مهندسین شیمی

- پارامترهای فیزیکی کیفیت آب:

پارامترهای فیزیکی آب شامل آن دسته از ویژگی هایی است که بوسیله ی حواس بینایی، لامسه، چشایی و بویایی قابل تشخیص است. مواد جامد معلق، کدورت، رنگ، طعم، بو و درجه حرارت در این گروه قرار می گیرند.

الف) جامدات معلق (Suspended Solids):

جامدات می توانند به دو صورت معلق و محلول در آب وجود داشته باشند. بعضی از مواد جامد محلول به وسیله حواس فیزیکی قابل تشخیص هستند، ولی قرار دادن آن ها در گروه ویژگی های شیمیایی مناسب تر است لذا در بخش های بعدی بیشتر شرح داده خواهند شد.

ذرات جامد معلق در آب ممکن است از ذرات آلی، معدنی یا از مایعات امتزاج ناپذیر تشکیل شده باشند. جامدات معدنی نظیر خاک رس، لای و سایر مواد تشکیل دهنده ی خاک به طور طبیعی در آب های سطحی یافت می شوند و مواد آلی نظیر ریشه گیاهی و جامدات بیولوژیکی (جلبک ها، باکتری ها و غیره) نیز از اجزای تشکیل دهنده ی آب های سطحی می باشند. این مواد که در اثر عملکرد فرسایشی آب جاری بر روی سطوح به وجود می آیند، تحت عنوان آلاینده های طبیعی نامیده می شوند. به خاطر ظرفیت فیلتر کردن خاک، مواد معلق به ندرت در آب های زیر زمینی یافت می شوند.

سایر مواد معلق ممکن است در اثر استفاده انسان از آب بوجود آیند. فاضلاب شهری معمولاً حامل مقادیر زیادی از جامدات معلق می باشد که از نظر ماهیت عمدتاً آلی هستند. مصارف صنعتی آب ممکن است منجر به ورود ناخالصی هایی با ماهیت آلی و یا معدنی در آب شوند.

وجود مواد معلق در آب ممکن است به دلایل مختلف مورد اعتراض مصرف کنندگان قرار گیرد.این موارد از نظر زیبایی به آب لطمه می زنند، بعلاوه محل هایی را برای جذب سطحی مواد شیمیایی و بیولوژیکی بوجود می آورند.

جامدات معلق آلی ممکن است بصورت بیولوژیکی مورد تجزیه قرار گیرند و نهایتاً مواد جانبی نامطلوبی را بوجود آورند. جامدات معلق فعال از نظر بیولوژیکی ممکن است شامل ارگانیسم های بیماری زا نظیر ارگانیسم هایی باشند که در زنجیره ی جلبک تولید کننده ی سم هستند.

اندازه‌گیری:

برای اندازه‌گیری مقدار جامدات موجود در آب آزمایشات متعددی وجود دارد. اغلب این آزمایشات از طریق وزن سنجی بوده و شامل اندازه گیری جرم رسوب شده می باشد. آزمایش کل جامدات (Total Solids) شامل همه جامداتی است که در آب به صورت معلق یا محلول با ریشه معدنی یا آلی وجود داشته باشند. این پارامتر به کمک تبخیر یک نمونه تا مرحله خشک و اندازه گیری جرم باقی مانده تعیین می شود. مقدار کل جرم باقی مانده بر حسب میلی گرم در لیتر بر مبنای جرم خشک جامدات بیان می شود. دما خشک کننده در 104 درجه سانتی گراد برای خارج ساختن مایع و نیز آب جذب شده در سطح ذرات جامد کافی است. حال آنکه برای تبخیر آب محبوس در وسط ذرات به دمایی در حدود 180 درجه ی سانتی گراد نیاز است.

