آب و فاضلاب

شیمی محلولها

اتم کوچکترین واحد عناصر به شمار می رود ، اتمها اجزاء ساختمانی هستند که از انها مولکول های عناصر و ترکیبات ساخته می شود . به عنوان مثال ، بر اثر ترکیب دو اتم هیدروژن با هم مولکول هیدروژن تشکیل می شود .

H + H = H۲

با اضافه شدن یک اتم اکسیژن به مولکول هیدروژن یک مولکول آب تشکیل می شود .

H۲ + O = H۲O

جرم نسبتی اتم عناصر ، بر اساس جرم ۱۲ برای کربن تعیین شده است ، جمع جرم اتم تمامی اتم های موجود در یک مولکول ( جرم مولکولی ) آن مولکول نامیده می شود .

جرم اتمی هیدروژن ۱ و جرم اتمی اکسیژن ۱۶ است . بنابراین جرم مولکولی هیدروژن ۲ و جرم مولکولی آب ۱۸ می باشد . یک مول (Mole) هر عنصر یا ماده مرکب جرم مولکولی آن ماده است که بر حسب واحدهای معمولی جرم همانند گرم گزارش می شود . یک مول هیدروژن ۲ گرم است . در صورتی که یک مول اب ۱۸ گرم می باشد ، اگر یک مول از ماده ای را در آب حل کنیم و حجم محلول را به یک لیتر برسانیم محلول به دست آمده را « محلول یک مولار » می نامند .

پیوند عناصر در یک ترکیب بعضی مواقع به وسیله نیروهای الکتریکی ناشی از انتقال الکترون ها صورت می گیرد وقتی که این ترکیبات در آب تجزیه می شود بارهای الکتریکی مختلف تولید می شود به عنوان نمونه کلرید سدیم را می توان نام برد :

NaCl Na + Cl

گونه های باردار « یون » نامیده می شوند . یون های با بار مثبت به کاتیون « Cation » و یونهای با بار منفی به آنیون « Anion » معروف هستند . تعداد بارهای مثبت و منفی بایستی مساوی باشد تا خصوصیت خنثی بودن الکتریکی ترکیب شیمیایی حفظ شود . تعداد بارهای هر یون به ظرفیت « Valence » آن یون معروف است . بدین طریق ، ظرفیت سدیم « Valence » آن یون معروف است . بدین طریق ظرفیت سدیم « Na+ » یک است . در صورتی که ظرفیت کلسیم « Ca۲+ »دو می باشد . بعضی از ترکیبات موسوم به رادیکالها نیز دارای بار الکتریکی هستند . نمونه ای از رادیکال کاتیونی آمونیوم « NH۴ + » می باشد در صورتیکه کربنات « CO۳ » رادیکال آنیونی می باشد . وقتیکه یونها یا رادیکالها با همدیگر واکنش انجام می دهند ترکیبات جدیدی تشکیل می دهند . واکنش ها ممکن است بر اساس یک – به یک چنانکه در مورد کلرید سدیم دیدیم پیش نروند . در این حال این واکنش ها بر اساس تعادل یا اکی والانس « equivalence» که به خنثائی الکتریکی مربوط است جلو می روند . از نظر فنی ، تعادل هر عنصر یا رادیکال به تعداد اتمهای هیدروژنی گفته می شود که عنصر رادیکال قادر به نگهداری در ترکیب یا قادر به جابجا کردن در واکنش باشد در اکثر موارد اکی والانس یک یون مساوی با ارزش مطلق ظرفیت آن است . مقدار معادل یا اکی والانت « equivalent» هر عنصر یا رادیکال جرم وزنی وملکولی آن بر حسب گرم ، تقسیم بر اکی والانس « equivalence » آن می باشد میلی اکی والان جرم مولکولی گزارش شده بر حسب میلی گرم ، تقسیم بر اکی والانس است و غالباً در شیمی آب مفیدتر است به خاطر اینکه غلظت مواد محلول غالباً در محدوده میلی گرم در لیتر می باشد .

