مواد شیمیایی در تصفیه آب
پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_دپارتمان محیط زیست
اهمیت آب:
آب مایه حیات است. امروزه تمامی کشورهای جهان، آب را سرمایه ملی می دانند.
پیش بینی می شود که در نیم قرن آینده، منابع آب شیرین از چاه های نفت هم با ارزش تر خواهند بود.
در واقع ۹۷% از آب های موجود شور هستند و ۲% از آب ها به صورت یخ های قطبی می باشند و
فقط یک درصد از منابع آب جهان، شیرین و قابل استفاده هستند. در فرآیندهای
صنعتی از آب به عنوان حلال یا ماده اولیه استفاده می شود. آب یکی از مشهورترین
حلال هاست که تقریبا هر ماده تا اندازه ای در آب محلول است و این حلالیت به دما، فشار،
pH، پتانسیل شیمیایی و غلظت نسبی دیگر مواد در آب بستگی دارد. خاصیت مهم آب،
Cp بالای آب است و به هممین خاطر به عنوان واسطه انتقال حرارت
در بسیاری از صنایع به کار می رود. بنابراین اغلب کارخانه ها با آب سر و کار دارند.
لزوم تصفیه آب:
یکی از آلودگی های بسیار خطرناک منابع آب، آلودگی بیولوژیکی است.
آب می تواند به انواع میکروارگانیسم ها اعم از انواع باکتری ها، انگل ها،
قارچ ها و ویروس ها آلوده شود. چه برای مصارف آشامیدنی و چه برای
مصارف صنعتی معمولا آب طبیعی، احتیاج به تصفیه دارد. در مهندسی
شیمی بسیاری از فرآیندها همانند نمک زدایی، خشک کردن، تبخیر کردن،
کریستالیزاسیون، اختلاط، رزین های تعویض یونی، رطوبت زدایی،
جذب سطحی و غیره در ارتباط با آب هستند. تصفیه آب به دو صورت امکانپذیر است:
- حذف یا کاهش ناخالصی های آب در تصفیه خانه (تصفیه خارجی)
- افزایش مواد کمکی به آب در محل مصرف (تصفیه داخلی)
فرآیند کلر زنی برای تصفیه آب
به علت سابقه طولانی کلر برای ضد عفونی کردن آب ها و فاضلاب ها،
واژه کلرزنی با ضد عفونی کردن مترادف شده است. اما باید توجه داشت
که هر چند کلر یکی از مواد مهم ضد عفونی کننده به حساب می آید،
اما همواره به عنوان ضد عفونی کننده مصرف نمی شود و نیز امروزه ضد عفونی کننده های دیگری هم مطرح هستند.
در تصفیه آب های آشامیدنی قبلا فقط از فیلترهای شنی استفاده می کردند
اما با کار پاستور و کخ در دهه ۱۸۷۰ که نشان دادند میکروب ها عامل بیماری هستند
و نیز کار کخ که به طور آزمایشگاهی نشان داد که کلر می تواند ویروس ها را بکشد،
در اروپا استفاده مداوم از کلر زنی از سال ۱۹۰۵ و در آمریکا از سال ۱۹۰۸ در شیکاگو شروع شد.
هر چند استفاده از کلر معمول ترین روش ضد عفونی کردن است، اما ازون زنی در فرانسه و
آلمان، کانادا و شوروی سابق معمول است. در کشورهای اروپایی از دی اکسید کلر برای ضد عفونی کردن استفاده می شود.
انواع ضد عفونی کننده ها:
روش های گوناگونی برای ضد عفونی کردن منابع آب وجود دارد که به طور کلی به دو دسته شیمیایی و فیزیکی تقسیم می شوند:
- آن هایی که با واکنش شیمیایی عمل ضد عفونی کردن را انجام می دهند. مثل کلر، ازون، دی اکسید کلر، برم، ید و …
- آن هایی که فیزیکی عمل می کنند مثل فیلتراسیون و پرتودهی
مکانیزم کار ماده ضد عفونی کننده ممکن است به دو صورت زیر عمل کند:
- اکسیداسیون و یا پاره کردن دیواره سلول و نهایتا تجزیه میکروارگانیسم
- نفوذ به داخل سلول و اختلال در فعالیت سلولی
ثابت شده است که درجه عملکرد یک ماده ضد عفونی کننده به پتانسیل استاندارد آن بستگی دارد.