بیشتر ذرات معلق جامد را می توان به کمک فیلتراسیون از آب جدا کرد، بنابراین جزء معلق جامدات موجود در یک نمونه آب را می توان با فیلتر کردن آب، خشک کردن جرم باقی مانده و فیلتر تا یک وزن ثابت در دمای ( ) 104 درجه سانتی گراد و تعیین نمودن جرم باقی مانده بر روی فیلتر تخمین زد. نتایج آزمایش جامدات معلق بر حسب جرم خشک در حجم (میلی گرم در لیتر) بیان می شود. مقدار جامدات حل شده که از فیلتر عبور می نماید نیز بر حسب میلی گرم در لیتر بیان می شود، که این مقدار برابر است با تفاوت میان کل جامدات موجود در آب و جامدات معلق در یک نمونه آب. لازم به یادآوری است که فیلتراسیون یک نمونه آب دقیقاً به تقسیم جامدات به دو گروه معلق و محلول مطابق تعاریف ارائه شده نمی پردازد. برخی از ذرات کلوئیدی ممکن است از فیلتر عبور کرده و همراه جزء محلول در آب محاسبه شود. در حالی که برخی دیگر از ذرات جامد محلول جذب فیلتر می شوند. میزانی که این حالت اتفاق می افتد بستگی به اندازه و ماهیت ذرات جامد و نیز به اندازه روزنه ها و خواص سطحی فیلتر دارد. از این رو عبارت های جرم باقی مانده ی قابل فیلتر و جرم باقی مانده غیر قابل فیلتر در اغلب موارد مورد استفاده قرار می گیرد.

جرم باقی مانده قابل فیلتر از فیلتر همراه با آب عبور نموده و خواص نزدیک تری به جامدات محلول از خود نشان می دهد در حالیکه جرم باقی مانده غیر قابل فیلتر بر روی سطح فیلتر باقی مانده و خواص نزدیک تری به ذرات جامد معلق را از خود نشان می دهد. جرم های باقی مانده قابل فیلتر و جرم های باقی مانده غیر قابل فیلتر عبارت هایی هستند که اغلب اوقات در آنالیز آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرند در حالی که عبارت های جامدات محلول و جامدات معلق بیشتر در مسائل مربوط به کنترل کیفیت آب مطرح می شوند.

بعد از خشک کردن و اندازه‌گیری نمونه ها مقدار ماده ی آلی جامدات معلق و جامدات کل را می توان از طریق محترق ساختن جرم های باقی مانده در دمای 600 درجه سانتی گراد به مدت یک ساعت به دست آورد. جزء آلی جرم های باقی مانده به دی اکسید کربن، بخار آب و سایر گازها تبدیل، و به محیط بیرون هدایت می شوند. باقی مانده مواد به عنوان مواد معدنی یا ثابت خوانده می شوند لازم به ذکر است وقتی که مواد آلی جامدات معلق اندازه گیری می شوند الزاماً باید از یک فیلتر که از جنس فایبرگلاس یا برخی مواد مقاوم دیگر که در برابر درجه حرارتهای بالا تجزیه نمی شوند، استفاده نمود. دامنه ی اندازه ی مواد محلول، کلوئیدی و معلق در شکل (2-1) نشان داده شده است.

شکل (2-1) دامنه ی اندازه ی جامد موجود در آب بر حسب میکرومتر (mµ)

ب) کدورت (Turbidity):

کدورت معیاری برای میزان جذب نور و یا پراکندگی نور توسط مواد معلق در آب است. از آن جائی که جذب و تفرق نور تحت تأثیر اندازه و خواص سطحی مواد معلق قرار می گیرد، لذا کدورت نمی تواند به عنوان یک اندازه گیری کمّی مستقیم از ذرات معلق محسوب شود. به عنوان مثال یک ذره ی کوچک در داخل یک لیوان آب در واقع هیچ گونه کدورتی ایجاد نمی کند. اگر این ذره به هزاران ذره ی کوچکتر با اندازه های کلوئیدی شکسته شود با وجود آن که جرم جامدات تغییری ننموده است، اما کدورت به میزانی می رسد که قابل اندازه‌گیری است.

