活性炭を入れると、水の色が薄くなりました。では、この活性炭を使えば何Lでも同じように処理できるでしょうか。吸着できる量には限りがあり、水に含まれる物質の量や、触れ合う時間も関係します。
今回は吸着の仕組みの説明から一歩進めて、除かれた物質が何mgかを求めます。中学入試の資料では、濃度が下がった割合だけでなく、何Lの水を処理したかをそろえる必要があります。薄くなったという印象を、物質の収支へ置き換えてみましょう。
濃度の差に水の体積を掛ける
濃度10mg/Lは、水溶液1Lに対象物質が10mg含まれるという表示です。2Lなら20mgです。この水の濃度を2mg/Lまで下げたら、残っているのは4mgで、除かれた分は16mgになります。10－2＝8だけでは、除いた質量の答えになっていません。
この計算では処理前後の体積は同じとし、対象物質が分解したり、容器へ付着したり、気体になって逃げたりしない条件を置きます。除去された分は活性炭へ移ったと考える設定です。別の変化が起きるなら、濃度の差だけをすべて吸着量とすることはできません。
活性炭1gあたりへ換算する
活性炭を0.20g使って16mgを吸着したなら、1gあたり80mgという値です。ここでいう80mg/gは、その実験条件で得た値です。活性炭の種類、吸着する物質、水温、他の溶質などが変わっても、いつでも同じ容量になるわけではありません。
一定の濃度を超える前に交換する実際の装置では、最大まで使い切れるとは限りません。流れが速すぎて接触が不足する場合などもあります。「理論上何gあれば足りるか」と「必要な水質を保てる設計か」は同じ問いではないことを押さえます。
例題1：何mgが移ったか
対象物質を12mg/L含む水溶液3.0Lを、活性炭0.50gで処理しました。体積は変わらず、濃度は2mg/Lになりました。減った分はすべて活性炭に吸着したとします。吸着した総質量と活性炭1gあたりの吸着量を求めましょう。
答え・解説： 濃度差は10mg/Lなので、10×3.0＝30mgが移りました。1gあたりでは30÷0.50＝60mg/gです。処理前36mg、処理後6mgという差で求めても30mgです。水溶液のLと活性炭のgを、同じ分母として混ぜないようにします。
色の濃さを使って濃度を推定した実験なら、その換算表も必要です。見た目が半分の濃さに感じたから濃度も半分、と独自に決めるのではなく、資料の基準を使います。濃度計の値にも測定誤差があることは、結果の桁を考える手掛かりになります。
例題2：理論上の最小量
ある条件では活性炭1gが対象物質を最大50mg吸着でき、その容量まで使えると仮定します。濃度8mg/Lの水10Lを、濃度1mg/Lにしたいとき、理論上最低何gの活性炭が必要ですか。水の体積は変わりません。
答え・解説： 除きたいのは（8－1）×10＝70mgです。70÷50＝1.4gが理論上の最小量です。最初に含まれる80mg全部を除く設定ではないので、80÷50＝1.6gではありません。目標濃度で残してよい10mgを区別します。
この1.4gは実際の浄水に十分だと保証する値ではありません。問題の仮定で容量を完全に使えるとした答えです。家庭の水を飲めるかどうかは、この計算や色が消えたことだけでは判断できません。
率が高い方が量も多いとは限らない
100mgから90mgを除く処理は90％、10mgから9.5mgを除く処理は95％です。除去率は後者が高くても、除いた質量は前者が大きくなります。装置を比べるときは、処理体積、入口濃度、出口濃度の三つを一組で読む必要があります。
吸着済みの活性炭には物質が移っています。水の中から見えなくなったことを、物質そのものが消滅したと説明しないでください。使用後の材料をどう扱うかという問題も、行き先を追うと見えてきます。
実験の結論は「この条件では、活性炭0.50gへ30mg移った」のように、量と条件をそろえて書きます。濃度だけ、割合だけ、活性炭の重さだけの比較を避ければ、表に複数の数字が並んでも、何を掛け何で割るかがはっきりします。
連続して流す装置の記録
活性炭の層へ水を流し続けた場合、出口の濃度を時間ごとに測ると、初めは低く、後から高くなることがあります。入口の濃度と流量が一定なら、出口へ漏れ始めた時刻は使用状態を考える手掛かりです。ただし、最大吸着量へ到達する前から、出口の許容濃度を超える場合もあります。
時間帯によって濃度が違う水をまとめるときは、各時間帯の濃度にその間の水量を掛け、質量にして合計します。高濃度の区間と低濃度の区間を、流量も時間も見ずに単純平均してはいけません。バケツ一杯の処理と、連続流の装置では記録の形が違いますが、対象物質の入口と出口を量として追う考え方は共通です。