Wasserfilter in Schichten

Was das Kind lernt

• Dass ein Filter feste Teilchen nach ihrer Größe vom Wasser trennt: Die Lücken zwischen den Körnern sind das „Netz“.
• Dass die Reihenfolge der Schichten wichtig ist: Die groben oben halten das Große zurück und schützen den feinen Sand, der das Kleine festhält.
• Klares Wasser von Trinkwasser zu unterscheiden: Mikroben und gelöste Stoffe gehen durch diesen Filter hindurch.
• Zu messen und zu vergleichen: Filterzeit, aufgefangene Menge und Klarheit mit einer Lesekarte.

Vorher vorbereiten

• Wasche den feinen Sand, den groben Sand und die Steine im Sieb unter dem Wasserhahn, bis das Wasser fast klar herauskommt (5 Minuten). Das ist das Geheimnis, damit es funktioniert.
• Bereite das schmutzige Wasser in einem Glas vor: 250 ml Wasser + 1 Esslöffel Erde; 30 s umrühren. Fülle außerdem ein Kontrollglas mit demselben schmutzigen (ungefilterten) Wasser zum Vergleichen.
• Drucke den Streifen A und die Karte B mit 100 % aus.
• Arbeite in der Spüle oder auf einem Tablett: Es wird Wasser und Sand verschüttet.
• Stelle einen Eimer bereit, um den schmutzigen Sand am Ende zu entsorgen (in den Garten oder in den Müll, nie in den Abfluss: Er verstopft).

Materialien und Werkzeuge

• Plastikflasche — 1
  Wasserflasche 1,5 L, glatt und durchsichtig (Ø ≈ 9 cm), ohne Deckel
• Dünner Stoff — 1 Quadrat 10 × 10 cm
  dünne Baumwolle, Mull oder ein Stück Strumpfhose
• Gummiband — 1
  um den Stoff am Flaschenhals zu befestigen
• Watte — ≈ 5 g (eine faustgroße Kugel oder 6 Abschminkpads)
  saugfähig
• Feiner Sand — ≈ 300 g (≈ 200 ml)
  vom Strand, Spielplatz oder Aquarium, Körner < 1 mm, gewaschen
• Grober Sand oder Feinkies — ≈ 150 g (≈ 120 ml)
  Körner 2–4 mm, gewaschen
• Kleine Steine — ≈ 250 g (≈ 180 ml)
  5–15 mm, gewaschen
• Garten- oder Blumenerde — 1 Esslöffel (≈ 15 g)
  um das Wasser zu verschmutzen; am besten mit etwas Lehm (trübt stark)
• Durchsichtige Gläser — 3
  250 ml: schmutziges Wasser, gefiltertes Wasser und Kontrollprobe
• Messbecher — 1
  um 250 ml abzumessen
• Feines Sieb — 1
  um den Sand zu waschen
• Klebeband — 30 cm
  um den Schnittrand der Flasche abzudecken

Werkzeuge

• Cuttermesser — den Schnitt in der Flasche beginnen Erwachsene
• Schere — den Schnitt fertigstellen und den Stoff zuschneiden
• Wasserfester Filzstift — Schnittlinie und Schichthöhen markieren
• Löffel — Sand und Steine einfüllen, ohne auf die Watte zu prallen
• Stoppuhr (Handy) — die Filterzeit messen

Teile und Vorlagen

• A · Streifen mit den Schichthöhen ×1 — Papier
• B · Trübungskarte ×1 — weißes Papier

Schritt für Schritt

1. Markiere den Schnitt

   Entferne das Etikett der 1,5-L-Flasche. Markiere mit Lineal und Filzstift eine Linie rund um die Flasche, 12 cm über dem Boden (mache 6 Markierungen auf dieser Höhe und verbinde sie).

   Tipp: Lege den Filzstift auf einen Bücherstapel oder eine Schachtel von 12 cm Höhe und drehe die Flasche gegen die Spitze: So entsteht eine perfekte Linie.

2. Schneide die Flasche auf Erwachsene

   Ein Erwachsener macht mit dem Cuttermesser einen ersten Schnitt von 2 cm auf der Linie; danach geht es mit der Schere rundherum weiter. Decke den Schnittrand beider Teile mit darübergefaltetem Klebeband ab.

