)
備註：有些材料須在家中找，使用前先問大人。

C. 實驗 過濾
警告：請勿飲用過濾後的水，過濾水僅供實驗使用。

實驗中，你將會運用四個塑膠濾器來過濾水，濾器將會淨化出水中的雜質。
你將會需要: 四個塑膠濾器、四個濾器栓、濾器基座、軟膠、一包碳粉、一包沙、一包砂礫、銀色反光紙卡(備註：一個塑膠濾器紙加入一包碳粉、沙、砂礫剩餘的兩包預留到以後實驗用)

家中材料(不包括產品)：一些乾淨的土壤(例如:：盆栽中的土讓)、食用油、兩個玻璃杯，一個任何形狀大小，一個透明的，透明杯口必須小於圓形濾器基座。

1. 塑膠濾器栓是為了讓水規律的流進塑膠濾器，塑膠濾器栓片上總共有六個缺口，用軟膠填滿其中兩個塑膠栓的其中四個缺口，剩下的兩個缺口不要填。填過軟膠的塑膠濾器栓片，必須裝填在填滿沙與碳粉的塑膠濾器中，塑膠濾器栓片可以減慢水流的速度，可以有效的幫助過濾。
2. 將四個塑膠濾器栓片卡進四個塑膠長方容器的底部，你可以用一支筆把塑膠濾器栓片推進塑膠容器，你應該會有兩個塑膠長方容器裝有填過軟膠的栓片，另外兩個塑膠長方容器裝有沒填過軟膠的栓片。
3. 在裝填砂礫、沙、以及碳粉到塑膠容器內前，請先把每樣材料分開放入一個小容器內(不要把材料混合)，用清水沖洗一下，把在材料內的灰塵洗掉。
4. 把沙和碳粉放入有填過軟膠栓片的容器內，把濾紙以及砂礫放入沒填過軟膠栓片的容器內。
5. 把圓形濾器基座放在桌上，將四個塑膠長方容器依照下方圖示的順序疊在圓形濾器上： 裝有濾紙的容器在最下方，接下來是裝有碳粉的容器，再來是裝有沙的容器，最後是裝有砂礫的容器。要確定每個容器都有卡好。
6. 將所有濾器放在一個玻璃杯上。

準備人造的污水
先裝半杯水加入先前準備乾淨的土以及食用油，攪拌至杯中材料呈現褐色，玻璃杯中的液體就是實驗中所要用的人造污水(放入食用油以及髒水後記得要洗手)

做實驗
請慢慢倒入剛做好的人造污水到疊好的塑膠容器內，人造污水將會慢慢滲入一個一個容器內，如果步驟順利的話，水將會一滴一滴流動於每個容器。
請問一下剛剛收集到的水有多乾淨？

如何做到
人造污水流過每個填滿沙、砂礫、碳粉以及濾紙的容器，經過這個過程就可以淨化水。每個不同的容器可以濾掉污水中不同形狀大小的微粒，砂礫以及沙子中有不同大小的縫細，縫細使水可以穿過但可以把水中的微粒留下。碳粉粒是用碳精組成的，水中的化學成分會因為依著在碳粉的表面而被移除，這個過程叫做吸附作用。濾紙上有細孔，水可已經由細孔慢慢滴落，但是大於細孔的微粒就會被留在濾紙中，尤其對人造污水中的油特別有效。這個過濾程序證實植物淨化水的原理，而此淨化水就像是家家戶戶所飲用的淨化水。利用植物淨化水使過濾更有效，然後再添加一些化學物質確保水是可以用的。

清洗過濾材料以及器材
每次實驗完或是要再做下一次實驗前必須清洗過濾材料以及過濾器材，沙、砂礫、碳粉清洗後都能夠重複使用。把過濾材料放入小玻璃杯中(不要混和材料)，放入清水，加入一滴清潔劑輕輕攪拌。使過濾材料成澱在杯底，然後把水倒掉 。過濾器材一樣用乾淨的水清洗，清洗後倒過濾材料至塑膠濾器中，清洗過濾材料一至兩次，清洗後將材料再次倒入清洗好的塑膠濾器中(記得將沙及碳粉到入有填過軟膠的塑膠濾器中)，實驗過幾次之後，你也許會需要加入之前預留的過濾材料(沙、砂礫、碳粉)，你也可以在水族館買更多的過濾材料，或是在沙灘上收集沙和花園中收集砂礫，但在使用前必須清洗乾淨。至於濾紙可用衛生紙代替。