بسیاری از مواد جامد ، خصوصاً آنهایی که ساختار بلورین دارند ، به سادگی در آب یونیزه می شوند . آب ممکن است در این فرایند ماده واکنش کننده باشد و یا نباشد .

در معادلهA اب واکنش کننده است ، در صورتی که در معادله B نیست :

A ) CaO + H۲O Ca۲ + ۲OH

B ) NaCl + H۲O Na + Cl + H۲O

وقتی که آب واکنش کننده نیست ، آن را از معادله حذف می کنند . فلشهای دوطرفی در معادله B نشان دوطرفه بودن واکنش است . این به این معنی است که شکل جامد (NaCl) ممکن است به اجزای یونی خود تجزیه شود (انحلال) یا اجزای یونی ممکن است ترکیب شده و فرم جامد را تشکیل دهند ( رسوب ) . وقتی که ماده ماده جامد در اولین لحظه با آب برخورد می کند ، جهت واکنش خالص (کل برآیند) به طرف فرم یونی است . در صورت وجود مقدار کافی جرم جامد ، حالت تعادل دینامیک که در آن ، درجه انحلال و درجه رسوب دقیقاً مساوی است برقرار می شود . در این نقطه ، آب با گونه های حل شونده اشباع شده است .

مواد محلول از خاصیت حل کنندگی آب بر روی جامدات ، مایعات و گازها پدید می آیند . مواد محلول ممکن است همچون مواد معلق ، آلی و یا غیرآلی باشند . مواد غیرآلی که در آب محلولند شامل مواد معدنی ، فلزات وگازها می باشند . آب ممکن است با این مواد در اتمسفر ، روی سطوح ، و در خاک تماس پیدا کند . مواد حاصل از تجزیه گیاهان ، مواد شیمیایی آلی و گازهای آلی ، اجزای محلول آلی آب هستند . قدرت حلالیت آب ، آن را وسیله ایده آلی برای حمل مواد زائد از اماکن صنعتی و خانه ها می کند .

اثرات

بسیاری از مواد محلول در اب نامطلوب هستند . مواد معدنی محلول ، گازها و اجزای آلی ممکن است باعث تولید رنگ ، طعم و بوی ناخوشایند بشوند . بعضی از مواد شیمیایی ممکن است سمی و بعضی از مواد محلول آلی سرطانزا می باشند . غالباً دو یا چند ماده محلول ( خصوصاً مواد آلی و اعضای گروههای هالوژنها) ترکیب شده و باعث تشکیل ترکیبی می شوند که خاصیت مورد اعتراض تری از هرکدام از مواد اولیه دارند . همه مواد محلول در آب ، نامطلوب نیستند . به عنوان نمونه ، آب تقریباً خالص مقطر طعم بیمزه دارد . به علاوه ، آب با در نظرگرفتن اجزای محلول حالت تعادلی دارد . آب اشباع نشده حالت خورندگی ( Corrosive) دارد و به سادگی موادی را که با آن تماس پیدا می کنند حل می کند . برای کاهش تمایل آب در ایجاد خوردگی در لوله ها و ملزومات ، در بعضی مواقع به آب نسبتاً خالص ماده ای که به راحتی در آب قابل حل است ، اضافه می شود .

تعادل یون

یونهایی که در اکثر سیستمهای ابی طبیعی در اندازه گیری TDS مشاهده می شود ، در جدول زیر آورده شده است . آنهایی که در قسمت اجزای اصلی لیست شده ، غالباً برای مشخص کردن میزان جامدات محلول آب ، کافی بوده و اینها «یونهای معمول» (Common Ions) نامیده می شود و اغلب تک تک اندازه گیری شده و سپس برحسب اکی والان جهت نمایش تقریبی TDS جمع زده می شود . جهت کنترل ، جمع آنیونها باید مساوی جمع کاتیونها باشد ، زیرا خنثایی الکتریکی باید حفظ شود . مقدار عمده عدم تعادل به معنی این است که اجزای دیگری وجود دارد یا اشتباهی در آنالیز یک یون یا بیشتر ،رخ داده است .

