سرب

سرب عنصري سنگين، سمي و چكش‌خوار است به رنگ خاكستري كدر كه در جدول تناوبي عناصر با نشان اتمي 82 نمايان مي‌شود. هنگامي كه تازه تراشيده شده سفيد مايل به آبي است اما در معرض هوا به رنگ خاكستري تيره تبديل مي‌شود. سرب سنگين‌ترين عنصر پايدار است.

برخي خواص سرب : 

خاصيت هدايت الكتريكي سرب پايين است و اين فلز به‌شدت در برابر پوسيدگي مقاومت مي‌كند و به همين علت از آن براي نگهداري مايعات فرسايشگر (مثل اسيد سولفوريك) استفاده مي‌شود. همچنين با افزودن مقادير خيلي كم آنتيموان يا فلزات ديگر به سرب مي‌توان آن را سخت كرد. اين فلز (در حالت عنصري) پس از آهن، آلومينيوم، مس و روي بيشترين كاربرد را دارد، سرب پس از آهن دومين فلزي است كه به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته و احتمالا قديمي‌ترين سم شيميايي شناخته شده است.

كاربردهاي اوليه سرب : 

استفاده در سازه‌هاي ساختماني، رنگدانه‌هاي مورد استفاده در لعاب سراميك، لوله‌هاي انتقال آب، در واسيل تزييني كاخ‌ها، سقف‌ها و پنجره‌هاي ساختمان‌هاي قديمي، ساچمه و گلوله.

موارد استفاده معمولي سرب :

در باتري‌هاي اسيد سرب، در اجزاي الكترونيكي، روكش كابل، مهمات، در شيشه‌هاي CTR، سراميك، شيشه‌هاي سرب‌دار، تجهيزات و چاشني‌هاي انفجاري در آتشباري معادن، آلياژها، پيوتر، اتصالات و مواد پركننده دندان، در بام‌ها به‌عنوان درزگير براي محافظت اتصالات در برابر باران، در گازوئيل (بنزين) به‌عنوان تترا اتيل و تترا متيل سرب براي كاهش صداي موتور (فروش بنزين سرب‌دار در آمريكا از سال 1986 و در اتحاديه اروپا از سال 1999 ممنوع شد). سرب، به علت فراواني (هنوز هم اين‌گونه است)، تهيه آسان، كار كردن آسان با آن، انعطاف‌پذيري و چكش‌خواري بالا و پالايش راحت، حداقل از 7 هزار سال پيش مورد استفاده بشر است.

در اواسط دهه 80 تغيير مهمي در الگوهاي پايان استفاده از سرب به‌وجود آمده بود. بيشتر اين تغيير ناشي از پيروي مصرف‌كنندگان سرب آمريكا از قوانين زيست‌محيطي بود كه به طرز قابل ملاحظه‌اي از سرب را در بسياري از محصولات از جمله گازوئيل، رنگ، اتصالات و سيستم‌هاي آبي كاهش داده يا حتي حذف كرد و تنها باتري خودرو از اين قافله مستثنا ماند. استفاده از سرب در لوله‌هاي سربي (اگرچه استفاده از اتصالات سربي در لوله‌هاي آب آشاميدني در دهه 90 در آمريكا قانوني شد، امروزه كاربرد آنچناني ندارند)، استفاده از سرب در رنگ‌ها از سال 1978 در آمريكا و به‌تدريج از دهه 60 تا دهه 80 در انگلستان ممنوع شد اگرچه 50 درصد وزني رنگ سطوح قديمي مي‌توانست از سرب باشد.

سرب محلي در طبيعت يافت مي‌شود اما كمياب است. امروزه معمولا سرب در كاني‌هايي همراه با روي، نقره و مس يافت مي‌شود و به همراه اين مواد جدا مي‌شود.

ماده معدني اصلي سرب، گالن (PbS) است كه حاوي 6/87 درصد سرب است. ساير كاني‌هاي مختلف و معمول آن سروسيت (PbCO3) و انگلسيت (PbSO4) هستند، اما بيش از نيمي از سربي كه امروزه مورد استفاده قرار مي‌گيرد، بازيافتي است.

در اطراف معادن سرب، آلودگي‌ شديد ديده مي‌شود كه در طول فرآيندهاي اكتشاف، استخراج، حمل‌ونقل و فرآوري به‌وجود مي‌آيد.

در مرحله اكتشاف پس از مطالعات زمين‌شناسي، ژئوفيزيكي و ژئوشيميايي براي نمونه‌برداري و ارزيابي ذخيره، چال‌هاي اكتشافي حفر مي‌شود. پس از اينكه كانسار اقتصادي شناخته شد، سنگ معدن به‌وسيله مته يا انفجار جدا شده سپس آن را خرد كرده و روي زمين قرار مي‌دهند. قطعات سنگ بار دامپ تراك شده و به كارخانه فرآوري انتقال داده مي‌شوند. بعد از آن سنگ معدن تحت تاثير فرآيندي قرار مي‌گيرد كه در قرن نوزدهم در Broken Hill استراليا به‌وجود آمد. يك فرآيند شناورسازي، سرب و ديگر مواد معدني را از پس‌مانده‌هاي سنگ جدا مي‌كند تا با عبور سنگ معدن، آب و مواد شيميايي خاص از تعدادي مخزن كه درون آنها دوغاب هميشه مخلوط مي‌شود، عصاره‌اي به‌وجود آيد. درون اين مخزن‌ها هوا جريان يافته و سولفيد سرب به حباب‌ها مي‌چسبد و به‌صورت كف بالا آمده كه مي‌توان آن را جدا كرد. اين كف (كه تقريبا داراي 50 درصد سرب است) خشك شده سپس قبل از پالايش به منظور متولي سرب 97 درصد سنتر مي‌شوند. بعد از آن سرب را طي مراحل مختلف سرد كرده تا ناخالصي‌هاي (ريم) سبك‌تر بالا آمده و آنها را جدا مي‌كنند. سرب مذاب با گداختن بيشتر به‌وسيله عبور هوا از روي آن و تشكيل لايه‌اي از تفاله فلز كه حاوي تمام ناخالصي‌هاي باقي مانده است تصفيه شده و سرب خالص 9/99 درصد به‌دست مي‌آيد.

سرب در محيط‌ زيست :

سرب از نظر انتشار گسترده‌ترين عنصر سنگين و سمي در محيط‌زيست است كه به‌ويژه از زمان مصرف آن در بنزين از پراكنش بسيار وسيعي در سطح جهان برخوردار است به‌طوري كه از يخ‌هاي قطبي تا رسوبات اعماق درياها اثرات آن را مي‌توان يافت.

تركيبات غيرحلال سرب در سطح زمين جذب رسوبات مي‌شوند، گياهان آبزي نيز سرب را انباشته مي‌كنند، اكسيداسيون بيوشيميايي مواد آلي در غلظت‌هاي بالاي 1/0 ميلي‌گرم در ليتر متوقف مي‌شود. آب‌هاي زيرزميني نيز تحت اثرات تركيبات محلول سرب (نيترات و كلريد سرب) قرار مي‌گيرند.

آب‌هاي آشاميدني كه از لوله‌هاي سربي عبور مي‌كنند، ممكن است حاوي غلظت‌هاي بالايي از سرب باشند. در جداره‌هاي داخلي لوله‌هاي سربي با آب‌هاي كربناته، رسوب كربنات شكل مي‌گيرد.

مقادير عظيمي از سرب توسط فرآيند سوخت وارد جو مي‌شود. تفاوت عمده‌اي از نظر غلظت بين نواحي شهري و روستايي وجود دارد. تركيبات سرب ممكن است تا مسافت قابل‌توجهي منتقل شوند كه بستگي به سرعت و جهت باد و ميزان بارش و رطوبت دارد.

قسمت اعظم سرب موجود در اتمسفر مستقيما رسوب مي‌كند يا توسط نزولات خارج مي‌شود. سرب به ذرات گرد و غبار چسبيده و بر روي پوشش‌هاي گياهي و خاك‌ها مي‌نشيند. جذب سرب از طريق تغذيه بيشتر از آشاميدن است. سرب در مناطق آلوده شهري يك مشكل عمده است و تقريبا 30 تا 50 درصد از سرب تنفسي در ريه باقي مي‌ماند. مشاغلي كه افراد در آنها با سرب سروكار دارند عبارتند از معدنكاري، كابل‌سازي، باتري‌سازي، مونتاژ خودرو، شيشه‌سازي، سفالگري و تعميركاري خودرو.

تاثير بازيافت باتريهای فرسوده :

باتري‌ها حاوي فلزات سنگيني مانند جيوه، سرب، روي، كادميوم و نيكل هستند. زماني كه باتري‌ها به‌صورت نامناسب دفع يا سوزانده شوند ممكن است در هوا آزاد شده يا در خاكستر تغليظ شوند. تقريبا هر ساله 99 ميليون باتري تر (اسيد ـ سرب) براي اتومبيل‌ها ساخته مي‌شود كه بازيافت آنها مي‌تواند تاثيرات مطلوبي بر جلوگيري از انتشار سرب در محيط داشته باشد.

