小さな粒は、集めてから取り除く
水に細かい粒が散らばっていると、そのままでは沈みにくいことがあります。浄水の工程では凝集剤を使って粒を集め、フロックと呼ばれるかたまりを作り、沈殿やろ過で分離しやすくする場合があります。粒を薬品で消してしまう操作とは違います。水の中に残る分と、沈んだかたまりの側へ移る分を分けて考えます。
凝集の働きは、水の性質、添加する物質とその量、混ぜ方、温度などに左右されます。「たくさん入れれば必ずきれいになる」という一方向の規則ではありません。中学入試の表で添加量とにごりが示されたら、量を増やした順に結果がどう変わるかを最後まで読みます。途中までよくなっても、その後は同じか、逆の傾向になることがあります。
凝集、沈殿、ろ過を区別する
凝集は粒が集まる段階、沈殿は下へ沈む段階、ろ過は通り道を使って分ける段階です。目的がつながっていても操作は同じではありません。凝集直後に白いかたまりが増えれば、水が余計に汚れたように見えることもありますが、その後の分離まで確認しなければ処理の結果は決められません。どの時点でにごりを測ったかを表の見出しで確かめましょう。
見た目が透明になっても、溶けた塩などが全部除去されたとは言えません。微生物の扱いや飲めるかどうかも、にごりの数字だけで判断する問題ではありません。この題材で読むのは粒の除去です。家庭で薬品を入れて飲み水を作る手順として扱わず、施設で管理された工程の一部分を資料として考えます。
例題1｜試した範囲で選ぶ
同じ原水へ、凝集剤を0、1、2、4単位加え、同じように混ぜて待ちました。上澄みのにごりはそれぞれ40、15、5、9単位でした。試した中でにごりが最も小さい添加量はどれですか。「添加量を二倍にすると、にごりは半分」と言えますか。
答え・解説：添加量2単位が最も小さく、にごりは5単位です。1から2へ増やすと15から5へ変わり、半分ではありません。2から4へ増やした場合は、5から9へ増えています。全体を読むと単純な反比例ではないと分かります。ただし2単位があらゆる添加量の中で最適とまでは言えません。例えば2と4の間をまだ測っていないからです。
例題2｜除去された割合
処理前に水中の粒が合計80mgあり、処理後の上澄みに20mg残っていました。粒の量を同じ範囲で測り、ほかから粒が増えないとすると、取り除かれた粒は何mgで、初めの何％ですか。
答え・解説：取り除かれたのは80−20＝60mgです。初めの80mgを分母にして60÷80×100＝75％となります。20÷80の25％は残った割合です。沈んだフロックをそのまま測った質量には、加えた凝集剤由来の成分や水も含まれ得るため、湿った沈殿が60mgになると決めてはいけません。ここでは粒だけを比べた数値を使っています。
よい対照を用意する
薬品を加えない容器でも、同じ時間待てば一部の粒は沈むかもしれません。この対照があることで、待った効果と凝集剤の効果を分ける助けになります。片方だけ強くかき混ぜたり、測る場所を底に近くしたりすれば、比較がずれます。採水位置も同じ高さにそろえたという条件は、見落としやすい重要事項です。
表をまとめるときは、添加量、待ち時間、測った場所、にごりの順に欄を作ります。二つの数字の対応だけでなく、その数字が出た操作を短い言葉で添えましょう。水が澄んだという結果から始めて、何が沈み、何が残ったのかへ戻る読み方ができると、ろ過や溶解度の問題とも混同せずに説明できます。
上澄みの採り方で結果が変わる
沈殿後の上澄みを採るとき、容器を振って底のかたまりを再び舞い上がらせれば、にごりの値は大きくなります。この場合、凝集剤が効かなかったと結論するのではなく、採水操作で分離したものを混ぜ直していないか確かめます。底から何cmの位置で採ったか、採るときに液をかき乱さなかったかなどが、数値の再現性に関わります。実験計画を読む設問では、薬品名よりこのような操作の一文が答えの根拠になることがあります。
強く混ぜる段階と、できたかたまりを育てるために穏やかに混ぜる段階は、同じ目的ではありません。最初に薬品を均一に行き渡らせることと、大きくなったフロックを壊さず扱うことを分けます。「よく混ぜるほど成功する」という一般論ではなく、どの工程の混合かを確認します。待つ時間を長くした群だけ、混ぜ方も変えてしまえば、沈みやすさの比較も分かりにくくなります。
除去率を二つの段階で読む場合も、前の段階の残りが次の段階へ進みます。凝集沈殿で粒の四分の三を除いた後、ろ過で残りの半分を除いたなら、最初の粒の八分の一が残ります。二段階の除去率75％と50％を足して125％としないでください。最初の100個を模型の粒とすれば、25個が次へ進み、その半分が残るという絵になります。整数でなくても、質量の比として扱えば矛盾はありません。
透明さを改善する操作が、塩の濃度を同じ割合で下げるとは限りません。粒の集合を取り除く仕組みと、溶けたイオンを取り除く仕組みは区別する必要があります。中学受験では難しいイオンの式を使わなくても、粒として存在するものと透明な溶液中に残るものの違いを考えられます。見えるにごり一つだけで、あらゆる成分の除去を評価しないことを意識します。