قلیائیت :

قلیائیت به مقدار یونهای موجود در آب گفته می شود که بر اثر واکنش با یون هیدروژن آن را خنثی می کند . بدین طریق قلیائیت ، میزان توانایی آب برای خنثی کردن اسیدهاست .

منابع

اجزای قلیائیت در سیستمهای آبی طبیعی شامل HPO۴ ، H۲PO۴ ، HS ، NH۳ ، CO۳ ، HCO۳ ، OH ، HSiO۳ ، H۲BO۳ می باشد . این ترکیبات از انحلال مواد معدنی خاک و اتمسفر حاصل می شود . فسفاتها نیز ممکن است از پاک کننده های موجود در فاضلاب و از کودهای شیمیایی و حشره کش های مورد استفاده در زمینهای کشاورزی ، سرچشمه بگیرد . سولفید هیدروژن و آمونیاک ممکن است حاصل تجزیه میکروبی مواد آلی باشد .

اندازه گیری

اندازه گیری قلیائیت به وسیله تیتراسیون آب با اسید و تعیین معادل هیدروژن آن صورت می گیرد و سپس برحسب میلیگرم در لیتر CaCO۳ گزارش می شود . اگر در تیتراسیون از اسید سولفوریک ۰/۰۲Nاستفاده شود ، یک میلی لیتر اسید ، ۱ میلیگرم قلیائیت بر حسب CaCO۳ را خنثی می کند . یونهای هیدروژن اسید با قلیائیت طبق معادلات زیر واکنش می کنند .

H + OH H۲O

CO + H HCO۳

HCO۳ + H H۲CO۳

اگر اسید به طور آهسته به آب اضافه شده و ph آب برای هربار افزودن یادداشت شود ، منحنی تیتراسیون به دست می آید .

تغییر انحناهای این منحنی که تقریباً درphهای ۳/۸ و ۵/۴ اتفاق می افتد از اهمیت خاصی برخوردار است . تبدیل کربنات به بی کربنات در ph برابر ۳/۸ تقریباً کامل است . در عین حال ، به دلیل اینکه بیکربنات نیز نوعی از قلیائیت است برای خنثی کردن کامل باید مقدار مساوی اسید اضافه شود . بنابراین خنثائی کربنات در ph برابر ۳/۸ فقط نیمه کامل است . به علت اینکه تبدیل هیدروکسید به آب در ph برابر ۳/۸ کامل است ، تمام هیدروکسید و یک دوم کربنات در phبرابر ۳/۸ اندازه گرفته شده است . در ph برابر ۵/۴ تمام کربنات به اسید کربنیک تبدیل شده است . که شامل بی کربنات ناشی از واکنش اسید و کربنات نیز می شود . بدین طریق ، مقدار اسید لازم برای تیتراسیون نمونه آب تا pH برابر ۵/۴ معادل قلیائیت کل آب است . این نکته در مثال زیر شرح داده شده است .

منابع

یونهای فلزی چند ظرفیتی که به حد وفور در آب طبیعی یافت می شوند کلسیم و منیزیم می باشند . از دیگر یونها ، آهن و منگنز در حالت احیا ، استرانسیوم و آلومینیوم را می توان نام برد . دو یون آخری معمولاً در مقادیر بسیار کمتری از کلسیم و منیزیم یافت می شود و در عمل سختی به صورت جمع یونهای کلسیم و منیزیم نمایش داده می شود .

اثرات

مصرف صابون به وسیله آبهای سخت دارای زیان اقتصادی برای مصرف کننده آب است . صابونهای سدیمی با کاتیونهای چند ظرفیتی فلزی ، واکنش کرده و تولید رسوب می کند ، و بدین طریق خاصیت کشش سطحی اش را از دست می دهد .

تنها بعد از رسوب همه یونهای سختی است که کف کردن (Lathering) صابون اتفاق می افتد ، و در این زمان گفته می شود که آب به وسیله صابون « نرم » شده است . رسوب متشکل از سختی و صابون به دیواره وان حمام ، دستشویی و ماشین ظرفشویی چسبیده و ممکن است لباسها ، ظروف و دیگر اقلام را لکه دار کند . باقیمانده های رسوب سختی و صابون ممکن است در منافذ باقی بماند و حالت خشن نامساعد بر پوست باقی بگذارد . در سالهای اخیر ، این مشکلات با پیدایش صابونها و شوینده هایی که با سختی واکنش نمی کند تا حد زیادی رفع شده است .