قسمت اعظم کدورت در آب های سطحی ناشی از فرسایش مواد کلوئیدی نظیر خاک رس، لای، خرده سنگ ها، مواد شیمیایی، موجودات زنده مانند میکروب ها، جلبک ها و اکسیدهای فلزی موجود در خاک است. همچنین مواد موجود در فاضلاب های صنعتی و شهری مانند صابون ها، شوینده ها و عوامل دیگر در تولید کدورت نقش بسزایی دارند.زمانی که آب کدر در یک محفظه شفاف و کوچک نظیریک سوراخ در معرض نور قرار گیرد یک تیرگی یا رنگ شیری به چشم می خورد. مواد کلوئیدی کدورت زا سطوحی را برای جذب ارگانیسم های بیولوژیکی، مواد شیمیایی مضر و یا عامل طعم و بوی نا مطبوع فراهم می کنند. هم چنین مشکلات دیگری از قبیل گرفتگی فیلترها، کاهش گوارایی آب و حفاظت از میکروارگانیسم های موجود در آب را در برابر گندزداها موجب می گردد.

در منابع طبیعی آب، کدورت ممکن است رنگی خاکستری و یا غیر از آن به آب ببخشد.رنگ آب بستگی به خواص جذب نور توسط جامدات داشته و می تواند با نفوذ نور و یا واکنش های فتوسنتز به نهرها و دریاچه ها تغییریابد. تجمع ذرات کدورت زا در بسترهای متخلخل آب منجر به ته نشینی موادی می گردد که می توانند اثرات سوئی بر گیاهان و جانوران آبزی داشته باشند.

اندازه‌گیری

کدورت به طریق فتوشیمیایی و به کمک اندازه گیری نوری که با یک شدت معین جذب و یا پراکنده می شود محاسبه می گردد. دستگاه اولیه ی اندازه گیری به نام کدورت سنج جک سون[1] معروف است و اساس کار آن بر مبنای تاباندن نور به محلول است به طوری که با اندازه گیری میزان عبور نور، میزان کدورت قابل تعیین است.این روش بیشتر برای اندازه گیری کدورت های بالای 25 واحد بکار می رود. حداکثر مقدار مطلوب و حداکثر غلظت مجاز آن به ترتیب 5 و 25 واحد می باشد. لازم به ذکر است یک واحد کدورت جک سون برابر با کدورت ایجاد شده توسط یک میلی گرم اکسید سیلیسیم (SiO₂) در یک لیتر آب مقطر است. هر چند امروزه از یک ماده ی شیمیایی دیگر به نام فورمازین که استاندارد مناسب تری نسبت به (SiO₂) ایجاد می کند، استفاده می شود.

در سال های اخیر بجای عبور نور، از میزان پراکندگی نور تابانده شده به محلول جهت تعیین کدورت آب استفاده می شود، به طوری که یک نورسنج جهت اندازه گیری شدت نور در یک زاویه 90 درجه نسبت به منبع نور قرار می گیرد. این روش به کدورت سنج نفلومتری[2] معروف است. از این روش بیشتر برای کدورت های کمتر از 25 واحد استفاده می شود. در این سیستم حداکثر مجاز 5 واحد است. امروزه در کشورهای پیشرفته در زمینه ی دستیابی به کدورت های پایین تر و در حد کمتر از N.T.U 1 تلاش می شود.

روش های از بین بردن کدورت آب عبارتند از :

      الف) روش ته نشینی (حذف ذرات معلق)

      ب) روش انعقاد و ته نشینی (حذف ذرات کلوئیدی)

      ج) روش فیلتراسیون (حذف ذرات معلق و کلوئیدی)

ج) رنگ (Colour):

توده ی آب آشامیدنی باید در عمق کم، بی رنگ و در عمق زیاد مایل به آبی باشد. هنگامی که مواد محلول یا معلق موجود در آب زیاد باشند، آب رنگی می نماید. رنگ آب ممکن است حقیقی و یا ظاهری باشد. به رنگ ناشی از مواد محلول که بعد از جدا کردن مواد معلق باقی می ماند، رنگ حقیقی گویند. به رنگ ناشی از مواد معلق، رنگ ظاهری گویند.

معمولاً آب پس از تماس با اجزای ریز مواد آلی و یا معدنی موجب رنگی شدن می گردد. مثلاً نمک های آهن ایجاد رنگ متمایل به قرمز، و نمک های منگنز رنگ قهوه ای متمایل به سیاه می دهند. زردی رنگ آب نشانه ی وجود ترکیبات گیاهی و اسیدهای آلی ناشی از فساد آنها و یا وجود خاک رس می باشد، در حالی که آب سبز رنگ نشانه وجود گیاهانی چون جلبک در آب است. هم چنین وجود املاح مس در آب رنگ آن را خاکستری مایل به آبی می کند.