جیوه

جیوه که آن را سیماب ( quicksilver ) هم می‌نامند عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای نشان Hg و عدد اتمی ۸۰ می‌باشد. جیوه که فلزی سبک ، نقره‌ای ، سمی و جزء عناصر واسطه است، یکی از دو عنصری می‌باشد که در دماهای معمولی اتاق حالت مایع دارند ( فلز دیگر برم است ) و در دماسنجها ، فشارسنجها و سایر وسایل علمی کاربرد دارد. جیوه عمدتا" بوسیله کاهش از ماده معدنی cinnabar ( سولفور جیوه ) بدست می‌آید.

نام جیوه از واژه ی رومی mercury به معنی سیاره ی عطارد گرفته شده است. علامت اختصاری آن نیز از واژه ی لاتینی Hydrargyrum به معنی نقره ی مایع گرفته شده است.

● چرا جیوه مایع است؟

شکل ظاهری هر عنصر، توسط فاکترهای زیادی از جمله، ساختمان الکترونی و مهمتر از همه، الکترونهای لایه ظرفیت اتم‌های آن، جاذبه‌ی بین اتمی و بین مولکولی در آن، ذرات تشکیل دهنده عنصر (اتم، یون یا مولکول)، دوره و تناوبی از جدول که عنصر به آن تعلق دارد و … تعیین می‌شود. جیوه که در دوره‌ی تناوبی ششم و گروه IIBجدول تناوبی واقع است، دارای آرایش الکترونی ۲,۸,۱۸,۳۲,۱۸,۲ می‌باشد و اوربیتالهای d لایه‌ ظرفیت آن تکمیل شده است. و چون آخرین الکترونی که به آن داده شده است وارد اوربیتالهای dشده است، جزء فلزات طبقه‌بندی می‌شود، اما به دلیل پر بودن اوربیتال های d ، اتمها به یک حالت پایداری رسیده اند که تمایل زیادی به تشکیل پیوند فلزی و ریختن الکترونهای خود در دریای فلزی ندارند، از اینرو جاذبه‌ی بین اتم‌ها در جیوه به نسبت فلزات دیگر، کمتر است و پیوند فلزی به آن شکلی که در فلزات دیگر وجود دارد، در جیوه مشاهده نمی‌شود، مجموع این عوامل سبب شده است که جیوه حالت مایع به خود بگیرد.

● تاریخچــــــــه

جیوه را چینیان و هندیهای باستان شناخته بودند و در گورهای متعلق به ۱۵۰۰سال قبل از میلاد یافت شده‌اند. تا سال ۵۰۰ قبل از میلاد ، از جیوه به همراه مواد دیگر برای ساخت آمالگامها استفاده می‌شد. یونانیان باستان از این فلز سمی در پمادها و رومیان از آن در لوازم آرایشی استفاده می‌کردند. کیمیاگران تصور می‌کردند تمامی مواد از این ماده ساخته شده‌اند. همچنین می‌پنداشتند در صورتی که جیوه سخت شود، به طلا تبدیل خواهد شد.

در قرن ۱۸ و قرن ۱۹ از نیترات جیوه برای کندن موی حیوانات جهت ساختن کلاههای نمدی استفاده می‌کردند. این مسئله موجب بروز آسیبهای مغزی در بین کلاهدوزان شد که گفته می‌شود عبارت: " دیوانه مثل یک کلاهدوز " و شهرت Mad hatter آلیس در سرزمین عجایب از آنجا آمده است.

کیمیاگران نام خدای رومیان Mercury را برای این عنصر در نظر گرفتند. نماد جیوه Hg ، از واژه hydrargyrum که لاتینی شده کلمه یونانی hydrargyros می‌باشد، برگرفته شده که ریشه‌های یونانی این واژه مرکب به معنی آب و نقره بود. جیوه یکی از معدود عناصری است که دارای یک نماد کیمیاگری است.

● پیدایــــــــش

جیوه که عنصری کمیاب در پوسته زمین است، یا در کانی‌های محلی ( کمیاب ) و یا درcinnabar , corderoite , livingstonite و دیگر مواد معدنی یافت می‌شود که cannibar ) HgS ) فراوان‌ترین سنگ معدن جیوه می‌باشد. تقریبـا" ۵۰% جیوه مورد نیاز جهان از اسپانیا و ایتالیا و بیشتر ۵۰% بقیه از یوگوسلاوی ، روسیه و شمال آمریکا تامین می‌شود. این فلز را با روش گرم کردن cannibar در جریان هوا و تغلیظ بخار آن استخراج می‌کنند.

● خصوصیات قابل توجه

جیوه ، فلزی سنگین ، نقره‌ای رنگ ، یک ظرفیتی یا دو ظرفیتی است که هادی ضعیفی برای گرما اما هادی مناسبی برای الکتریسیته می‌باشد و تنها فلزی است که در دمای اتاق به حالت مایع است ( مایعی مات و درخشان ). جیوه براحتی و تقریبا" با تمامی فلزات معمولی از جمله طلا و نقره آلیاژ می‌سازد، ( بجز آهن ) که به هر کدام از این آلیاژها ملغمه ( amalgam ) می‌گویند.

نقطه انجماد جیوه ۴۰- درجه سلسیوس معادل ۴۰- درجه فارنهایت می‌باشد. این تنها دمایی است که در هر دو مقیاس برابراست. همچنین این عنصر دارای انبساط حرارتی حجمی ثابتی می‌باشد، واکنش پذیری آن نسبت به روی و کادمیم کمتراست و جایگزین هیدروژن اسیدها نمی‌شود. حالتهای عادی اکسیداسیون این عنصر عبارتند از: mercurous یا ۱+ و mercuric یا ۲+. نمونه‌های بسیار نادری هم از ترکیبات جیوه ۳+ وجود دارد.

● کاربردهــــــا

بیشترین کاربرد جیوه در ساخت مواد شیمیایی صنعتی و کاربردهای برقی و الکترونیکی است. علاوه بر این‌ها از جیوه در دماسنجها بخصوص برای حرارتهای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

چون به‌آسانی با طلا تولید آمالگام می‌کند، برای تهیه طلا از سنگ معدن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از جیوه علاوه بر دماسنجها در فشارسنجها ، پمپهای انتشار و بسیاری وسایل آزمایشگاهی دیگراستفاده می‌گردد.

نقطه سه گانه جیوه – ۸۳۴۴/۳۸- درجه سانتیگراد – نقطه ثابتی است که بعنوان معیار در مقیاسهای بین‌المللی حرارتی ( ITS-۹۰ ) بکار رفته است.

از جیوه گازی در لامپهای بخار جیوه و تابلوهای تبلیغاتی استفاده می‌شود.

کاربردهای متنوع جیوه :

▪ سویچهای جیوه ای ،

▪ حشره کشها ،

▪ آمالگامها/ داروهای دندان ،

▪ باتریهای جیوه‌ای برای تولید هیدروکسید سدیم و کلر ،

▪ الکترود در برخی انواع الکترولیز ،

▪ باتریها ( پیلهای جیوه‌ای ) و کاتالیزورها.

● ترکیبات

مهمترین نمکهای آن عبارتند از:

▪ کلرید جیوه – که بسیار خورنده ، پالایش شده و به‌شدت سمی است.

▪ کل

ناخالصي هاي موجود در آب :