問題發生
如果你發現濾紙不乾淨
‧試著重新過濾紙，由於過濾器材(塑膠長方濾器)很小所以很難一次清洗乾淨，尤其所使用的水是髒的或是油的。
‧要檢查水留下的速度是太快，如果速度太快，試著把塑膠濾器在卡緊一點，或是把塑膠濾器連接處用膠帶捆起來，這個動作可以防止空氣進入塑膠濾器中，可以緩慢水留下的速度。
‧確認把過濾材料(沙、碳粉)放入有填過軟膠的塑膠濾器中，人造污水流下的速度在這兩個塑膠濾器中必須緩慢一些。
‧你也許需要清洗或替換預留下的過濾材料。

哪裡使用過濾
‧我們在住家以及工業上都有大範圍的使用過濾。家中我們使用濾紙過濾咖啡，為了製造家用水，會利用碳粉過濾掉水中的微粒例如氯以及其他化學物質。濾紙以及碳粉在機器中是用來過濾清水、燃料、油、及空氣的。在氣體防護面罩中是用來防止吸入空氣中的塵埃以及危險性氣體。
‧沙層的過濾大部份是用來過濾我們喝之前以及喝之後的水，這類型的過濾叫做沙層快速過濾，因為在水快速滴漏於沙層時，可以濾掉水中的微粒，例如砂粒，慢速沙層過濾會在比較下層沙質會比較好，在水流過慢速沙層時，會形成一層細微的有幾粘質在上方，這些有機體以水中的微粒維生，所以經過這個過程就可以得到乾淨的水。

有趣的實驗成果
‧沙層過濾原理利用在水族箱以及游泳池，水槽的水以及洗澡水(灰水)那些水可以用來澆花。
‧碳粉具高滲透力，所以水可已經由碳粉中的細孔輕易的滲透過去。
‧一克的碳粉表面有五百平方公尺大，相當於一個籃球場。
‧碳粉常常被人體食入而導致中毒，因為碳粉會使有毒物質留在我們的胃中。
‧濾紙是用來做色層分析的，經由此方法將溶解於液體中的材料與液體分開。

D 實驗二 蒸餾
警告：此實驗必須用到熱水，在用熱水時，需要有大人在一旁陪伴與監督。
此實驗是利用一種過程叫做蒸餾來淨化水，水蒸發後留下一些雜質。蒸餾是另外一種常見的化水的方法。最常運用在工廠的去鹽作用。
你需要（盒中工具）：圓錐狀收集器、小塑膠杯。
你需要（不包括盒中工具）：一杯熱水（熱到有水蒸氣）、冰塊、少許茶葉

做實驗
1. 請一位大人幫你做此步驟，準備一杯滾燙的熱水，混入茶葉。
2. 將圓錐狀收集器的底部推入小塑膠杯中心的圓柱，將這兩樣東西放置在混入茶葉的玻璃杯上方。
3. 在收集器內放入一些冰塊，
4. 過一會，看收集器的下方，你將會看到冷凝後的水最後那些清水會一滴一滴的滴入杯中。

如何作用
從熱茶表面所蒸發的水，代表液體水變成水汽(在水中的氣體)，不是茶葉也不是它們所釋放的化學成分造成液體水變成水汽，是冰使收集器變冷，當水汽接觸到收集器時，被冷卻和壓縮(轉變回液體水)然後一滴一滴的滴入杯中。所以蒸發然後冷凝這個過程，就稱做蒸餾。可以去掉水中的雜質(例如實驗中的茶葉以及一些化學物質)。

問題發生
如果只有收集到一點點清水，確認一下熱水是不是夠熱。只有滾燙的熱水才有半引發蒸餾作用。倒掉準備好的熱茶水再用更熱的水重做一次實驗。

哪裡使用蒸餾
蒸餾用來淨化水、製作醫療用的消毒水、清潔隱形眼鏡，也有使用在工廠的去鹽作用將海水中的鹽分去掉轉化成能夠飲用的水。在化學上，蒸餾是用來移除液體中的水分並且保留住水分的一種方法。在食用油工業，蒸餾是用來分離天然油，然後加入各種不同產品中的方法，例如汽態丁烷、石油、燃料油。在蒸餾工廠裡，以蒸餾法提取的液體溫度將會提高產生水汽使蒸餾過程完整。

