آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب

آب یکی از عجیب ترین پدیده­های آفرینش است. بیشتر سطح زمین (حدود سه چهارم) پوشیده از آب است. مجموعه آب­های موجود در کره زمین، Hydrosphere نامیده می­شود و برآورد میشود حدود ۴/۱ میلیارد کیلومتر مکعب آب در سطح کره زمین به  صورت­های گوناگون موجود باشد که از مقدار تنها حدود ۱%  به صورت آب شیرین در دسترس بشر است. آب یک عامل مهم برای زندگی جانداران است، به طوریکه حدود ۸۰% پروتوپلاسم سلول­های زنده از آب تشکیل شده است. آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب

آب با نماد شیمیایی H₂O از دو عنصر هیدروژن و اکسیژن که در دمای معمولی به حالت گاز هستند تشکیل یافته است. هیدروژن عنصری است که می­سوزد در حالی که اکسیژن برای سوزانیدن لازم است. جالب اینجاست که برای خاموش کردن بسیاری از آتش­ها از آب استفاده   می­شود. آبی که از ایزوتوپ ₁¹H گواراترین نوشیدنی است اما D₂O یا آب سنگین که در تشکیل آن Deuterium  به کار رفته یک ماده سمی است.

آب یک مولکول قطبی است و به واسطه هیبریداسیون SP³ اتم اکسیژن، این مولکول یک چهاروجهی نامنتظم است. گرچه زوایای پیوندی در این نوع هیبریداسیون ۱۰۹^o.28^/ است ولی به سبب حضور دو جفت الکترون غیرپیوندی (N.B) زوایایی بین دو اتم هیدروژن و اکسیژن حدود ۱۰۵^o است. طول پیوند بین O-H حدود 96pm است. (1pm =۱۰^-12m)

وجود پیوند هیدروژنی (Hydrogen Bond) میان مولکول­های آب ویژگی­هایی را در آب ایجاد می­کند که از مهمترین آنها می­توان به نقطه جوش و کشش سطحی(Surface Tension) بالای آن اشاره نمود. اگر پیوند هیدروژنی میان مولکول­های آب موجود نبود این ماده در دمای حدود -100 ^oC می­جوشید.

 آب به عنوان یک حلال پدید آورنده بسیاری از محلول­هاست. محلول­ها (Solutions) مهمترین دسته از مخلوط­های همگن (Homogeneous Mixture ) هستند که حاوی ذراتی با قطر ۰.۱- ۲ nm هستند. محلول­ها شفاف و بی­رنگ و یا رنگی بوده و به مرور زمان دولایه نمی­شوند. نوع دیگری از مخلوط­های همگن کلوئید (Colloid) نامیده می­شوند و حاوی ذراتی با قطر ۲-۵۰۰ nm هستند و گرچه در برابر نور، تیره یا مات هستند ولی به مرور زمان دولایه نمی­شوند. آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب

طبقه بندی مواد یونی برحسب انحلال­پذیری آنها در آب ، مشکل است. اصولاً هیچ چیز نیست که در آب کاملاً غیرقابل حل باشد. میزان انحلال پذیری مواد حل­شونده نسبت به هم بسیار تغییر می­کند. افزون بر این برخی مواد ضمن تماس با آب واکنش داده  و به عوض انحلال موجب تولید ترکیبات دیگری می­شود.

نمونه دو صفحه از آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب

Al₂S₃ + 6H₂O                     2Al(OH)₃ + 3H₂S

با این حال طبقه بندی مندرج در جدول زیر همراه با چند مثال یک دید کلی راجع به پدیده انحلال ارائه می­دهد.