آب خالص در طبيعت به دليل ويژگيهاي حلاليت بالاي آن ، وجود ندارد و داراي ناخالصي هاي گوناگون مي باشد ناخالصي هاي آب را به سه دسته كلي مواد جامد محلول ، مواد جامد معلق و كلوئيدي و گازها دسته بندي مي نمايند.
مواد غير محلول و معلق :
ذرات ريز و درشت مواد غير محلول و معلق در آب داراي اهميت بسيار متنوع مي باشند اين مواد معلق سبب كدورت آب مي شوند. برخي از اين ذرات كه درشت تر هستند داراي قابليت ته نشيني مي باشند و با حذف آنها آب شفاف تر مي گردد و برخي ديگر از اين ذرات معلق قابليت ته نشيني بسيار كمي دارند و براي ته نشيني نياز به زمان طولاني دارند و يا اينكه به طور كلي غير قابل ته نشيني هستند برخي از اين مواد معلق عبارتند از :
1) ذرات ريز خاك و سنگ و مواد تشكيل دهنده بستر رودخانه ها كه در اثر فرسايش زمين ايجاد شده اند.
2) موجودات ريز زنده ( ميكروارگانيزم ها) مانند باكتري ها
3) سيليس كلوئيدي ، كلوئيدها ، سوسپانسون ها و امولسيون ها
در اينجا به دليل اهميت موضوع ، اشاره اي به محلول هاي حقيقي ، سوسپانسيون ، امولسيون و كلوئيدي مي گردد.
هرگاه ذرات بسيار ريز يك جسم در بين ذرات جسم يا اجسام ديگر پراكنده گردد ، مجموعه حاصل سيستم پراكنده ناميده مي شود در بين اين سيستم بيشتر سيستم يا دستگاهي مورد بررسي مي باشد كه در آن حلال ، مايع مي باشد زيرا اين سيستم در تصفيه آب اهميت بيشتري دارند كه معمولا به آنها محلول گفته مي شود . خواص چنين محلول هايي در درجه اول به بزرگي ذرات حل شده يا پراكنده شده بستگي دارد كه بزرگي ذرات ميزان پايداري آنها را تعيين مي كند. اگر اندازه اين ذرات بزرگتر از اندازه مولكول ها باشد ، سيستم ناپايدار بوده و ذرات پراكنده مي شوند و به سهولت جدا و بنابر چگالي خود دربالا يا پايين دستگاه جمع مي شوند اينگونه سيستم ها يا دستگاهها را سيستم هاي معلق مي گويند كه ممكن است از نوع سوسپانسيون يا امولسيون باشند ولي اگر كاملا پايدار يا مدت طولاني پايدار باشند به محلول هاي واقعي معروف مي باشند . ذرات جامد معلق در مايع را سوسپانسيون و مايع معلق در مايع را امولسيون مي گويند اين ذرات داراي ويژگيهاي زير مي باشند :
1) كم كم در سطح حلال و يا ته ظرف يعني زير حلال جمع مي شوند.
2) از پرده اسمزي عبور نمي كنند و اكثرا از كاغذ صافي هم عبور نمي كنند.
3) اين ذرات با چشم ديده نمي شوند ولي با ميكروسكوپ هاي معمولي قابل مشاهده مي باشند.
محلول هاي حقيقي مانند محلول نمك در آب داراي ويژگيهاي زير مي باشند :
1) نه در سطح حلال و نه در زير حلال جمع مي شوند.
2) از هر نوع كاغذ صافي عبور مي كنند.
3) از پرده هاي اسمزي عبور مي كنند.
4) با الكتروميكروسكوپ ها هم قابل مشاهده نمي باشند.
مواد كلوئيدي ، حد واسطي بين سوسپانسيون ها ، امولسيون ها و محلول هاي واقعي مي باشند كه داراي ويژگيهاي زير مي باشند :
1) از كاغذ صافي عبور مي كنند ولي از صافي هاي خيلي ريز ( اولترافيلتر) عبور نمي كنند.
2) از پرده هاي اسمزي عبور مي كنند.
3) ته نشين نمي شوند ولي به هم مي پيوندند و توده نيمه جامدي به نام لخته تشكيل مي دهند.
مواد جامد محلول : دسته اي از ناخالصي هاي تشكيل دهنده آب موادي هستند كه به صورت محلول مي باشند . به طور كلي همه مواد در آب حل مي شوند ولي ميزان حلاليت آنها متناسب است.
انحلال در آب به سه صورت مولكولي ، قطبي ، يوني مي باشد . مواد جامد در محلول به دو گروه كلي مواد يوني و مواد غير يوني تقسيم ميشوند.

گازها :

اين مواد با مقادير مختلف در آب ها حل مي شوند .مقدار گاز حل شده به فشار گاز و نوع گاز از يك سو و از سوي ديگر به دماي آب ،مواد موجود در آب و PH آن بستگي دارد. برخي از گازهايي كه وجودشان در آب تصفيه مطرح است عبارتند از :