證明水循環
你可以用相同的設備來觀察地球的水循環。實驗中需要一個透明玻璃杯，杯口要小於圓錐狀收集器(或是請大人剪掉三分之一個小塑膠瓶)、一些土壤、一顆小植物，例如長春藤。
1. 加入少許公分的土讓，輕輕的將植物重在土裡，輕壓植物根部附近的土壤，加入少許的水到土壤。
2. 將收集器以及小塑膠杯蓋在玻璃杯的上方(如果你是使用剪過的小塑膠瓶代替玻璃杯，必須確認收集器有沒有緊密的吻合塑膠瓶的邊緣否則水蒸氣會由縫細漏出去，你可以利用膠帶將縫細都封好。)
3. 把杯子放在可照到日光的地方等候 3 至 4 個小時後，注視漏斗下方，會看見凝結而成的水最終會集結在小杯子內。
這項實驗是水循環的一項範例。水經太陽的熱力由植物與土壤蒸發出來，如大自然一般。漏斗上的凝結物代表雲的形成，而水滴則代表落雨。

有趣的結果
‧此一裝置在此套裝工具中稱作蒸餾器。
‧在熱帶國家，太陽所提供的能量被用在飲用水製造之途。太陽的熱力使水蒸發，而低溫使水再次凝結。
‧水循環是水與海洋、大氣、土地之間的持續循環。藉此形成雲、雨與水流。

E 實驗三 太陽能加熱殺菌法
警告: 經太陽能加熱的水可達到攝氏 60 度(華氏 149 度)的高溫，必須要有成人監督下運作。
在此實驗中，你可藉由一個稱做太陽能加熱殺菌的過程淨化水源。當水加熱至 65 度(華氏 149 度)，水中不好的微小有積體會被殺死。太陽的熱力被用於加熱水而達到殺菌的目的。此項實驗包含一個名為水殺菌指示計的簡易裝置，由此判定水是否已被加熱到所需之溫度。

你將需要用到: 黑塑膠杯、銀色紙卡、水殺菌指示計之零件，例如金屬墊圈、釣魚線、透明管、透明塞子，軟膠。
也需要一些家裡找的到的東西(不包括盒中工具): 一個可以整個蓋住黑色塑膠杯的透明大杯子，和一小片保鮮膜。

組裝水加熱殺菌指示器
在實驗之前必須經過以下組裝
1. 將軟膠放於透明管的內。
2. 將管子兩端蓋上透明塞子。
3. 將金屬墊圈綁上釣魚線。
4. 將綁著墊圈的釣魚線穿過兩側透明塞子上的小孔。
5. 最後另一側也綁上墊圈即完成。

實驗開始
1. 把兩片銀色紙卡折起，將紙卡上的兩個突起邊插入另一張紙卡的凹槽，使而固定立起成盒狀，需要的話可以搭配膠帶使用。
2. 將立起的銀色紙盒放置於日光下，使陽光可以照進盒內。將保鮮膜放於底部(預防製造出來的水滴弄濕紙盒)後將黑色塑膠杯放在保鮮膜上。
3. 把水倒入黑色塑膠杯內。
4. 測試指示器。拉起指示器一邊的釣魚線，拉至一邊的墊圈已卡住於洞口，卡住墊圈的一邊是要放置於黑色塑膠杯底部的。
5. 將指示器放入水中，確定軟膠是在管子的最上方後，將拉起的釣魚線往杯緣吊掛出來。
6. 將透明大杯子蓋住整個放入指示器的塑膠杯後，杯中的水會開始經由太陽加熱。(可以在透明杯頂放置一個重物，像是石頭，確保杯子穩固的蓋住塑膠杯，防止水漏出來。)
7. 每半小時把水中的指示器拿起來，檢查軟膠的狀況。當軟膠已融化於杯底，代表水的溫度已經足夠且達到殺菌。可以用此裝置花大約兩小時的時間在陽光下做水質殺菌，亦可在旁觀看水質的變化。保鮮膜會保護銀色紙盒避免弄濕損壞。