می دانید که ازون در مقایسه با دیگر ضد عفونی کننده ها موثرتر به نطر می رسد.
اما اگر مکانیزم نفوذ به داخل سلول موثر باشد در آن صورت وزن مولکولی نقش بازی می کند چون ضریب نفوذ با وزن مولکولی نسبت عکس دارد.
فاکتورهای موثر در عملکرد ضد عفونی کننده:
عملکرد یک ماده ضد عفونی کننده، تابع پیچیده ای از چندین متغیر چون نوع و مقدار ماده مورد نظر است.
همچنین تابع نوع و غلظت میکروارگانیزم، زمان تماس و کیفیت آب می باشد. بنابراین
در بسیاری از موارد، بهترین کار برای انتخاب ماده ضد عفونی کننده مناسب، مطالعه
آزمایشگاهی می باشد. به ویژه برای تعیین مقدار مورد نیاز از ماده ضد عفونی کننده
برای آب خالص، این مطالعه ضروری است چون تابعی از کیفیت آب است و البته مقدار مورد
نیاز باید به اندازه ای باشد که تغییرات محتمل در کیفیت آب تا محل مصرف را هم شامل شود.
مقدار مورد نیاز ماده ضد عفونی کننده به زمان تماس هم بستگی دارد که این زمان به سرعت واکنش مربوط می شود.
ضد عفونی کننده کلر:
کلر در اثر افزوده شدن به آب، هیدرولیز شده و تولید هیپو کلریت اسید و کلریدریک اسید می کند.
واکنش هیدرولیز
pH آب تعیین می کند که کلر در آب به چند نوع وجود دارد. قدرت ضد عفونی
کنندگی کلر، به نوع شیمیایی آن (–OCl یا HOCl) و نیز به pH، دما، مواد آلی موجود
در آب و دیگر ویژگی های آب بستگی دارد. واکنش هیدرولیز کلر در محلول رقیق و
در ۴< pH به صورت کامل پیش می رود. هیپوکلریت اسید حاصله، اسیدی ضعیف بوده
و ثابت تفکیک آن ۸-۱۰ × ۲٫۵ مول بر لیتر در دمای °۱۰C می باشد.
آب اشباع از کلر در دمای حدود °۱۰C جامد شده که به آن یخ اشباع از کلر با
فرمول Cl2.8H2O می گویند. به همین دلیل آب کلردار باید در دمای بالای °۱۰C نگه داشته شود.
با افزایش pH، مقدار (HOCl) نسبت به (–OCl) کاهش می یابد. تجزیه اسید هیپو کلریک به دما نیز بستگی دارد.
به طوری که مقدار HOCl در یک pH خاص با افزایش دما کاهش می یابد.
به طور کلی خاصیت ضد عفونی کنندگی اسید هیپوکلریک بیشتر از یون
هیپوکلرات در کوتاه مدت است ولی همان گونه که در سینتیک ضد عفونی کننده ها مشهود است
این دو در دراز مدت اثر یکسانی دارند. در صورت حضور آمونیاک در آب، کلر با آمونیاک ترکیب شده
و ترکیباتی موسوم به کلروآمین ها تولید می کنند که می تواند به سه صورت مونوکلروآمین NH2Cl
، دی کلروآمین NHCl2 و یا تری کلروآمین NCl3 باشد. در صنعت به کلر آزاد، اسید هیپوکلریت
و یون هیپوکلرات مجموعا “کلر آزاد موجود” می گویند. در حالی که کلر به صورت کلروآمین ها
را “کلر ترکیبی موجود” می نامند. تفاوت اصلی کلر آزاد موجود با کلر ترکیبی موجود در
این است که کلر ترکیبی پایدارتر از کلر آزاد است هر چند که ضعیف تر از کلر آزاد ضد عفونی می کند.
این نکته برای آب هایی که به کلر زیاد احتاج دارند اهمیت می یابد. برای این گونه آب ها
حتی عملا مقداری آمونیاک به آب و یا فاضلاب تزریق می کنند تا قسمتی از کلر تزریقی
به صورت کلر پایدار درآید. این که کدامیک کلروآمین ها تولید می شود بستگی به
نسبت کلر به نیتروژن آمونیاکی و مقدار کلر مصرفی، دما، pH و قلیایت دارد.