خواص آب با توجه به نوع و ميزان ناخالي هاي آن :
با در نظر گرفتن مواد جامد در آب مي توان خواص آب را به دودسته فيزيكي و شيميايي تقسيم كرد :
خواص فيزيكي آب : مواد موجود در آب موجب ايجاد تغييراتي در رنگ ، بو ، مزه و كدورت آب مي شوند اين خواص كه تحت تاثير شرايط محيطي واقع مي شوند و خصوصيات ظاهري آب را نشان مي دهند به همراه دما خواص فيزيكي آب هستند.
رنگ (Coloure) : آب خالص بدون رنگ است ولي آب ناخالص با توجه به ميزان و نوع مواد محلول و يا معلق در آن ممكن است داراي رنگ باشد به عنوان مثال آب زرد رنگ مي تواند نشان دهنده وجود اسيدهاي آلي باشد و رنگ قهوه اي آب نشانگر يون هاي آهن مي باشد. رنگ را مي توان در اثر جذب سطحي يا فرايند منعقدسازي و يا اكسيداسيون از بين برد.
كدورت (Turbidity) : كدري يا كمبود شفافيت به دليل وجود مواد معلق و يا كلوئيدي در آب است. كدورت آب موجب پراكنده شدن و يا جذب نور تابيده به آن مي شود. براي اندازه گيري ميزان كدورت آب از محلول شاهد استفاده مي شود كه به صورت واحد استاندارد اندازه گيري كدري مطرح است و هر واحد آن برابر كدري آبي است كه شامل يك قسمت در ميليون سيليس است. كدورت آب آشاميدني بايد از 5 واحد كمتر باشد.
بو و مزه (Odor and Taste) : آب خالص بدون بو و مزه است وجود مواد مختلف در آب مي تواند به آب بو و مزه هاي ويژه بدهد كه برخي از آنها نامطبوع هستند. به عنوان مثال آب درياچه هاي راكد بوي لجن مي گيرد و يا در اثر وجود يون هاي سديم كلريد ، شور مزه مي شود و در اثر وجود نمك هاي منيزيم و پتاسيم تلخ مزه مي شود. همچنين آبي با PH بالا داراي مزه ناخوشايند صابوني مي باشد و در اثر وجود پرتون كه به دليل وجود اسيد است ترش مزه مي شود. آبي كه محتوي مقداري گاز اكسيژن است داراي مزه مطلوب تري مي باشد. وجود برخي از گازها مانند هيدروژن سولفايد (H2S) موجب تغيير بوي آب مي شود.
خواص شيميايي آب : خواص شيميايي معمولا به ويژگيهايي از آب گفته مي شود كه در اثر ميزان و نوع ماده حل شده در آن تغيير مي كند از جمله اين خواص مي توان به اسيديته ، قليائيت ، هدايت الكتريكي ، سختي آب اشاره كرد.
هدايت الكتريكي (electrical conductivity) : قابليت انتقال جريان برق نشانگر ميزان هدايت الكتريكي است هدايت يك محلول را به صورت عكس مقاومت تعريف مي كنند و واحد آن (mho) است . بنابراين واحد هدايت الكتريكي ,mho,1/mho (مو) و واحد هدايت ويژه mho/cm يا S/cm (زيمنس بر سانتي متر) مي باشد.
به دليل اينكه مقادير هدايت ويژه كوچك است معمولا آن را در 6 10 ضرب كرده و بر حسب Ms/cm (ميكروزيمنس بر سانتي متر) گزارش مي كنند.
مقدار هدايت الكتريكي ويژه آب نشان دهنده ميزان وجود املاح در آب است دليل كاهش مقدار مقاومت الكتريكي در اين است كه با افزايش املاح حركت يون ها روي يكديگر اثر منفي مي گذارند و هدايت الكتريكي محلول همانند محلول هاي رقيق با تعداد يون ها متناسب نمي باشد.
كل مواد جامد محلول در آب (Total disolved solids) : مقدار كل مواد غير فرار حل شده در آب را كه شامل يون هاي مختلف مي باشد به نام كل مواد جامد محلول در آب مي خوانند و با علامت T.D.S نشان مي دهند.
مواد جامد معلق (Suspended solids-s.s) : وقتي آب از فيلتر عبور مي كند مواد جامد معلق روي فيلتر باقي مي ماند و مواد جامد محلول و مواد كلوئيدي موجود در آب از فيلتر عبور مي كند. با خشك كردن مواد جامد باقي مانده روي فيلتر و وزن كردن آن مقدار مواد جامد معلق (s.s) بدست مي آيد.
از مجموع مواد جامد محلول در آب و مواد جامد معلق ، كل مواد جامد بدست مي آيد.
كل مواد جامد معلق (s.s) + كل مواد جامد محلول (T.D.S) = كل مواد جامد (T.S)
به دليل آنكه يون ها عامل انتقال جريان برق در محلول ها هستند و ميزان هدايت الكتريكي را مشخص مي كنند رابطه نزديكي بين هدايت الكتريكي (E.C) و كل مواد جامد محلول در آب (T.D.S) وجود دارد كه به صورت زير مي باشد :
E.C × ضريب = T.D.S
كه با توجه به محدوده هدايت الكتريكي ، ضريب موجود در فرمول فوق (2/1-5/0) تغيير مي كند.
سختي آب (hardness) : آب سخت واژه اي است كه به آب حاوي كاتيون هاي كلسيم و منيزيم ، آهن و منگنز و ... گفته مي شود با توجه به اينكه ميزان آهن و منگنز در آب بسيار كم است بنابراين كاتيون هاي كلسيم و منيزيم عامل اصلي ايجاد سختي آب به حساب مي آيند. سختي آب بر حسب واحدهايي مثل ميلي گرم ، يون در ليتر يا بر حسب معادل كلسيم كربنات حل شده در آب بيان مي شود.
انوع سختي :
1) سختي كل (Total hardness-T.H)
كل املاح كلسيم و منيزيم موجود درآب سختي كل ناميده مي شود و شامل دو قسمت است : الف) سختي كل كلسيم : نشان دهنده مقدار يون كلسيم در آب است. ب) سختي كل منيزيم : كل منيزيم محلول در آب را شامل مي شود.
2) سختي دائم (Permanent hardness)
شامل كليه املاح كلسيم و منيزيم به جز بي كربنات ها مي باشد به عنوان مثال ، سولفات ها ، كلريد ها و نيتراتهاي كلسيم و منيزيم محلول در آب را در بر مي گيرد و سختي دايم در اثر جوشاندن حذف نمي شود.
3) سختي موقت (Temporary hardness)
كلسيم و منيزيم بي كربنات محلول در آب را مي گويند كه در اثر جوشاندن آب طبق واكنش زير تجزيه مي شوند و رسوب مي كنند .
سختي موقت + سختي دائم = سختي كل
- اسيديته (Acidity) :
آب خالص به مقدار خوبي يونيزه مي شود و مقادير مساوي از يون هاي OH-,H+ توليد مي كند . غلظت يون هاي توليد شده تابعي از دماست .
- قليائيت (Alkalinity) :
از نظر شيميايي ، قليائيت آب نشانگر مقدار ظرفيت خنثي شدن آن به وسيله اسيد مي باشد . خنثي شدن آب به معني رسيدن به PH آب به حدود 5/4 است.
قليائيت آب هاي طبيعي به سبب وجود هيدروكسيدها ، كربنات ها و بي كربنات ها مي باشد البته يون هاي ديگري مانند فسفات ها ، سيليكات ها و بورات ها نيز مي توانند موجب قليائيت شوند ولي به دليل غلظت بسيار كم آنها در مقايسه با يون هاي سري اول مي توان از قليائيت ناشي از آنها صرفه نظر كرد.
- اهميت قليائيت و رابطه آن با PH :
قليائيت عامل موثر بر خوردگي و رسوب گذاري آب است . براي نمونه مي توان گفت ، قليائيت آب مورد استفاده در ديگ هاي بخار بايد به اندازه كافي بالا باشد تا از خورده شدن ديواره ديگ ها جلوگيري شود همچنين قليائيت نبايد به حدي باشد كه سبب انتقال مواد جامد به وسيله بخار شود و يا سبب شكنندگي قليايي (Constic embri Hlement) شود و در ديواره ديگ ها ايجاد ترك نمايد . قليائيت با PH رابطه نزديكي دارد به گونه اي كه هر چه قليائيت بيشتر باشد نشانگر بالاتر بودن غلظت هيدروكسيدها و كربنات ها است بنابراين PH بالاتر مي رود و محلول قليايي تر مي شود.
حلاليت آب (Solubility) :
يكي از خواص بي نظير آب قدرت حلاليت آن است ، آب مي تواند تمام موادي را كه با آن در تماس هستند در مقادير متفاوت بسته به ثابت حلاليت و دما در خود حل كند به همين دليل به آب حلال جهاني مي گويند . به اين دليل كه ساختمان خود آب قطبي است و مواد قطبي و نيز آن دسته از موادي كه در آب يونيزه مي شوند را بهتر حل مي كند همچنين دما ، فشار و PH و غلظت از جمله عواملي هستند كه بر ميزان حلاليت در آب تاثير مي گذارند . وجود بعضي مواد در آب موجب تقويت انحلال مواد ديگر مي شود و برعكس بعضي از مواد قابليت حل شوندگي مواد ديگر را كاهش مي دهند براي مثال وجود CO2 در آب موجب افزايش انحلال سنگ هايي مثل كلسيم و منيزيم مي شود.
سنجش مقدار مواد آلي (Measurement of organic component)
براي اندازه گيري مقدار مواد آلي موجود در آب روش هاي مختلفي وجود دارد از جمله اين روش ها اندازه گيري بخش مواد فرار ، اندازه گيري كل مواد جامد ، COD,BOD مي باشد . چون اندازه گيري بخش مواد فرار و سنجش كل مواد جامد داراي خطاي نسبتا زيادي است. بيشتر از اندازه گيري اكسيژن مورد نياز بيوشيميايي (BOD) و اكسيژن مورد نياز شيميايي (COD) و اندازه گيري كل كربن آلي (TOC) براي بدست آوردن مقدار مواد آلي موجود در آب استفاده مي شود.
- اكسيژن مورد نياز بيوشيميايي (Biochemical oxygen demand)
آن دسته از موادي كه توسط باكتريها تخمير مي شوند توسط اين شاخص سنجيده مي شود. در اين اندازه گيري به جاي اينكه مقدار موادي را كه مورد اكسايش قرار ميگيرند تعيين كنند مقدار اكسيژني را كه ميكروارگانيسم هاي تجزيه كننده هوازي لازم دارند تا آن مقدار از ماده را اكسايش دهند اندازه گيري مي كنند. در اين روش استاندارد 5 روزه اي بكار مي رود كه با 5(BOD) نمايش داده مي شود و عبارت است از اندازه گيري اكسيژني كه طي 5 روز در دماي 20 درجه سانتي گراد توسط باكتري هاي موجود در آب مصرف مي شود تا بتواند مواد آلي موجود در آب را اكسايش دهند.
بنابراين براي اندازه گيري BOD بايد اختلاف اكسيژن حل شده در زمان نمونه گيري و پس از 5 روز را در نمونه بدست آورد.
BOD5=DO0-DO5
- اكسيژن مورد نياز شيميايي (Chemical oxygen Demand)
با كمك اين شاخص مي توان مقدار مواد آلي را كه در آب موجودند و مي شود آنها را به كمك اكسيد كننده قوي نظير اسيد كروميك يا پرمنگنات در محيط اسيدي اكسيد كرد ، بدست آورد ، COD عبارت است از كل اكسيژن مورد نياز شيميايي كه در واكنش هاي اكسيداسيون و تجزيه مواد آلي در محيط اسيدي و در مجاورت يك ماده قوي اكسيد كننده مصرف مي شود.
از محاسن اين روش نسبت به BOD اين است كه آسان تر انجام مي شود و وقت گير نيست و كل عمليات اندازه گيري در مدت چند ساعت انجام مي شود و همچنين مي توان هم مواد آلي قابل تجزيه و هم مواد آلي غير قابل تجزيه توسط باكتري ها را اندازه گيري كرد.
واكنش اصلي كه بادي كرومات به عنوان يك اكسيد كننده قوي انجام مي شود به صورت زير است :

- مجموع اكسيژن مورد نياز (Total oygen Demand)
روش مفيد ديگري كه براي تعيين مواد آلي به كار مي رود روش TOC است در اين روش مقداري از نمونه را در يك كوره در مجاورت كاتاليزور پلاتين به محصولات پايدار نهايي تبديل مي كند سپس اكسيژن موجود در گاز حامل نيتروژن محاسبه مي شود و نتايج با روش COD وفق داده مي شود.