備註:如要再次使用此裝置，只要把軟膠下沉的指示器倒過來放入水中，使軟膠一樣保持在管子最上層，便可使用。

加熱殺菌法式怎麼作用
銀色反光面的角度使陽光中的農聚集，黑色塑膠杯收集能量然後使水提升溫，玻璃杯與塑膠杯之間的空隙，就像是雙層玻璃。留在空隙中的空氣層對塑膠杯具有隔熱作用，可以防止熱能的散失，當水溫到達攝氏 65 度(華氏 149 度)水中所有具有危險性的微小有機體都會死掉。把水加熱到此溫度這個過程稱作加熱殺菌法，如果溫度再比攝氏 65(華氏 149 度)高一些軟膠將會溶解，溶解時，軟膠將會流到塑膠管的下方，這就表示溫度已經超過加熱殺菌法所需要的溫度。

哪裡運用加熱殺菌法
這項實驗證實對水進行加熱殺菌對一個遙遠沒有自來水(水經由水管提供)和沒電力加熱的地方是一種經濟又有效率的方法。這項實驗中，從井水以及河水取來的水經由加入殺菌法就會變成安全的飲用水。利用陽光中的熱能來使水溫提升，既經濟又方便。經由盒中工具的指示器，可得知實驗已完成。

在食品業加熱殺菌法也很重要，它用來處理牛奶、果汁、和其他各種食物。它可以殺死在含在食物中的微小有機體以及使食物的新鮮度更長。

問題發生
如果水溫沒有到達應有的熱度(就是軟膠溶化而掉落在水質加熱殺菌指示器的底部)：
‧ 也許陽光不夠充足，在陽光大點的日子再試一遍，例如中午陽光最熱以及紫外線指數最強的時候，避免在有風的日子做實驗。
‧ 持續確認收集器是否面對陽光(記得陽光在一天當中會隨著時間不同而改變角度)
‧檢查玻璃杯跟保鮮膜是否有接觸，如果沒有在上面增加一點重物(如實驗步驟六)。

如果你住的地方沒有強烈的日照(或是正值冬天)或者你需要在實驗室操作此實驗，你可以用一個裝有六十瓦燈泡的桌燈(非螢光的省電燈泡)可把燈光當作陽光。把燈光往銀色紙卡照，你就可以達到加熱殺菌過程所需的溫度，但所需要的時間會比利用日照長。
警告：使用桌燈時需要成人的監督。

有趣的成果
‧加熱殺菌法是由法國科學家路易斯派屈爾(Louis Pasteur)所命名。
‧加熱殺菌法殺死水中有害人體的微小有機體，包括歌蒂雅氏菌(guardia)、柯雷亞氏菌(cholera)、沙蒙尼拉氏菌(salmonella)、易科粒菌(E. Coli)、羅塔病毒(rotavirus)。
‧加熱殺菌法不像消毒，加熱殺菌法可以殺死所有微小有機體，水只能經由煮沸來消毒。

F 趣味無限 進階實驗
警告：需要大人的協助以及監督。
利用盒中工具做進階實驗
1. 將長方塑膠濾器分開，利用上述所提到過濾水的方式中的其中一種方法進行實驗，比較結果你會發現不同過濾材料會有不同功能。
2. 經由大人的允許及協助下，混合由廚房所取得的不同液體或物質(例如咖啡、軟性飲料、玉米片)來製作不同成分的人造污水，記得你的過濾器材有可能無法完全淨化某些液體。但是這將會證實過濾的原理，過濾器材不會使所有過濾材料完全溶解於水中。例如，軟性飲料內的糖分會持續留在過濾液體中，即使水質看起來很乾淨。完成每一項實驗後清洗過濾器，實驗後會有些殘留物沉澱於杯中，會有難聞的味道，所以需要清洗
3. 使用實驗 2 的裝置，製作太陽能蒸餾器。在杯中放入些鹽水，但不需要再使用到冰塊。把裝置放在實驗三的銀色紙盒中，然後把它放置在中午的烈陽下。你應該可以些純淨無鹽份的水。你可以解釋太陽能蒸餾器如何運作的嗎?
4. 在實驗 3，用一個白色塑膠杯代替黑色的塑膠杯，或是把大透明杯拿走，或是拿走銀色紙盒，你仍然可以達到該有的殺菌溫度嗎(攝氏 65，華氏 149)?為什麼?

G. 關於水的一些報導
‧大約百分之十五的全球人口沒有好的管道清潔飲用水。
‧開發中國家中四分之三的死亡與疾病都是由水中的細菌造成像是哥雷拉氏菌。
‧每年有兩百萬個小孩死於飲用不乾淨的水。

藉由維護我們乾淨的水源來拯救環境。

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