نیتروژن تری کلراید عامل اصلی ایجاد سوزش و تحریک چشم در آب های کلرزده استخرهای شنا است
واکنش های فوق در شرایطی ممکن است منجر به ترکیباتی شود که فاقد کلر هستند:
بنابراین در اثر افزایش کلربه آبی که حاوی آمونیاک است، غلظت کلر باقیمانده در آب به صورت زیر تغییر می کند:
مقدار کلر تزریقی در فاصله a تاb صرف اکسید کردن موادی چون آهن و یا هیدروژن سولفید می شود
. در فاصله b تا c کلر تزریقی با آمونیاک ترکیب می شود و تولید انواع مختلف کلروآمین ها می کند.
در فاصله c تا d کلر تزریقی صرف اکسیداسیون کلروآمین ها می شود به طوری که با تولید ترکیبات
بدون خاصیت باکتری کشی چون N2 یا HNO3 عملا ارزش ضد عفونی کنندگی خود را از دست می دهد.
در فاصله d به بعد، کلر تزریقی به آب تماما خاصیت ضد عفونی کنندگی دارد و در
اثر هیدرولیز به اسید هیپو کلریت یا یون هیپو کلرات تبدیل می شود بنابراین غلظت
کلر باقی مانده در آب در این فاصله به طور خطی متناسب با مقدار کلر تزریقی است.
به نقطه d، نقطه شکست می گویند. در عمل سعی می کنند که غلظت کلر بعد از
نقطه شکست ۰٫۵ppm تا ۱ppm باشد تا تضمینی برای بهداشتی بودن آب رسانی شهری باشد.
اگر از آب ژاول برای ضد عفونی کردن استفاده شود، واکنش زیر انجام می شود:
چون اسید هیپوکلریت HOCl ضد عفونی کننده ای قوی تر از یون کلرات –OCl است
از این رو ترجیح دارد که به همراه آب ژاول، اسید هم اضافه کنیم تا تولید HOCl شود.
لازم است به سه نکته در مورد ضد عفونی کنندگی توجه داشت:
- • در اثر تزریق گاز کلر به آب و هیدرولیز آن، اسید تولید می شود. بنابراین اگر قلیاییت آب کم باشد، ممکن است باعث افت محسوس pH گردد.
- • در اینجا منظور از کلر، گاز کلر است نه یون کلر. یون کلر هیچ نقشی در ضد عفونی کردن آب ندارد.
- • بسیاری از باکتری ها و ویروس ها در شرایط pH بالاتر از ۱۰ و یا پایین تر از ۳ قادر به ادامه حیات نیستند، از این رو در واحد آهک زنی که pH به حدود ۱۰٫۵ افزایش می یابد. بسیاری از باکتری ها و ویروس ها از بین می روند.
مهم ترین شاخص های آب
این فاکتورها مهم ترین شاخص های تصفیه آب هستند:
- شاخص های املاح محلول در آب (TDS, TH, M, EC, P, pH )
- شاخص های مواد معلق آب (CU, JTU, NTU, FTU, TSS)
- شاخص ها آلودگی های آلی (BOD, COD, TOC)
- شاخص بهداشتی بودن آب (E.Coliform )
سختی آب:
سختی آب ناشی از وجود کاتیون های کلسیم و منیزیم در آب می باشد. هر چند
که کاتیون های دیگر چون آهن و منگنز نیز می توانند تولید سختی کنند ولی چون
غلظت آن ها در آب بسیار کم است اصطلاحا به مجموع کاتیون های کلسیم و منیزیم
، سختی آب می گویند. سختی آب را با استفاده از روش تیتراسیون و از روی آنالیز آب می توان تعیین کرد.
سختی آب های آبیاری سودمند است زیرا یون های قلیایی خاکی تمایل به تجمع ذرات
کلوئیدی در خاک دارند و در نتیجه سبب افزایش نفوذپذیری آب در خاک می گردند.
آب سخت ضرری برای انسان ندارد. اما سختی آب ریشه اصلی ایجاد رسوب در سیستم هاست.
در سیستم هایی که حجم آب مصرفی زیاد است این مشکل بسیار دردسر آفرین خواهد بود.