 آب با وجود انواع ناخالصی­ها هنوز هم یکی از خالص ترین مواد طبیعی است. به جز آب دریا، معمولاً غلظت کل مواد محلول در آب (TDS) در طبیعت کمتر از ppm ۶۰۰  یا ۰.۰۶% است در حالی که آهک خالص طبیعی ۴% ناخالصی دارد. حتی سود سوزآور خالص مورد مصرف در تحقیقات ۱% و نمک خوراکی خالص حدود ۰.۰۷% ناخالصی دارد. بنابراین آب طبیعی هنوز هم از بسیاری مواد تصفیه شده خالص­تر است.

    آب یک از مشهورترین حلا­ل­ها است بنابراین نمی­توان آنرا به طور کاملاً خالص در طبیعت یافت. عناصر و مواد موجود در آب دریا شاخص خوبی جهت قدرت حلالیت بالای آب است. به عنوان نمونه یون­های کلر و سدیم با غلظت­های به ترتیب 19000ppm (۱.۹% ) و ۱۰۵۰۰ ppm (۱.۰۵%) بیشترین غلظت را در آب دریا دارند. همچنین غلظت عناصری چون جیوه ،‌ نقر ه و طلا در حدود ۰.۰۰۱ ppm قابل اندازه­گیری هستند. وجود انواع کاتیون­ها،‌ آنیون­ها ، نمک­ها و ترکیبات موجب بروز مزه­هایی در آب می­شوند که مهمترین آنها به ترتیب زیر است:

مزه شور آب ناشی از حضور Cl^– است. این شوری به سایر ترکیبات شیمیایی آب بستگی دارد. اگر کاتیون سدیم در آب­هایی با غلظت کلر 250ppm موجود باشد مزه شور محسوس است. اما اگر کاتیون کلسیم یا منیزیم باشد، چنانچه غلظت کلراید 1000 ppm  هم باشد  ممکن است مزه شور آشکار نشود.

تلخی آب به خاطر وجود نمک­های Mg است. مزه گس مربوط به آهن و آلومینیم محلول در آب است. نمک­های آلی موجب مزه گندیدگی آب می­شوند. آب­هایی که ترش باشند دارای pH<۳ بوده و داشتن مزه صابون حاکی از آن است که pH>۹  است.

   آب در تشکیل، تکوین و پیشرفت جوامع بشـری نقش بسیـار بزرگی دارد؛ به ویژه در زندگی نوین امروزی آب در موارد گوناگونی از قبیل مصارف آشامیدنی، بهداشتی، کشاورزی، دامپروری، تولید نیرو، صنایع و مصارف شهری کاربرد وسیع و ضروری دارد. محدودیت منـابع طبیعی آب قابل مصرف، جلوگیری از مصرف بی رویه آنرا اجباری نموده و از همین رو تصفیه و بازیابی پساب‏های شهری و صنعتی به منظور کاربرد دوباره و جلوگیری از آلودگی محیط زیست، اهمیت روزافزونی یافته است.

    با وجودی‏که حدود ۱% از جمعیت جهان در ایران زندگی می‏کنند، تنها حدود ۲۶/۰ درصد از منابع آب شیرین جهان در کشور ما وجود دارد و برآوردهای علمی نشان می‏دهد که با افزایش تدریجی جمعیت، ایران تا دو دهه دیگر به طور جدی با مشکل کمبود آب روبه‏رو خواهد شد؛ به گونه‏ای که طبق پیش‏بینی‏ها، سهم سرانه آب برای هر ایرانی در سال ۱۳۸۵ به 1750رسید و این مقدار در سال ۱۴۰۰ به ۱۳۰۰ مترمکعب می‏رسد که کاهش این سهم به کمتر از ۱۰۰۰ مترمکعب در سال، کشور را با  بحران جدی کم آبی روبه ‏رو خواهد کرد.

۱) آب‏‎های صنعتی   Industrial Waters    

آب در صنایع کاربردهای بسیار وسیعی دارد که مهمترین آنها به ترتیب زیر است:

• آب به عنوان ماده اولیه در صنایع مختلف مانند صنایع غذایی و دارویی.
• آب جوشاورها(Boilers ) جهت تولید انرژی در نیروگاه‎ها یا واحدهای تولید برق در صنایع پتروشیمی و پالایش نفت.
• آب به عنوان عامل سرد کننده در برج‎های خنک کننده(Cooling Towers ) و مبد‎ل‎های حرارتی(Heat exchangers)
• آب در خدمت مصارف عمومی کارخانجات و صنایع.

آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب

به طور کلی آبی که در صنعت مصرف می‎شود دارای یک خواص عمومی مشترک است با این حال با توجه  به نوع صنعت، هر صنعتی آب با خواص ویژه را به کار می‎برد. به طور کلی حداقل شرایط لازم برای کاربرد آب در مصارف صنعتی شامل شرایط زیر است:

• آب باید عاری از مواد معلق(Suspended materials ) ، نمک‎ها(Salts)       و رسوبات(Deposits ) زیاد بوده و برای به‎کارگیری در برخی صنایع دارای مشخصات و شرایط آب مشروب باشد.
• آب باید بدون مواد روغنی، مواد فنلی، مواد مربوط به پودرهای پاک‎کننده، کف و همچنین عناصر شیمیایی زیان‎آور بوده و عاری از مواد تخلیه شده مربوط به فاضلاب‎های شهری، صنعتی و کشاورزی باشد.
• در آب نباید موادی وجود داشته باشد که تولید رنگ و بوی نامطبوع کند و همچنین از نظر فیزیکی پاره‎ای از مشخصات مربوط به آب آشامیدنی(Drink Water ) و ویژگی‎های فیزیکی آب مشروب را دارا باشد.

به عنوان مثال مقادیر نوعی زیر میزان مصرف آب یا تولید پساب در برخی صنایع را نشان می‌دهد.

• در صنعت نساجی حدود ۱۰۰ لیتر آب برای رنگرزی یک کیلوگرم از الیاف به‌کار رود.
• کارگاه‎های تولید قطعات ریزالکترونیکی (با روزانه تولید حدود ۵۰۰۰ قطعه)، ‌تقریباً ۵ میلیون لیتر پساب شامل حلال آلی و آب ایجاد می‎کنند.
• برای تولید هر تن آلومینیم حدود ۱۳۵۰ متر مکعب آب به کار می‎رود.
• برای تولید هر تن فولاد حدود ۲۵۰ متر مکعب آب مورد نیاز است.
• برای تولید هر خودرو حدود ۴۰ تن یا به عبارتی حدود ۴۰ متر مکعب آب مورد نیاز است.
• برای تولید هر تن کاغذ حدود ۲۴۰۰ متر مکعب آب  به کار می‎رود.
• برای تولید هر تن مواد شیمیایی حدود ۲۰۰ متر مکعب آب  به کار می‎رود.
• برای تولید هر تن شکر حدود ۱۰۰ متر مکعب آب  به کار می‎رود.
• برای تولید هر تن چرم حدود ۶ متر مکعب آب  به کار می‎رود.

۱۰- برای تصفیه هر بشکه نفت حدود ۱۲-۴  متر مکعب آب به کار می‎رود.

۱۱- هر نیروگاه برق(Power Station) برای تولید 1Kw.h حدود ۲۰۰ لیتر آب مصرف  می­کند.

  پژوهش‎های آماری بسیاری درباره مصرف آب در کشورهای پیشرفته انجام گرفته و در نهایت میزان مصرف آشکار آب برای هر نفر در روز حدود ۳۰۰ لیتر و مصرف نهایی آب برای هر فرد مطابق جدول زیر چیزی حدود ۶ هزار لیتر برآورد شده است. آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب

در جدول (۱) مهمترین ناخالصی‎های آب‎های صنعتی و شیوه حذف آنها به طور فهرست‎وار آورده شده است.

جدول(۱)، مهمترین ناخالصی‎های آب و شیوه حذف آنها

ادامه جدول (۱)، مهمترین ناخالصی‎های آب و شیوه حذف آنها