فرايند نرم سازي به شيوه ته نشيني
(Softening process by sedimentation Method)
فرايند نرم سازي به منظور كاهش سختي آب بكار مي رود. با استفاده از مواد شيميايي ، سختي آب تحت واكنش هاي شيمايي قرار مي گيرد و رسوب مي نمايد كه در نتيجه سختي آب كاهش مي يابد. سختي آب به دليل وجود كربنات ها ، بي كربنات ها ، سولفات ها ،كلريدها و نيترات هاي فلزات كلسيم و منيزيم و آهن و آلومينيوم است. از آنجا كه سه فلز آهن ، آلومينيوم به مقدار كم در آب وجود دارد ، قسمت عمده سختي آب مربوط به يون هاي كلسيم و منيزيم است . ميزان سختي آب هاي خام تا حد زيادي به شرايط زميني كه آب در آن جاري است بستگي دارد و به همين دليل مقدار يون ها در آب هاي سطحي و زير زميني متفاوت است . سختي آب به صورت دائم و يا سختي غير كربناتي موقت يا سختي كربناتي بيان مي شود.
حذف سختي موقت (Temporary hardness removal) :
استفاده از آب آهك روش عمومي براي كاهش سختي موقت آب است. آب آهك (كلسيم هيدروكسيد) با كلسيم بي كربنات و منيزيم بي كربنات واكنش مي دهد و رسوب كلسيم كربنات و منيزيم هيدروكسيد توليد مي كند .
با توجه به واكنش هاي بالا آب آهك لازم براي كاهش سختي منيزيمي دو برابر مقدار آب آهك لازم براي كاهش سختي كلسيم است.
حذف سختي دائم (Permanent hardness Removal) :
براي كاهش سختي غير كربناتي آب از آهك / سود استفاده مي شود. در سختي موقت با اضافه كردن يك ماده قليايي مثل آهك يا سود ، بي كربنات موجود در محيط به كربنات تبديل مي شود و كربنات توليد شده باعث رسوب كردن كلسيم و كاهش سختي كلسيمي مي شود.
روش ديگر در نرم سازي آب ،استفاده از سود سوزآور است كه درمواد خالص به كار مي رود . برتري استفاده از سود سوزآور اين است كه با كلسيم بي كربنات توليد سديم كربنات مي كند كه خود اين ماده در حذف سختي دائم موثر است.
تبادل يوني (Ion-exchange) :
رزين هاي تعويض يوني جامدات نامحلول در آب مي باشند كه به وسيله تبادل يون مي توانند جهت جذب كاتيون ها و آنيون ها به كار گرفته شوند. پديده تعويض يون تركيبي از پديده جذب سطحي و فرايند نفوذ مي باشد و سرعت واكنش را عمليات انتقال جرم كه يون ها را از سيال به سطح رزين و يا از سطح رزين به سيال مي رساند مشخص مي كند. پديده تبادل يون يك تعادل شيميايي است و از اصول حاكم بر تعادل ها پيروي مي كند. در الكتروليت ها نيز پديده تعويض يون وجود دارد ولي به دليل همگن بود يون ها كه در آن مبادله كننده هاي يون هر دو مايع مي باشند عامل موثر سينتيك شيمايي است در حاليكه در تعويض يوني به دليل جامد بودن رزين ها نفوذ يون ها مورد توجه مي باشد در واقع پديده تبادل يون به دليل وجود نيروهاي الكترواستاتيك مي باشد و قدرت تبادل به اين نيروها بستگي دارد و به شيوه اي است كه مواد قبل و بعد از تبادل يون هر دو از نظر الكتريكي خنثي خواهند بود.
رزين هاي تبادل يوني ويژه بستر مختلط
(Mixed bed colums ion-exchange resins)
حذف كاتيون ها و آنيون هاي موجود در آب ، به طور همزمان به وسيله مخلوطي از رزين هاي تبادل يوني كاتيوني و آنيوني انجام ميگيرد. در اين فرايند مخلوط رزين ها در يك ستون قرار مي گيرند و آب از بستر رزين عبور مي كند و آب خروجي داراي T.D.S بسيار پاييني خواهد بود. احياي رزين هاي كاتيوني و آنيوني در چند مرحله انجام مي پذيرد . در نخستين مرحله رزين ها به شيوه مكانيكي از هم جدا مي شوند ، سپس رزين ها احيا مي گردند و در مرحله نهايي دو رزين كاتيوني و آنيوني مخلوط مي شوند و مورد استفاده قرار مي گيرند.
مقايسه رزين هاي ضعيف و قوي :
رزين هاي تبادل يوني كاتيوني ، انيوني از دو نوع ضعيف و قوي در ويژگيهاي برجسته زير متمايز هستند :
1) رزين هاي ضعيف توانايي يوني محدودي دارند در حاليكه رزين هاي قوي از توانايي تبادل يوني بالايي برخوردار هستند.
2) رزين هاي ضعيف داراي ظرفيت بالاتري نسبت به نوع قوي مي باشند و در برخي موارد ظرفيت تبادل يوني رزين هاي ضعيف بيشتر از دو برابر نوع قوي مي باشد.
3) جهت احياي رزين هاي ضعيف به ميزان كمتري از ماده شيمايي نياز مي باشد.
4) هزينه آب بي يون توليد شده به كمك استفاده توام رزين هاي ضعيف و قوي كمتر مي باشد.
5) رزين هاي ضعيف به درصد كمتري از ماده شيميايي جهت احيا نياز دارند بنابراين در سيستم هاي چند مرحله اي كه از ستون هاي رزين هاي ضعيف و قوي استفاده مي گردد، مواد احيا كننده خروجي از رزين هاي قوي جهت استفاده رزين هاي ضعيف بسيار مفيد مي باشند.
6) احياي رزين هاي كاتيوني بطور معمول توسط سولفوريك اسيد انجام مي گردد. جهت جلوگيري از رسوب كلسيم سولفات بر روي رزين ها ، ابتدا از سولفوريك اسيد يك و نيم درصد و در مرحله بعد از سولفوريك اسيد چهار الي پنج درصد استفاده مي گردد. غلظت اسيد مورد استفاده براي احياي رزين هاي كاتيوني ضعيف حدود يك الي يك و نيم درصد مي باشد.
7) جهت احياي رزين هاي آنيوني معمولا از سديم هيدروكسيد چهار الي پنج درصد براي رزين هاي قوي استفاده مي شود و پساب خروجي براي احياي رزين هاي آنيوني ضعيف استفاده مي شود.
فرايند بي يون سازي (Demineralisation Process)
همواره فرايند بي يون سازي براي محلول هاي با غلظت هاي نسبتا بالا امكان پذير است ولي از لحاظ اقتصادي هرگاه T.D.S آب خام كمتر از ppm 700 باشد فرايند تعويض يوني مطرح مي شود . از لحاظ اقتصادي براي كاهش T.D.S تا رسيدن به حد مطلوب و جهت فرايند بي يون سازي شيوه هاي گوناگوني مطرح مي باشد. براي مثال مي توان در يك يا تركيبي از روش هاي زير آب خام ورودي به سيستم تبادل يوني را مهيا ساخت .
الف) الكترودياليز
ب) اسمز معكوس
پ) تقطير
ت) انرژي خورشيدي
ث) فرايند آب آهك زني
ج) پمپهاي حرارتي
انتخاب فرآيند بي يون سازي بر اساس موارد زير است :
الف) كيفيت آب خام
ب) كيفيت آب مورد نياز
پ ) هزينه سرمايه گذاري
ت) هزينه بهره برداري
خواص رزين هاي مبادله كننده يوني :
رزين هاي تبادل يوني بايستي از ويژگيهاي خاصي برخوردار باشند . مهم ترين اين ويژگيها عبارتنداز :
الف) بزرگ بودن سطوح تبادل يوني
ب) دارا بودن ظرفيت بالا
پ) بالا بودن ضريب انتخاب
ت) مقاومت در برابر مواد شيمايي
ث) مقاومت در برابر تغييرات PH
ج) مقرون به صرفه بودن
چ) ارزان بودن مواد به كار گرفته شده در فرايند احياي رزين ها
ح) سمي نبودن
خ) دارا بودن مقاومت مكانيكي بالا
مزيت هاي روش تبادل يوني :