آب رنگی از لحاظ زیبایی برای عموم مردم قابل پذیرش نیست. در حقیقت اگر مصرف کننده ها دارای قدرت انتخاب باشند، ترجیح می دهند از آب بدون رنگ و تمیز استفاده کنند. آبی که به مقدار زیاد دارای رنگ باشد برای مصارفی نظیر شستشوی لباس، رنگرزی، تهیه کاغذ، ساخت نوشابه های الکلی، تولید لبنیات همراه با سایر مواد غذایی، صنایع نساجی و تولید پلاستیک مناسب نیست. از این رو رنگ آب بر پذیرش آن برای مصارف خانگی و صنعتی تأثیرگذار است.

در شرایطی که به طور معمول رنگ حقیقی آب به عنوان عامل غیربهداشتی و یا نامطمئن شناخته نمی شود، ترکیبات آلی که سبب بروز رنگ حقیقی می شوند، ممکن است موجب افزایش کلرخواهی آب شده و نهایتاً موجب کاهش جدی اثرگذاری کلر بر آب به عنوان یک ماده گندزدا شود. شاید مهمتر از این، محصولاتی باشند که در اثر ترکیب این مواد با کلر به وجود می آیند؛ ترکیبات فنل ( اجزای تشکیل دهنده ی شناخته شده ی محصولات ناشی از تجزیه ی سبزی ها) همراه با کلر طعم و بوی بسیار ناخوشایندی تولید می کنند. به علاوه برخی از ترکیبات در اسیدهای آلی طبیعی و کلریافت می شوند، که یا نوعاً سرطان زا هستند و یا مشکوک به داشتن چنین خاصیتی هستند.

اندازه گیری

روش های متعددی برای اندازه گیری رنگ وجود دارد، اما روش هایی که در برگیرنده ی مقایسه با مواد دارای رنگ استاندارد هستند در بیشترین حد ممکن مورد استفاده قرار می گیرند. لوله های مقایسه ی رنگی حاوی یک سری استانداردهایی هستند که می توانند برای مقایسه ی مستقیم نمونه های آبی که قبلاً جهت از دست دادن رنگ ظاهری خود فیلتر شده اند، به کار روند. نتایج به دست آمده بر حسب واحد رنگ حقیقی (T.C.U)True Colour Unit بیان می شوند که در آن یک واحد معادل با رنگ تولید شده توسط یک میلی گرم بر لیتر از پلاتین به شکل یون های کلروپلاتینات می باشد. برای رنگ های غیر از رنگهای زرد مایل به قهوه ای و به ویژه برای آبهای رنگی ناشی از جریان های خروجی فاضلاب های صنعتی، معمولاً تکنیک های خاص اسپکتروفتومتری به کار برده می شود.

در محیط های کاری دستگاه های مجهز به دیسک های شیشه ای رنگی که با استانداردهای رنگی کالیبره می شوند، مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به این که تغییرات بیولوژیکی و فیزیکی ممکن است در طول زمان ذخیره سازی بر روی رنگ اثر بگذارد نمونه ها حداکثر 72 ساعت پس از جمع آوری باید آزمایش شوند.

حداکثر مطلوب رنگ آب بر حسب (T.C.U) 5 واحد و حداکثر مجاز آن 15 واحد می باشد.

د) طعم و بو (Odour-Taste):

آب آشامیدنی باید بی بو باشد. بوی آب معمولاً مربوط به مواد آلی مانند آمونیاک و ... است. طعم آب بیشتر مربوط به مواد معدنی می باشد. موادی که در داخل آب ایجاد بو می کنند، تقریباً همیشه ایجاد طعم نیز می نمایند و لیکن عکس این مطلب درست نیست، زیرا مواد معدنی زیادی وجود دارند که ایجاد طعم می نمایند ولی به هیچ وجه تولید بو نمی کنند.