   Prüfe: Die Ränder pieksen nicht, wenn du mit dem Finger darüberfährst.

3. Stoff über den Flaschenhals

   Nimm den Deckel ab. Lege das Stoffquadrat von 10 × 10 cm von außen über die Öffnung und befestige es mit dem Gummiband (2–3 Umdrehungen).

   Prüfe: Der Stoff ist straff und löst sich nicht, wenn du leicht daran ziehst.

4. Baue den Ständer

   Drehe das Oberteil um (Hals nach unten) und klebe den Streifen A außen mit Klebeband auf, „HALS“ bündig mit der Öffnung und „RAND“ an der Schnittkante. Stecke es dann in das Unterteil, das als Auffangbehälter dient: Der Teil des Streifens nahe am Hals steckt innen, ist aber durch das Plastik lesbar.

   Prüfe: Das Ganze steht von allein und die Öffnung hängt etwa 4 cm über dem Boden.

5. Watteschicht

   Stecke die Watte oben hinein und schiebe sie mit dem Löffelstiel nach unten, bis sie den Hals füllt, bis zur 30-mm-Markierung. Sie soll weder locker noch zusammengepresst sein, wie ein Kissen.

   Tipp: Ist die Watte zu fest gestopft, dauert es ewig; ist sie zu locker, rieselt der Sand durch.

6. Schicht aus feinem Sand

   Fülle den gewaschenen feinen Sand löffelweise ein, ohne ihn von hoch oben fallen zu lassen, bis zur Markierung FEINSAND (70 mm Schicht, ≈ 300 g). Klopfe sanft mit der Hand an die Flasche, um ihn zu ebnen.

7. Schicht aus grobem Sand

   Gib den groben Sand oder Feinkies bis zur nächsten Markierung GROBSAND dazu (20 mm Schicht, ≈ 150 g). Ebne ihn mit dem Löffel.

8. Schicht aus kleinen Steinen

   Lege die kleinen Steine löffelweise obendrauf, bis zur Markierung STEINE (30 mm Schicht, ≈ 250 g). Oben bleiben etwa 6 cm frei, um das Wasser einzugießen.

   Prüfe: Die 4 Schichten sind durch das Plastik getrennt zu sehen.

9. Spüle den Filter

   Gieße langsam 250 ml sauberes Leitungswasser hinein und warte, bis es nicht mehr tropft. Hebe das Oberteil an, schütte das Wasser aus dem Auffangbehälter weg (es ist durch den Sandstaub etwas trüb) und wiederhole mit weiteren 250 ml. Leere den Auffangbehälter am Ende.

   Prüfe: Das Wasser vom Ende des Spülens kommt fast klar heraus.
   Tipp: Leere den Auffangbehälter zwischen den Durchgängen immer: Bei etwa 250 ml reicht das Wasser schon bis zur Öffnung (4 cm über dem Boden) und würde den Filter von unten nass machen.

10. Bereite den Vergleich vor

    Rühre das schmutzige Wasser um (250 ml + 1 Esslöffel Erde). Fülle ein Glas mit 100 ml als Kontrollprobe und stelle es zum Vergleichen beiseite.

11. Filtere

    Gieße die restlichen 150 ml ganz langsam in einem dünnen Strahl auf die Steine und starte die Stoppuhr. Warte, bis keine Tropfen mehr aus der Öffnung fallen.

    Tipp: Erreicht das Wasser den Rand, hör auf und warte: Lass es nicht überlaufen.

12. Vergleiche

    Gieße das gefilterte Wasser in ein durchsichtiges Glas, das genauso ist wie das Kontrollglas, mit derselben Menge (100 ml, etwa 2,5 cm Wasser); was übrig ist, lass im Auffangbehälter. Stelle jedes Glas auf die Karte B und notiere, bis zu welcher Zeile du jeweils lesen kannst. Schau dir auch den Bodensatz auf den Steinen an.

    Prüfe: Beim gefilterten Wasser kannst du mindestens 2 Zeilen mehr lesen als beim Kontrollwasser.