جرم گرفتن دیگ بخار در نتیجه رسوب سختی کربنات ممکن است موجب زیان اقتصادی قابل توجهی از طریق گرفتگی آبگرمکن ها و لوله های آب داغ شود . تغییرات ph در شبکه های آبرسانی نیز ممکن است باعث ایجاد رسوب شود . بیکربناتها در pH بالای ۹ شروع به تبدیل شدن به کربناتها (که قابلیت حل شوندگی کمتری دارد ) می کند . سختی منیزیم ، خصوصاً سختی مربوط به یون سولفات ، برای کسانی که به آن عادت ندارند اثر مسهلی دارد . غلظت منیزیم کمتر از mg/L ۵۰ در آبهای آشامیدنی مطلوب است ، اگرچه بسیاری از منابع آبی همگانی از این مقدار تجاوز می کند . سختی کلسیم مشکل سلامتی ایجاد نمی کند . در حقیقت آب سخت ظاهراً برای سیستم گردش خون انسان مفید است .

اندازه گیری

سختی را می توان به وسیله روشهای اسپروکتروفتومتری یا تیتراسیون شیمیایی برای تعیین مقادیر یونهای کلسیم و منیزیم در یک نمونه اندازه گیری کرد .

همچنین می توان مستقیماً با تیتراسیون کردن به وسیله EDTA (ethylenediamine tetraacetic acid ) و استفاده از EBT ( eriochrome black T ) به عنوان معرف اندازه گیری کرد .EBT با کاتیونهای فلزی دو ظرفیتی واکنش کرده و کمپلکسی را که به رنگ قرمز است تشکیل می دهد . EDTA جایگزین EBT در این کمپلکس می شود و وقتی که این جایگزینی کامل شد ، محلول از قرمز به آبی تغییر رنگ می دهد . اگر EDTA ۰.۰۱M استفاده شود ، ۱.۰mL از تیتر کننده ، یک میلیگرم سختی بر حسب CaCO۳ را اندازه گیری می کند .

فلوراید

فلوراید در طبیعت به طور کلی درچند نوع سنگ های رسوبی یا آتشفشانی یافت می شود و به ندرت در مقادیر زیاد در آبهای سطحی پیدا شده و فقط در چند نقطه جغرافیایی در آبهای زیرزمینی مشاهده می شود و مقدار زیاد فلوراید برای انسانها و حیوانات سمی است ، در صورتی که غلظتهای کم می تواند مفید باشد . غلظتهای حدود ۱ mg/L در آب آشامیدنی به جلوگیری از پوسیدگی دندانها در اطفال کمک می کند . به هنگام تشکیل دندانهای دائمی ، فلوراید با مینای دندان به طریق شیمیایی ترکیب شده و باعث ایجاد دندان سخت تر و قویتری می شود که در برابر فساد مقاوم است . اگر به طور طبیعی فلوراید در آب جهت تشکیل دندانهای سالم وجود نداشته باشد این ماده به منابع آب اضافه می شود .

مصرف بیش از حد فلوراید منجر به بی رنگ شدن دندان می شود . بیرنگی قابل توجهی موسوم به خالدارشدن (Mottling ) در مواقعی که غلظت فلوراید در آب آشامیدنی بیش از ۲mg/L است ، به طور نسبی معمول است ، ولی در غلظتهای کمتر از ۱.۵mg/L نادر است . دندانهای بزرگسالان از اثر فلوراید مصون است ، اگرچه اثرات مفید و مضر فلوراید در سالهای تشکیل دندانها تا بزرگسالی ادامه پیدا می کند . میزان فلوراید بیش از حد می تواند باعث ایجاد اختلالاتی در استخوانها نیز گردد . غلظت کمتر از ۵mg/L مشکلی ایجاد نمی کند و غلظتهای بالاتر از این مقدار نیز بجز بروز لکه های سیاه (خال زدگی) عارضه ای ایجاد نمی نماید . به فرض مصرف آب بیشتر در مناطق گرمسیری ، استانداردهای EPA براساس دماهای معمولی وضع شده است .