بسیاری از موادی که آب با آن ها در طبعیت تماس می یابد و‌یا ممکن است در اثر استفاده بشر به آن وارد گردند، طعم وبوی محسوسی را به آب می بخشند. این مواد شامل مواد معدنی، فلزات، رنگهای مشتق از خاک، محصولات نهایی ناشی از واکنش های بیولوژیکی، صنایع نفتی، ترکیبات گوگردی و غیره می باشند. مثلاً شوری آب نشانه وجود نمکهای خوراکی، تلخی آن دلیل بر زیادی ترکیبات منیزیم و مزه‌ی گس دلیل بر زیادی نمک های آهن و آلومینیوم موجود در آب است.

آب های قلیایی (9pH) مزه ی آن را ترش می نمایند. گندیدگی آب به علت آلودگی های آلی آن است که ممکن است همراه با میکروب های بیماری زا باشد. بد مزگی آب بسته به عادات مردم متغیر است. غالباً بد مزگی آب به علت وجود نمکها با مقادیر مختلف است. به طوری که نمک های آهن از 5/0، منیزیم کلرید از 60 تا 100، نمک های خوراکی از 300 تا 400، کلسیم سولفات از 500 تا 600 و منیزیم سولفات از 500 تا 1000 میلی گرم در هر لیتر آب مزه آن را تغییر می دهد و موجب بد مزگی می گردد. هم چنین ترکیبات گوگردی موجود در آب می توانند بو و طعم تخم مرغ گندیده را از خود متصاعد نمایند.

از نظر مصرف کنندگان، طعم وبو به دلایل روشنی ناخوشایند می باشد از آن جایی که آب همواره به عنوان ماده ای بی طعم وبی بوشناخته شده است، مصرف کننده چنین تصور می کند که مزه وبو همراه با آلودگی هستند، لذا ترجیح می دهد که از آب بی طعم وبی بو استفاده نماید.

اندازه گیری:

اندازه گیری مستقیم موادی که ایجاد طعم وبو می کنند در صورتی امکان پذیر است که عوامل بوجود آورنده ی آن ها شناخته شده باشند. با انجام برخی آنالیزها می توان مواد ایجاد کننده طعم را اندازه گیری کرد. اندازه گیری مواد آلی به وجود آورنده ی طعم وبو به کمک روشهای کروماتوگرافی گازی ویا مایع امکان پذیر است. از آنجایی که تجزیه ی کروماتوگرافی به مدت زمان زیادی نیاز دارد و از طرفی برای تکمیل آن نیاز به تجهیزات گران قیمتی هست، انجام چنین آزمایش هایی به طور معمول برروی نمونه های آب صورت نمی گیرد. اما در شرایطی که مواد آلی مزاحم به شکل معلق باشند،انجام این گونه آزمایشات ضروری است. با این وجود به دلیل اثر تشدید کنندگی که ذکر شد تعیین میزان منابع ایجاد کننده طعم و بو لزوماً به تعیین ماهیت و یا شدت طعم و بو نمی پردازد. آزمایشات کمی که از خواص چشایی و بویایی انسان بهره می گیرند، برای این منظور می توانند مورد استفاده قرار گیرند. آزمایش برای آستانه ی بویایی[3] می تواند مثالی در این مورد باشد. مقادیر متغیری از آب بودار در داخل ظرف هایی ریخته می شود وبرای ساخت یک مخلوط به حجم 200 میلی لیتر با مقدار کافی از آب مقطر بی بو رقیق می شود.یک دستگاه نصب شده که دارای 5 الی 10 دماغه است برای تعیین مخلوطی که بو در آن به حد احساس رسیده است، به کاربرده می شود.T.O.N این نمونه به کمک رابطه ی زیر محاسبه می شود.

 = TON

      A: حجم آب بودار بر حسب میلی لیتر.

      B: حجم آب بدون بوی لازم برای تهیه یک مخلوط 200 میلی لیتری.

اعداد آستانه ی بویایی متناظر با حجم های متعدد نمونه ها در جدول (1-1) نشان داده شده اند، حداکثر مقدار TON برابر 3 از طرف سازمان بهداشت جهانی به عنوان یک معیار کلی توصیه شده است.

