آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب

آب يكي از عجيب ترين پديده­هاي آفرينش است. بيشتر سطح زمين (حدود سه چهارم) پوشيده از آب است. مجموعه آب­های موجود در کره زمین، Hydrosphere نامیده می­شود و برآورد میشود حدود 4/1 ميليارد كيلومتر مكعب آب در سطح كره زمين به  صورت­هاي گوناگون موجود باشد كه از مقدار تنها حدود 1%  به صورت آب شيرين در دسترس بشر است. آب یک عامل مهم برای زندگی جانداران است، به طوریکه حدود 80% پروتوپلاسم سلول­های زنده از آب تشکیل شده است. آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب

آب با نماد شيميايي H₂O از دو عنصر هيدروژن و اكسيژن كه در دماي معمولي به حالت گاز هستند تشكيل يافته است. هيدروژن عنصري است كه مي­سوزد در حالي كه اكسيژن براي سوزانيدن لازم است. جالب اينجاست كه براي خاموش كردن بسياري از آتش­ها از آب استفاده   مي­شود. آبي كه از ايزوتوپ ₁¹H گواراترين نوشيدني است اما D₂O يا آب سنگين كه در تشكيل آن Deuterium  به كار رفته يك ماده سمي 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 109^o.28^/ است ولی به سبب حضور دو جفت الکترون غیرپیوندی (N.B) زوایایی بین دو اتم هیدروژن و اکسیژن حدود 105^o است. طول پیوند بین O-H حدود 96pm است. (1pm =10^-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 0.1- 2 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 2-500 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 ناخالصي­ها هنوز هم يكي از خالص ترين مواد طبيعي است. به جز آب دريا، معمولاً غلظت كل مواد محلول در آب (TDS) در طبيعت كمتر از ppm 600  يا 0.06% است در حالي كه آهك خالص طبيعي 4% ناخالصي دارد. حتي سود سوزآور خالص مورد مصرف در تحقيقات 1% و نمك خوراكي خالص حدود 0.07% ناخالصي دارد. بنابراين آب طبيعي هنوز هم از بسياري مواد تصفيه شده خالص­تر است.

    آب يك از مشهورترين حلا­ل­ها است بنابراين نمي­توان آنرا به طور كاملاً خالص در طبيعت يافت. عناصر و مواد موجود در آب دريا شاخص خوبي جهت قدرت حلاليت بالاي آب است. به عنوان نمونه يون­هاي كلر و سديم با غلظت­هاي به ترتيب 19000ppm (1.9% ) و 10500 ppm (1.05%) بيشترين غلظت را در آب دريا دارند. همچنين غلظت عناصري چون جيوه ،‌ نقر ه و طلا در حدود 0.001 ppm قابل اندازه­گيري هستند. وجود انواع كاتيون­ها،‌ آنيون­ها ، نمك­ها و تركيبات موجب بروز مزه­هايي در آب مي­شوند كه مهمترين آنها به ترتيب زير است:

مزه شور آب ناشي از حضور Cl^– است. اين شوري به ساير تركيبات شيميايي آب بستگي دارد. اگر كاتيون سديم در آب­هايي با غلظت كلر 250ppm موجود باشد مزه شور محسوس است. اما اگر كاتيون كلسيم يا منيزيم باشد، چنانچه غلظت کلراید 1000 ppm  هم باشد  ممكن است مزه شور آشكار نشود.

تلخي آب به خاطر وجود نمك­هاي Mg است. مزه گس مربوط به آهن و آلومينيم محلول در آب است. نمك­هاي آلي موجب مزه گنديدگي آب مي­شوند. آب­هايي كه ترش باشند داراي pH<3 بوده و داشتن مزه صابون حاكي از آن است كه pH>9  است.

   آب در تشكيل، تكوين و پيشرفت جوامع بشـري نقش بسيـار بزرگي دارد؛ به ويژه در زندگي نوين امروزي آب در موارد گوناگوني از قبيل مصارف آشاميدني، بهداشتي، كشاورزي، دامپروري، توليد نيرو، صنايع و مصارف شهري كاربرد وسيع و ضروري دارد. محدوديت منـابع طبيعي آب قابل مصرف، جلوگيري از مصرف بي رويه آنرا اجباري نموده و از همين رو تصفيه و بازيابي پساب‏هاي شهري و صنعتي به منظور كاربرد دوباره و جلوگيري از آلودگي محيط زيست، اهميت روزافزوني يافته است.