فلزات

همه فلزات تا حدی قابل حل در آب هستند . اگرچه مقدار زیادی هر فلزی ممکن است سلامتی را به خطر اندازد ، ولی فقط آنهایی که در مقادیر نسبتاً کم ، مضر هستند سمی قلمداد شده اند و دیگر فلزات در رده غیر سمی قرار می گیرند . منابع فلزات در آبهای طبیعی شامل انحلال از رسوبات طبیعی و تخلیه های فاضلاب شهری ، صنعتی یا کشاورزی می باشد . اندازه گیری فلزات درآب معمولاً به وسیله نورسنجی اتمی صورت می گیرد .

فلزات غیر سمی

علاوه بر یونهای سختی ، کلسیم و منیزیم ، دیگر فلزات غیرسمی که معمولاً در آب یافت می شوند شامل سدیم ، آهن ، منگنز ، آلومینیوم ، مس و روی است . سدیم بیشتر از دیگر فلزات غیرسمی در آبهای طبیعی وجود دارد ، در پوسته زمین فراوان است و نسبت به دیگر عناصر خیلی واکنش پذیر است . نمکهای سدیم به مقدار زیاد در آب قابل حل هستند . غلظتهای زیاد باعث ایجاد طعم تلخ در آب شده و سلامتی بیماران قلبی و کلیوی را به خطر می اندازد . سدیم همچنین خاصیت خورندگی (Corrosive ) بر سطح فلزات دارد و در غلظتهای زیاد برای گیاهان سمی می باشد .

آهن و منگنز در اکثر موارد با یکدیگر یافت می شود و در غلظتهای عادی در آبهای طبیعی خطری برای سلامتی ندارد . آهن به مقدار ۰.۳mg/L و منگنز به میزان ۰.۰۵mg/L می تواند باعث ایجاد مشکل رنگ شود . به علاوه ، بعضی از باکتری ها از آهن و منگنز به عنوان منبع انرژی استفاده می کنند و رشد توده لجن (Slime ) ایجاد شده ممکن است مشکلات طعم و بو بوجود آورد .

مقادیر زیاد آهنی که در بعضی مواقع در سیستم آب طبیعی یافت می شود ، معمولاً از نوع آنیونهای کلرور(FeCl۲ ) ، بیکربنات ۲ (HCO۳ )Fe یا سولفات (SO۴ )Fe و در حالت احیا شده می باشد . در حضور اکسیژن ، یون فروس (Fe۲+ ) به یون فریک (Fe۳+ )اکسید شده و با هیدروکسید یک ترکیب نامحلول { ۳ (OH )Fe }تشکیل می دهد . بدین طریق ، معمولاً مقادیر زیاد آهن فقط در سیستمهایی همچون آبهای زیرزمینی یا در لایه های پایینی دریاچه طبقه بندی شده ، یافت می شوند . همین طور ، یونهای منگنز Mn۲+ و Mn۴+ از نوع کلرور ، نیترات و سولفات حل شونده هستند ، در صورتی که ترکیبات اکسید شده (Mn۳+ و Mn۵+ )تقریباً نامحلول می باشند . در عین حال ممکن است اسیدهای آلی که از گیاهان تجزیه شده مشتق می شوند با آهن و منگنز کی لیت (Chelate )شوند و بدین طریق از اکسید شدن و در نتیجه رسوب آنها در آبهای طبیعی جلوگیری به عمل آید .

دیگر فلزات غیر سمی معمولاً در مقادیر بسیار کمی در سیستم آبهای طبیعی یافت می شوند و اکثر آنها قبل از رسیدن به حد غلظت سمی مشکلات طعم ایجاد می کنند . در عین حال ، مس و روی اثر تشدیدکنندگی دارند و در مواقعی که هر دو موجودند ، حتی در مقادیر کم ، برای بسیاری از گونه های بیولوژیکی سمی هستند .