جدول (1-1) اعداد آستانه ی بویایی متناظر با حجم نمونه رقیق شده به 200 میلی   لیتر

ذ) دما(Temperature):

دما برای ارزیابی مستقیم آب آشامیدنی به کاربرده نمی شود؛ در عین حال یکی از مهمترین عوامل در سیستم های آب سطحی در طبیعت به شمار می رود. دمای آب های سطحی به مقدار زیادی گونه های بیولوژیکی موجود در آب و شدت فعالیت آن ها را کنترل می کند. دما بر روی بسیاری از واکنش های شیمیایی که در سیستم های طبیعی آب انجام می گیرند، اثر می گذارد. همچنین دما دارای اثر قابل ملاحظه ای بروی حلالیت گازها در آب است.دمای سیستم های طبیعی آب از بسیاری عوامل از جمله دمای اتمسفر تأثیرپذیر است. به طور کلی ذخایر کم عمق آب بیشتر از ذخایر عمیق تر آب تحت تأثیر دمای محیط اند. به طوری که درجه حرارت آب های زیرزمینی در عمق 10 متری از سطح زمین نزدیک به 10 درجه سانتی گراد است و به ازای هر 33 متر افزایش عمق، تقریباً 1 درجه سانتی گراد به گرمی آب های زیرزمینی افزوده می شود.

استفاده از آب به عنوان خنک کننده در صنعت وتخلیه ی متعاقب آب گرم شده می تواند منجر به تغییرات شدید، هر چند موضعی دردمای آب جریان های طبیعی شود. آب های خنک تر معمولاً دارای تنوع وسیع تری از گونه های بیولوژیکی هستند، در دماهای پایین تر فعالیت زیستی یعنی استفاده از منابع غذایی، رشد، تولید مثل وغیره، با سرعت کمتری انجام می گیرد. اگر دما افزایش یابد فعالیت زیستی زیاد می شود. اگر موادغذایی لازم موجود باشد، افزایشی معادل 10 درجه سانتی گراد معمولاً برای دو برابر کردن فعالیت زیستی کافی است. دردماهای بالاتر وسرعت های متابولیکی بیشتر موجودات ذره بینی که در استفاده از منابع غذایی و تولید مثل کارایی بیشتری دارند، تکثیر پیدا می کنند درحالی که سایر گونه های موجودات ذره بینی از لحاظ جمعیتی دچار کاهش بسیار می شوند ویا به طور کلی از میان می روند. سرعت رشد بی رویه ی جلبک ها معمولاً درآب های گرم دیده می شود، واین پدیده می تواند موجب بروز مشکل ناشی از رشد جلبک ها وتشکیل گروه های حجیمی از آنها گردد. ترشح طبیعی روغن ها توسط جلبک ها دراین گروه های حجیم ومحصولات به وجودآمده از تجزیه سلولهای مرده جلبک ها می تواند مشکلاتی رادر خصوص طعم، بو و افزایش هزینه ی تصفیه آب به وجودآورد. گونه های بزرگتر از موجودات زنده درآب از قبیل ماهیان به میزان قابل توجهی توسط دما و میزان اکسیژن محلول در آب تحت تأثیر قرار می گیرند؛ این درحالیست که خود میزان اکسیژن محلول درآب تابعی از دماست. ماهی های شکاری معمولاً نیازمند دماهای پایین تر و مقادیر بیشتر از اکسیژن محلول درآب می باشند.

تغییرات دما بروی سرعت واکنش های شیمیایی و مقدار حلالیت مواد شیمیایی اثر می گذارد. بیشتر واکنش های شیمیایی نظیر حل شدن جامدات در اثر افزایش دما سرعت بیشتری می یابند. از طرف دیگر حلالیت گازها در درجه حرارت های بالاتر کاهش ازخود نشان می دهند. این عامل می تواند موجب بی مزگی آب و عدم گوارایی آن شود. همچنین دما بر روی سایر خواص فیزیکی آب اثر می گذارد. با کاهش دما، ویسکوزیته ی آب افزایش می یابد. حداکثر دانسیتة آب دردمای 4 درجه ی سانتی گراد بروز می کند. مناسب ترین درجه حرارت آب آشامیدنی 12- 8  درجه سانتی گراد است. آب سرد اثرات بسیار سوئی بر دستگاه گوارش انسان دارد.