الف) سهولت در نصب و بهره برداري
ب) بالابودن عمر مفيد رزين ها ( در شرايط بهره برداري مناسب عمر رزين ها بيشتر از 15 سال است)
پ) قابليت اجرا در ظرفيت هاي مختلف
ت) عدم وجود فاضلاب آلوده براي محيط زيست
محدوديت هاي روش تبادل يوني :
الف) در محدوده T.D.S>700ppm مقرون به صرفه نيست
ب ) اين روش براي واحدهاي صنعتي متداول مي باشد و معمولا براي آب آشاميدني مورد استفاده قرار نمي گيرد.
پ ) مواد شيميايي مصرفي از همه روش ها بيشتر و آب توليدي پرهزينه تر است.
ت ) بر اساس نوع رزين و پوشش ستون هاي تبادل يوني ماكزيمم دماي فرايند تبادل يوني محدوديت دارد.
ج ) اجسام غير يونيزه قابليت تبادل يوني ندارند.
چ ) حد مجاز آهن ، منگنز و فلزات سنگين در مجموع بايد كمتر از ppm 1/0 باشد.
ح ) آب عبوري از رزين هاي تبادل يوني بايد فاقد املاح معلق ، اجسام كلوئيدي ،چربي و مواد آلي باشد.
فرايند تبادل يوني با بستر ثابت (Fixed bed process)
استفاده از بستر ثابت رزين ها با جريان آب از بالا به پايين (Down flow) يكي از روش هاي مرسوم در تصفيه آب به كمك رزين هاست . كاهش درجه خلوص آب خروجي از ستون تبادل يون ، نشان دهنده اين است كه رزين ها اشباع شده اند و بايد احيا گردند . عمل احياء رزين در چهار مرحله انجام مي پذيرد.
1) شست و شوي معكوس به منظور شكوفا شدن رزين ها
2) عبور از ماده احيا كننده از بستر به منظور احياي رزين ها
3) آبكشي آهسته براي بيرون راندن آرام ماده احيا كننده از ستون تبادل يوني
4) آبكشي سريع براي بيرون راندن آخرين ذرات ماده احيا كننده از بستر تبادل يوني
اطلاعات تكميلي (Supplimentary information)
1) از محلول هاي سولفوريك اسيد و سود سوز آور براي احياي رزين ها استفاده مي شود.
2) در طراحي سيستم بي يون سازي با استفاده از رزين هاي تبادل يوني ، تركيبي از رزين هاي مختلف و ستون هاي گوناگون به كار گرفته مي شود . از لحاظ اقتصادي ، طراحي به گونه اي انجام مي پذيرد كه با اشباع شدن رزين هاي آنيوني ضعيف كل سيستم در فاز احيا قرار گيرد.
3) ميزان اسيد و قلياي مورد استفاده جهت احياي رزين ها همواره بيشتر از مقدار استوكيومتري مي باشد.
4) در اثر مخلوط شدن رزين هاي كاتيوني ضعيف و قوي ، بهره برداري و و احياي سيستم دچار مشكل مي گردد.
5) هرگاه به هر دليلي رزين هاي ستون كاتيوني با رزين هاي ستون آنيوني ضعيف مخلوط شوند، راندمان سيستم تبادل يوني به شدت كاهش مي يابد.
6) مناسب ترين دما جهت توليد آب بدون يون حدود 35 درجه سانتي گراد و جهت احياي رزين ها حدود 40 درجه سانتي گراد درنظر گرفته مي شود.
7) بروز توقف در خط توليد آب بي يون موجب برقراري تعادل بين يون هاي محلول و رزين تبادل يوني مي شود و پس از راه اندازي مجدد آب توليدي از كيفيت مناسبي برخوردار نمي باشد بنابراين لازم است تا رسيدن به آب با كيفيت مطلوب آب توليدي سيركوله شود و در غير اين صورت كل سيستم احيا گردد.
8) به دليل اسيدي و يا قليايي بودن آب درون ستون ها و جلوگيري از خوردگي ، لازم مي شود كه درون ستون ها با موادي از جنس لاستيك ، فايبر گلاس و يا مواد پلاستيكي پوشش مناسب داده شود.
9) چنانچه پيش از استفاده از سيستم تبادل يوني از سيستم كلاريفاير و آهك زني به منظور حذف كلسيم بي كربنات و منيزيم بي كربنات استفاده شود ، مي توان ستون رزين كاتيوني را حذف نمود و تنها از رزين هاي كاتيوني قوي استفاده كرد.
10) آب تقطير شده ، آب عبوري از دستگاه اسمز معمولي و يا الكترودياليز ، داراي يون مي باشند. براي تهيه آب بدون يون لازم است يك سيستم تبادل يوني به دنبال سيستم هاي مطرح شده مورد استفاده قرار گيرد.
11) هدايت الكتريكي آب خروجي از ستون هاي كاتيوني در مرحله بهره برداري در مقايسه با آب ورودي افزايش مي يابد. در صورت كاهش ، سيستم به حالت اشباع رسيده است.
12) هدايت الكتريكي آب خروجي از ستون هاي آنيوني ، در زمان بهره برداري كاهش مي يابد. افزايش هدايت الكتريكي آب خروجي از ستون آنيوني ، معرف اشباع شدن ستون است.
13) به دليل كاربرد بيشتر و راندمان بالاتر رزين هاي ضعيف در مقايسه با نوع قوي ، گران قيمت تر مي باشند .
14) بهاي رزين هاي آنيوني ، به دليل پيچيده بودن فرآيند توليد آنها خيلي بيشتر از رزين هاي كاتيوني مي باشد.
15) در صورت طراحي و بهره برداري مناسب گاز زدا ، ميزان گاز كربنيك باقي مانده در آب به حدود ppm 5 مي رسد كه گاز كربنيك باقي مانده به همراه سيليكا توسط رزين هاي آنيوني قوي حذف مي گردد.
16) به منظور بهبود بهره برداري از ستون هاي تبادل يوني به شيوه جريان بالا به پايين مي توان روي نازل ها در كف ستون تبادل يون را لايه اي از آنتراسيت قرار داد تا زمينه براي عبور بهتر آب بوجود آيد.
17) در بهره برداري از ستون هاي تبادل يون به شيوه جريان از پايين به بالا مي توان از مقداري مواد پلي مري به نام رزين خنثي با دانه بندي درشت تر از رزين استفاده كرد تا آب بهتر از ميان خلال و فرج عبور نمايد و افت فشار كمتري در سيستم ايجاد شود.
18) رنگ رزين ها به طور معمول شفاف مي باشند. در اثر آلودگي رزين ها به مواد آلي رنگشان به تيره و يا سياه تغيير مي كند. جهت رفع اين مشكل رزين ها را با مخلوط آب نمك 10% و حدود 3-2% سود سوزآور در دماي حدود 40 درجه سانتي گراد براي مدت 3 ساعت شست و شو مي دهند.
19) جهت نگهداري رزين ها و جلوگيري از فساد آنها در توقف هاي طولاني مدت ، مي توان رزين ها را توسط سديم كلريد اشباع كرد و سپس ستون تبادل يون را توسط محلول نيم درصد فرمالين پر نمود.
20) رعايت سرعت خطي آب در ستون ها و فشار درون فيلتر ها بر روي راندمان خط تصفيه اثر مي گذارد ، لذا لازم است اين موضوع براي طراحي و بهره برداري در نظر گرفته شود.
21) به طور معمول براي جلوگيري از رشد باكتري ها بر روي رزين ها ، آب را توسط كلرين ضد عفوني مي كنند. اگر ميزان كلرين كمتر از ppm 1/0 باشد براي رزين ها مشكلي بوجود نمي آورد. افزايش غلظت كلرين ، بيشتر از حد مجاز تخريب رزين ها را به همراه خواهد داشت.
22) آب عبوري از ستون هاي تبادل يوني همواره بايد بدون مواد كلوئيدي و معلق باشد . مواد ريز معلق موجب مسدود شدن خلل و فرج رزين ها مي شود.
23) هيچگاه نبايد در خط تصفيه آب ، رزين هاي آنيوني پيش از كاتيوني قرار گيرند. زيرا PH آب به طور شديد قليايي مي شود و برخي از كاتيون ها روي آنيون ها رسوب كرده و موجب تخريب رزين ها مي شود.