13. Filtere noch einmal

    Gieße das Wasser aus dem Glas und das im Auffangbehälter in ein sauberes Glas zusammen, leere den Behälter und gieße das ganze Wasser noch einmal durch den Filter. Vergleiche wieder 100 ml in einem gleichen Glas auf der Karte. Schütte am Ende das Wasser in die Spüle und Sand und Steine in einen Blumentopf oder in den Müll.

Funktioniert es? Der Test

Vergleiche mit der Trübungskarte das Kontrollwasser (ungefiltert), das einmal und das zweimal gefilterte Wasser, in gleichen Gläsern mit gleicher Wasserhöhe.

Was passieren soll: Beim Kontrollwasser liest man kaum „WASSER 1“; nach einem Durchgang bis „Wasser 4“ oder „Wasser 5“; nach zwei fast alles. Die 150 ml brauchen 1 bis 4 Minuten durch den Filter. Ist viel Lehm dabei, bleibt das Wasser etwas milchig: Diese Teilchen sind so fein, dass sie zwischen den Körnern hindurchgehen.

Wenn etwas nicht klappt

• Das Wasser kommt schmutziger heraus, als es hineinging — Ungewaschener Sand oder Filter vorher nicht gespült. Lösung: Wasche den Sand im Sieb, bis das Wasser klar herauskommt, und gieße vor dem Test 500 ml sauberes Wasser durch.
• Sand kommt aus der Öffnung — Watte zu locker oder Stoff nicht straff. Lösung: Nimm mehr Watte, spanne den Stoff mit dem Gummiband und verwende einen dichteren Stoff.
• Es dauert ewig oder es kommt nichts heraus — Watte zu fest gestopft oder Sand mit viel Lehm, der verstopft. Lösung: Lockere die Watte; nimm gröberen Sand; gib nicht mehr als 1 Esslöffel Erde dazu.
• Das Wasser läuft sehr schnell durch und ist fast genauso trüb — Schicht aus feinem Sand zu dünn oder Kanäle im Sand. Lösung: Fülle die vollen 70 mm feinen Sand ein und gieße langsam auf die Steine, damit keine Löcher entstehen.
• Das gefilterte Wasser ist noch hellbraun — Es enthält gelöste Stoffe oder sehr feine Lehmteilchen, die der Sand nicht zurückhält. Lösung: Das ist normal: Filtere noch einmal oder gib unter den feinen Sand eine 2 cm dicke Schicht Aktivkohle (Kapseln aus der Apotheke).
• Das Oberteil rutscht in den Auffangbehälter — Zu tief geschnitten oder sehr weiche Flasche. Lösung: Schneide genau 12 cm über dem Boden oder stelle das Oberteil in ein breites Glas.

Sicherheit

• Das gefilterte Wasser ist KEIN Trinkwasser: Es enthält Mikroben und gelöste Stoffe. Nicht trinken und nicht zum Kochen verwenden. Um Wasser trinkbar zu machen, muss man es mindestens 1 Minute abkochen oder desinfizieren.
• Den Schnitt mit dem Cuttermesser macht ein Erwachsener; decke die Schnittränder mit Klebeband ab.
• Wasch dir nach dem Anfassen von Erde und schmutzigem Wasser die Hände mit Seife.
• Schütte den Sand nicht in den Abfluss: Er verstopft die Rohre.
• Verwende Garten- oder Blumenerde, nie Erde von Stellen mit Tierkot.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Im schmutzigen Wasser schwimmen kleine Erdbröckchen. Wenn es auf die Steine fällt, bleiben die großen Bröckchen oben hängen, so wie ein Netz die dicken Fische fängt. Dann kommt es zum Sand, der zwischen seinen Körnern winzig kleine Lücken hat, und dort bleiben die kleineren Bröckchen hängen. Watte und Stoff sind das letzte Netz. Aber Achtung! Es gibt so, so winzige Tierchen, dass man sie nicht sieht, und die schlüpfen durch alle Netze: Deshalb trinkt man dieses Wasser nicht.