    با وجودي‏كه حدود 1% از جمعيت جهان در ايران زندگي مي‏كنند، تنها حدود 26/0 درصد از منابع آب شيرين جهان در كشور ما وجود دارد و برآوردهاي علمي نشان مي‏دهد كه با افزايش تدريجي جمعيت، ايران تا دو دهه ديگر به طور جدي با مشكل كمبود آب روبه‏رو خواهد شد؛ به گونه‏اي كه طبق پيش‏بيني‏ها، سهم سرانه آب براي هر ايراني در سال 1385 به 1750رسید و این مقدار در سال 1400 به 1300 مترمكعب مي‏رسد كه كاهش اين سهم به كمتر از 1000 مترمكعب در سال، كشور را با  بحران جدي كم آبي روبه ‏رو خواهد كرد.

1) آب‏‎هاي صنعتي   Industrial Waters    

آب در صنايع كاربردهاي بسيار وسيعي دارد كه مهمترين آنها به ترتيب زير است:

• آب به عنوان ماده اوليه در صنايع مختلف مانند صنايع غذايي و دارويي.
• آب جوشاورها(Boilers ) جهت توليد انرژي در نيروگاه‎ها يا واحدهاي توليد برق در صنايع پتروشيمي و پالايش نفت.
• آب به عنوان عامل سرد كننده در برج‎هاي خنك كننده(Cooling Towers ) و مبد‎ل‎هاي حرارتي(Heat exchangers)
• آب در خدمت مصارف عمومي كارخانجات و صنايع.

آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب

به طور كلي آبي كه در صنعت مصرف مي‎شود داراي يك خواص عمومي مشترك است با اين حال با توجه  به نوع صنعت، هر صنعتي آب با خواص ويژه را به كار مي‎برد. به طور كلي حداقل شرايط لازم براي كاربرد آب در مصارف صنعتي شامل شرايط زير است:

• آب بايد عاري از مواد معلق(Suspended materials ) ، نمك‎ها(Salts)       و رسوبات(Deposits ) زياد بوده و براي به‎كارگيري در برخي صنايع داراي مشخصات و شرايط آب مشروب باشد.
• آب بايد بدون مواد روغني، مواد فنلي، مواد مربوط به پودرهاي پاك‎كننده، كف و همچنين عناصر شيميايي زيان‎آور بوده و عاري از مواد تخليه شده مربوط به فاضلاب‎هاي شهري، صنعتي و كشاورزي باشد.
• در آب نبايد موادي وجود داشته باشد كه توليد رنگ و بوي نامطبوع كند و همچنين از نظر فيزيكي پاره‎اي از مشخصات مربوط به آب آشاميدني(Drink Water ) و ويژگي‎هاي فيزيكي آب مشروب را دارا باشد.

به عنوان مثال مقادير نوعي زير ميزان مصرف آب يا توليد پساب در برخي صنايع را نشان مي‌دهد.

• در صنعت نساجي حدود 100 ليتر آب براي رنگرزي يك كيلوگرم از الياف به‌كار رود.
• كارگاه‎هاي توليد قطعات ريزالكترونيكي (با روزانه توليد حدود 5000 قطعه)، ‌تقريباً 5 ميليون ليتر پساب شامل حلال آلي و آب ايجاد مي‎كنند.
• براي توليد هر تن آلومينيم حدود 1350 متر مكعب آب به كار مي‎رود.
• براي توليد هر تن فولاد حدود 250 متر مكعب آب مورد نياز است.
• براي توليد هر خودرو حدود 40 تن يا به عبارتي حدود 40 متر مكعب آب مورد نياز است.
• براي توليد هر تن كاغذ حدود 2400 متر مكعب آب  به كار مي‎رود.
• براي توليد هر تن مواد شيميايي حدود 200 متر مكعب آب  به كار مي‎رود.
• براي توليد هر تن شكر حدود 100 متر مكعب آب  به كار مي‎رود.
• براي توليد هر تن چرم حدود 6 متر مكعب آب  به كار مي‎رود.

10- براي تصفيه هر بشكه نفت حدود 12-4  متر مكعب آب به كار مي‎رود.

11- هر نيروگاه برق(Power Station) براي توليد 1Kw.h حدود 200 ليتر آب مصرف  مي­كند.

  پژوهش‎هاي آماري بسياري درباره مصرف آب در كشورهاي پيشرفته انجام گرفته و در نهايت ميزان مصرف آشكار آب براي هر نفر در روز حدود 300 ليتر و مصرف نهايي آب براي هر فرد مطابق جدول زير چيزي حدود 6 هزار ليتر برآورد شده است. آزمایشگاه شیمی آب و فاضلاب

در جدول (1) مهمترين ناخالصي‎هاي آب‎هاي صنعتي و شيوه حذف آنها به طور فهرست‎وار آورده شده است.

جدول(1)، مهمترين ناخالصي‎هاي آب و شيوه حذف آنها

ادامه جدول (1)، مهمترين ناخالصي‎هاي آب و شيوه حذف آنها