الكترو دياليز (Electrodialysis) :
الكترو دياليز با علامت مخفف ED نشان داده مي شود. يك فرايند جداسازي غشايي مي باشد كه درآن از اختلاف پتانسيل الكتريكي به عنوان نيروي محركه جهت انتقال يون ها استفاده مي شود .
در اين سيستم از غشاهاي پليمري حاوي رزين هاي تبادل يوني استفاده مي گردد. اين رزين ها بر روي پارچه هايي پليمري مانند پلي اتيلن پوشش داده شده اند . پرده هاي كاتيوني نسبت به كاتيون ها تراوا مي باشند و آنيون ها فقط مي توانند از غشاهاي آنيوني عبور نمايند.
فضاي بين دو غشاي غير همنام سل ناميده مي شود . در سيستم هاي پيشرفته دستگاه الكترودياليز به شيوه اي طراحي و بهره برداري مي گردد كه در حدود هر 15 دقيقه يك مرتبه قطب كاتد و آند جابجا مي شوند و به طور اتوماتيك از رسوب روي الكترودها و گرفتگي غشاها كاسته مي شود .غشاها توسط جدا كننده هاي پليمري از يكديگر مجزا مي شوند به طور معمول ضخامت اين توري ها در فضاي بين غشاء ها نيم ميلي متر و در كنار الكترودها يك ميلي متر مي باشد.
نكات مهم در طراحي و بهره برداري از سيستم هاي الكترودياليز :
1) كيفيت آب ورودي بيشترين اهميت را در ثابت نگه داشتن مشخصات آب خروجي دارد . يون هاي مهم در تصفيه آب شامل سديم ، كلسيم ، منيزيم ، آهن ، سيليس ، كلريد و بي كربنات مي باشند. هر چند تغيير در مشخصات آب ورودي موجب تغيير در كيفيت آب خروجي مي گردد.
2) دماي آب ورودي اثر فوق العاده مهمي بر روي بازده دستگاه و كيفيت محصول دارد. به طور معمول دماي آب نبايد از 10 درجه سانتي گراد كمتر و از 45 درجه سانتي گراد بيشتر باشد.
3) حد مجاز آهن در آب وروي به طور معمول حدود ppm 2/0 مي باشد زيرا بيشتر از اين مقدار موجب اشكال در فرايند مي گردد. يكي از اثرهاي منفي يون هاي آهن و يا آهن معلق ، افزايش مقاومت الكتريكي غشاها مي باشد كه در اثر رسوب بر روي غشاها يك لايه نارنجي رنگ بوجود مي آورند و موجب كاهش كيفيت توليد آب و تغيير در ولتاژ و آمپر مورد استفاده مي شود.
4) وجود كلرين در آب ورودي موجب آسيب ديدگي سيستم مي شود لذا نبايد سيستم راه اندازي شود.
5) وجود هيدروژن سولفايد در آب ورودي مانند حالت بالا موجب آسيب رسيدن به غشا ميشود و لذا نبايد سيستم راه اندازي شود.
6) حد مجاز آهن و منگنز بر روي هم درآب ورودي ppm 2/0 مي باشد.
7) به طور اساسي يكي از عوامل وجود آهن در لوله هاي انتقال و مخازن سرچاهي خوردگي مي باشد و يكي از رايج ترين عوامل خوردگي در آب هاي زير زميني باكتري هاي احيا كننده سولفات (SRB) مي باشد كه مي توانند به دليل بي هوازي بودن در چاههاي آب وجود داشته باشند و همچنين با استفاده از اكسيژن مي توان سولفات موجود درآب را احيا و توليد H2S نمود كه در نهايت سولفيت آهن توليد مي گردد. بهترين شيوه مبارزه تزريق كلر در سر چاه به ميزان باقي مانده در حدود ppm 1 مي باشد ولي چون كلرين آزاد براي سيستم زيان بخش است ، بايد آب را قبل از ورود به سيستم توسط كربن فعال و يا هر شيوه ديگر كلرين زدايي گردد.
8) در سيستم هاي الكترو دياليز اتوماتيك ، هر پانزده دقيقه يك مرتبه پلاريته الكتريكي و مسيرهاي الكتريكي تعويض مي شوند و اين عمل با تعويض قطب كاتد و آند انجام ميگيرد كه هيچ يك از قطب ها با آب نمك غليظ براي مدت بيش از پانزده دقيقه در تماس نباشند و نمك انباشته شده را به سرعت حل مي نمايند و از سيستم خارج مي سازند.
9) محيط آند هميشه در اثر تجمع H+ اسيدي مي باشد ، لذا مناسب است كه آب در اطراف قطب آند ، حالت سكون داشته باشد تا رسوباتي كه در اين قطب به وجود آمده است حل و در زمان تخليه خارج شوند و يا به عبارت ديگر عمل شست و شوي اسيدي در قطب آند انجام شود. به دليل تعويض قطب ها در هر پانزده دقيقه يك مرتبه اين روش كمك فراواني به تميز شدن الكترودها مي نمايد.
10) به طور معمول حداقل فشار سيستم الكترودياليز atm 15/0 و حداكثر atm 5/1 طراحي مي شود.
11) دستگاه نشان دهنده اختلاف فشار بين آب رقيق و غليظ در ورودي و خروجي مجموعه غشاها به شيوه اي است كه اختلاف فشار آب تصفيه شده و آب نمك را نشان مي دهد زيرا هميشه بايد فشار آب تصفيه در حدود نيم الي يك و نيم اتمسفر بيشتر از فشار آب نمك باشد.
12) جهت كنترل كيفيت آب توليدي دستگاه اندازه گيري هدايت الكتريكي در قسمت خروجي آب تصفيه شده نصب مي شود.
13) در صورت توقف بيش از سي دقيقه در سيستم هاي الكترودياليز كه به شيوه هاي دستي يا اتوماتيك عمل مي نمايند لازم است در حدود چهار الي هشت دقيقه آبكشي شوند تا نمك هاي باقي مانده تخليه شوند و از ايجاد رسوب بر روي غشاها جلوگيري گردد.
14) در صورت افزايش T.D.S آب و كاهش آمپر مصرفي لازم است موارد زير مورد بررسي قرار گيرند : الف) دماي آب : كاهش يك درجه فارنهايت از دماي آب باعث كاهش يك درصد از آمپر مصرفي مي شود ب) كثيف بودن غشاها ج) پوشش سطح الكترودها د) پارگي و يا سوختگي غشاها.
15) در صورت كاهش ميزان آب توليدي ، موارد زير بايد بررسي شود : الف ) گرفتگي صافي ها ، ب ) وضعيت ساير تجهيزات مانند شيرها و پمپ ها ، ج) اختلاف فشار جريان هاي ورودي و خروجي
16) هرگاه جريان مصرفي بين الكترود كاهش يابد بايد بررسي زير انجام گيرد
الف) اطمينان از بسته نبودن لوله هاي آب تغذيه الكترودها يا لوله هاي خروجي الكترودها
ب) اطمينان از برابر بودن فشار ورودي آب الكترودها و فشار ورودي مجموعه غشاها
ج) اطمينان از عدم رسوب روي غشاها ، صفحه هاي جدا كننده و الكترودها.