Für Erwachsene

Die Filtration im Kornbett hält Teilchen durch mehrere Mechanismen zurück: Siebung (Teilchen größer als die Poren, die etwa 15–20 % des Korndurchmessers messen), Sedimentation in den Poren, Interzeption und Adsorption an der Kornoberfläche. Mit Sand von ≈ 0,5 mm werden Schluff und der Großteil der Trübung zurückgehalten, nicht aber kolloidale Tone (< 2 µm), Bakterien (≈ 1 µm), Viren oder gelöste Stoffe. Die groben Schichten oben wirken als Vorfilter und als Verteiler, der verhindert, dass der Strahl den Sand aushöhlt; der feine Sand ist der eigentliche Filter; Watte und Stoff tragen das Bett. Der Durchfluss folgt dem Gesetz von Darcy: Q = K·A·Δh/L; deshalb filtert eine höhere oder feinere Schicht besser, aber langsamer. Echte Wasserwerke kombinieren Koagulation-Flockung, Absetzen, Sandfiltration (mit abgestuftem Stützkies) und Desinfektion mit Chlor oder Ozon.

• filtern: Feststoffe von einer Flüssigkeit trennen, indem man sie durch etwas mit kleinen Lücken laufen lässt.
• Sediment: feste Teilchen, die sich absetzen oder hängen bleiben.
• Trübung: wie „wolkig“ das Wasser durch die Teilchen darin ist.
• Trinkwasser: Wasser, das man ohne Gefahr trinken kann.
• Pore: kleine Lücke zwischen Körnern, durch die das Wasser fließt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet die Flasche auf und wäscht den Sand. Das Kind spannt den Stoff, stopft die Watte hinein, füllt die Schichten mit dem Löffel ein und gießt das Wasser. Konzentriere dich auf „die Netze fangen den Schmutz“ und darauf, dass man dieses Wasser nicht trinkt.
• 8–10 Jahre: Sie machen alles außer dem Schneiden. Lass sie Zeiten und Kartenergebnisse in einer Tabelle notieren und mit einem anderen Team vergleichen, das eine andere Schichtreihenfolge verwendet.
• 11–12 Jahre: Versuchsplanung: nur eine Variable ändern (Sandhöhe, Korngröße, Erdmenge) und Zeit und Trübung messen. Challenge: Aktivkohle hinzufügen und prüfen, ob sie die Farbe von Wasser mit ein paar Tropfen Tee entfernt.

In der Gruppe oder in der Klasse

Teams zu 3–4 (ein Filter pro Team). Vorher: Flaschen sammeln, aufschneiden (Erwachsener), den ganzen Sand und alle Steine in großer Menge waschen und in beschriftete Becher pro Team verteilen. Einen großen Krug mit gemeinsamem schmutzigem Wasser vorbereiten (2 L + 8 Esslöffel Erde), damit alle dasselbe filtern. Einheit von 50 min: 5 min Erklärung, 15 min Aufbau, 20 min Filtern und Messen, 10 min Austausch mit allen Gläsern in einer Reihe auf ihren Karten. Jedes Team kann eine andere Schichtreihenfolge testen. Arbeitet auf Tabletts und mit einem Eimer für die Reste.

Challenges

• Entwirf einen Filter, mit dem man nach nur einem Durchgang „Wasser 6“ lesen kann.
• Filtere 150 ml in weniger als 60 s, ohne dass die Klarheit schlechter wird.
• Füge eine 2 cm dicke Schicht Aktivkohle hinzu und teste mit Tee gefärbtem Wasser: Verschwindet die Farbe?
• Baue einen Kaskadenfilter aus drei Flaschen und vergleiche ihn mit einem einzelnen.
• Finde heraus, wie in deiner Stadt Trinkwasser aufbereitet wird, und zeichne den Weg eines Tropfens vom Fluss bis zu deinem Wasserhahn.

Weitere kostenlose Projekte

• Büroklammer, die auf dem Wasser schwimmt
• Durchstochener Wasserbeutel, der nicht tropft
• Feuerfester Wasserballon
• Flaschentaucher
• Luftring-Kanone
• Riesenseifenblasen
• Seifenboot
• Spirale, die sich durch Wärme dreht
• Säule aus fünf Flüssigkeiten
• Trockenes Tuch unter Wasser
• Wasserwirbel zwischen zwei Flaschen
• Das Ei, das die Flasche verschluckt
• Wolke im Glas

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