فرآيند تقطيري :
تبخير و ميعان آب يكي از روشهاي تصفيه آب است . دماي تبخير املاح موجود در آب بالاست لذا با حرارت دادن محلول آب مي توان اجزاء آب را بخار و از سنگ هاي محلول در آن جدا نمود.
اين شيوه تصفيه آب را روش تقطيري مي نامند . آب داراي املاح بالا در سه مرحله تبديل به آب مناسب مي گردد.
1) توليد بخار با حرارت دادن به آب و رسانيدن دماي آب به نقطه جوش
2) جمع آوري بخار
3) ميعان بخار و بازيافت حرارت
سيستم تقطير چند مرحله اي (Multistage Distillation) :
افزايش راندمان سيستم تقطير با بكارگيري مجموعه اي از سيستم هاي تقطير ساده به طور متوالي امكان پذير است . در چنين سيستمي يكي از تبخير كننده هاي به وسيله بخار تغذيه مي شود . دماي بخار در اين تبخير كننده بيش از دماي جوش آب داخل پوسته است. بخار ايجاد شده در محفظه اول داخل لوله هاي سيستم دوم مي شود و در نتيجه آن ، مقداري از آب درون پوسته اين سيستم تبخير مي شود . براي تبخير اين مرحله بايد دماي بخار ورودي به لوله ها از دماي آب موجود در پوسته در حد مناسبي بيشتر باشد به همين ترتيب بخار خارج شده از مرحله دوم وارد لوله هاي مرحله سوم مي شود و در اثرميعان مقداري از آب در درون پوسته مرحله سوم تبخير مي گردد. به طور كلي در اين گونه سيستم ها ، طراحي به گونه اي انجام مي شود كه به ازاي هر كيلوگرم بخار داده شده به سيستم حدود سه كيلوگرم آب مقطر توليد مي شود. براي تامين خلاء به منظور جمع آوري گازهاي خارج شده از آب تاسيسات جانبي تقطير ، پمپ خلاء نياز مي باشد. بر اساس قوانين ترموديناميك با كاهش فشار ، دماي نقطه جوش كاسته مي شود ، لذا ايجاد خلا در اين گونه سيستم ها آب را در دماي كمتري به بخار تبديل مي كند . به طور كلي در اين سيستم ها با افزايش تعداد مراحل ، راندمان كلي توليد آب شيرين افزايش مي يابد ولي از لحاظ اقتصادي ، تعداد مراحل بهينه وجود دارد.
سيستم هاي تقطيري چند مرحله اي داراي انواع گوناگوني مي باشند كه عبارتند از :
1) تقطير كننده با لوله هاي درون آب
2) تبخير كننده با لوله هاي بلند عمودي
3) تبخير كننده هاي عمودي بالايه پايين رونده
4) تبخير كننده هاي عمودي بالايه بالا رونده
5) تبخير كننده هاي افقي
كاربرد پمپ حرارتي در تصفيه آب :
پمپ هاي حرارتي ، دستگاههايي مي باشند كه با انجام كار مكانيكي ، حرارت را از سيستم سرد به سيستم گرم منتقل مي كنند. پمپ حرارتي در واقع يك ماشين حرارتي معكوس است .كار مكانيكي به طور معمول توسط يك پمپ يا كمپرسور ( با توجه به نوع پمپ حرارتي) انجام مي گيرد به همين دليل نام اين سيستم را پمپ حرارتي گذارده اند. در سيستم هاي تقطير به كمك پمپ حرارتي ، گرماي محصول كه كمتر از گرماي درون برج (خوراك ورودي) است از طريق يك سيال كاري به خوراك ورودي يا جوشاننده برج انتقال مي يابد واين موضوع اساس كاهش انرژي حرارتي مصرفي است. سيال كاري كه جهت انتقال انرژي استفاده مي شود به طور معمول بخار آب است.
اجزاء اصلي يك پمپ حرارتي عبارتند از :
1) كمپرسور براي افزايش فشار سيال كاري
2) شير انبساط به منظور كاهش و افت فشار سيال كاري
3) چگالنده به منظور دفع انرژي سيال كاري به محيط گرم
4) تبخير كننده براي جذب انرژي از محيط سرد به سيال كاري
سيال كار در فشار پايين گرما را جذب و در فشار بالا گرما را به محيط مي دهد. در اين چرخه ،كمپرسور مقداري كار و انرژي مصرف مي نمايد كه موجب افزايش فشار و دماي سيال كاري مي شود.
گاز زدايي (Degasification) :
گازهاي مختلف زيادي مي توانند در آب به صورت محلول وجود داشته باشند . هيدروژن سولفيد ، كربن دي اكسيد ، اكسيژن ، آمونياك ،كلرين و نيتروژن از جمله گازهايي هستند كه بيشتر از بقيه گازها در آب وجود دارند. نوع و ميزان گازهاي محلول در آب به شرايط محيطي ،منبع آب ،مسير عبور آب ، دما و فشار و جنس گاز بستگي دارد. گازهاي موجود در آب به دو صورت مي توانند وجود داشته باشند ، يك دسته مثل اكسيژن و نيتروژن همواره ، به صورت گاز در آب موجودند ، ولي گازهايي چون دي اكسيد كربن ،هيدروژن ، سولفيد و آمونياك با توجه به PH آب مي توانند هم به صورت تركيب نشده (گاز) در آب موجود باشند و هم مي توانند با آب تركيب شده و توليد يون كنند كه در اين صورت براي حذف آنها بايد عملياتي را كه براي حذف يون ها بكار برده ميشود ،مورد استفاده قرار داد.
اثرات ناخالصي هاي گازي آب :
اكسيژن ونيتروژن از جمله گازهاي محلول در آب هستند كه در اثر تماس آب با هوا در آب حل مي شوند.
نيتروژن : اين گاز حلاليت كمي در آب دارد و نيز به دليل ميل تركيبي خيلي كم ، مشكل چنداني ايجاد نمي كند.
اكسيژن : اكسيژن به همراه PH كم خاصيت خورندگي شديدي دارد . يكي از جدي ترين مسائلي كه اكسيژن مي تواند ايجاد كند ،خوردگي حفره اي است. البته حلاليت اكسيژن در دما و فشارهاي مختلف ، تغيير مي كند.
دي اكسيد كربن : اين گاز در اثر حل شدن در آب به آن خاصيت خورندگي مي دهد ، ضمن اينكه خورندگي اكسيژن را نيز تشديد مي كند.
كلر : گازي است كه به صورت طبيعي در آب وجود ندارد و معمولا در مرحله كلر زني به منظور ضدعفوني كردن ، وارد آب مي شود.
هيدروژن سولفيد : اين گاز در آب موجب خوردگي جداره لوله هاي فولادي مي شود و با تشكيل رسوب سولفور آهن و ته نشيني آن روي رزين هاي تعويض يوني موجب تخريب رزين ها مي شود.
روش هاي حذف گازها :
به طور كلي براي حذف ناخالصي هاي گازي آب دو شيوه عمده وجود دارد :
الف) روش هاي فيزيكي حذف گازها
ب) روش هاي شيمايي حذف گازها
در موارديكه حجم آب مورد تصفيه زياد و غلظت گازهاي محلول بالا باشد از روش فيزيكي استفاده مي شود چون اين روش از نظر اقتصادي مقرون به صرفه خواهد بود. هزينه هاي سرمايه گذاري ، تجهيزات و دستگاههاي مورد استفاده در اين شيوه بالاست ولي در مجموع با صرفه تر از روش هاي شيميايي خواهد بود.
مزيت روش شيميايي نسبت به فيزيكي در آن است كه در روش شيميايي مي توان گفت كه حذف گازها از آب به طور كامل انجام مي شود در حاليكه در روش فيزيكي هيچ گاه حذف گازها صد درصد نيست و احتياج به عمليات شيميايي به صورت تكميل كننده خواهد بود.
برخي از روشهاي فيزيكي حذف گاز عبارتند از :
1) افزايش دماي آب : با اين عمل ، فشار بخار آب افزايش مي يابد و بر طبق قانون دالتون ، چون فشار كل گازها برابر با مجموع فشارهاي جوي گازها مي باشد لذا با افزايش بخار آب ، فشار جزئي گازهاي ناخالص كاهش مي يابد و مقداري از گاز محلول در آب خارج مي شود.
2) گاززدايي تحت فشار : با تحت فشار قرار دادن سطح آب توسط يك گاز بي اثر مي توان گازهاي محلول در آب را خارج نمود. معمولا در صنعت به جاي استفاده از يك گاز بي اثر نظير ازت ، از بخار آب براي تغيير فشار كمك مي گيرند ضمن اينكه دماي آب افزايش يافته و به گاز زدايي كمك خوهد شد.
3) هوادهي (Aeration) : هوادهي فرآيندي است كه درآن آب و هوا در تماس نزديك با هم قرار داده مي شوند. از هوادهي براي حذف ساير گازها به جز اكسيژن استفاده مي شود. در اثر هوادهي ميزان اكسيژن محلول در آب افزايش مي يابد و در نتيجه فشار جزيي اكسيژن افزايش يافته و فشار جزئي ساير گازها كم شده و از آب خارج مي شوند. هوادهي براي موارد مختلفي بكارگرفته مي شوند كه عبارتند از :
1)حذف گاز هيدروژن سولفوره و تركيبات آلي
2) حذف گاز كربنيك
3) حذف گازهايي مانند متان كه تجمع اين گاز در يك محيط بسته مي تواند سبب انفجار شود.
در روش هوادهي آب زائد توسط افشانك هايي به صورت قطرات ريز از بالا به پايين پاشيده مي شود و هوا از پايين به بالا جريان مي يابد و تماس بين دو فاز برقرار مي شود كه اين كار توسط دستگاهي به نام (Degasor) انجام مي شود.
4) هوازدائي سرد (Cold dearation) :
هوازدايي سرد به گونه اي است كه هيچ هوايي به داخل آب دميده نمي شود بلكه با خلائي كه توسط يك مولد خلا ايجاد مي شود ، فشار روي سطح آب كاهش مي يابد و درجه حرارت آب به دماي اشباع مي رسد و با اين كار بخار آب توليد مي شود كه وجود آن باعث كاهش زياد فشار جزئي همه گازها مي شود در دماي اشباع از نظر تئوري همه گازهاي محلول در آب از آن خارج مي شوند. در روش هوادهي سرد ، با صرفه ترين روش ، ايجاد خلا توسط جت بخار مي باشد. يكي از مشكلات اين روش كه سبب عدم استفاده از آن به طور وسيع در صنايع ميشود ، كنترل خلا در برج هاي هوازدايي سرد مي باشد . از جمله مزاياي روش هوازدايي سرد اين است كه به دليل نبودن اكسيژن در آب از اكسيداسيون رزين هاي آنيوني جلوگيري مي شود و در نتيجه عمر رزين كاهش نمي يابد.
5) هوازدايي گرم (Hot Dearation) :
در هوازدايي گرم ، دماي آب را تا دماي اشباع در فشار داخل هوازدا مي رسانند تا اكسيژن و ديگر گازها از آب خارج شوند. چون هدف حذف گازهايي مانند اكسيژن و كربن دي اكسيد است از دميدن هوا استفاده نمي شود بلكه از بخار آب استفاده مي شود. در اين صورت بخار آب ورودي ، دماي آب را تا دماي اشباع افزايش مي دهد و از نظر تئوري انتظار مي رود كه همه گازهاي محلول در آب از آن خارج مي شوند.
تصفيه بيولوژيكي :
تصفيه بيولوژيكي ،موثرترين روش براي كاهش مواد آلي موجود در آب ها و پساب ها است. اين نوع تصفيه بر اساس نوع ميكروارگانيزم هاي فعال در آن به دو دسته زير تقسيم بندي مي شوند :
1) تصفيه بيولوژيكي هوازي
2) تصفيه بيولوژيكي غير هوازي
تصفيه بيولوژيكي هوازي :
سيستم هاي تصفيه بيولوژيكي هوازي شامل هوادهي ، لجن فعال و صافي هاي بيولوژيكي استخرهاي اكسيداسيون و سيستم هاي چرخان مي باشند. در اين روش ميكروارگانيسم ها عامل اصلي واكنش هاي تجزيه مواد آلي هستند و انرژي حاصل از اين سوخت و ساز براي ادامه حيات اعمال زيستي آنها بكار مي رود. و محصولات حاصل از اين سوخت و ساز مواد پايداري نظير CO2 ، آب و آمونياك مي باشند. قسمتي از مواد آلي نيز براي ساخت و سنتز سلول هاي جديد مورد استفاده قرار ميگيرند.

سلولهاي جديد پروتوپلاسم® سنتز
® آنزيم حاصل از ميكرو ارگانيزم ها ¾ + ماده آلي
مواد حاصل از واكنش® انرژي


هوادهي و توليد لجن فعال :
پسابي كه وارد مخزن مي شود ، داراي مواد آلي است كه منبع تغذيه باكتري ها مي باشد. باكتريها ، مواد آلي و اكسيژن موجود در پساب را مصرف كرده و CO2 توليد مي كنند . ساير ميكروارگانيزم ها نيز از باكتري ها تغذيه مي كنند. بنابراين بعد از مرگ باكتري ها مقداري از مواد مصرف شده به سيستم برگردانده مي شود ولي ميكروب ها براي سنتز از مواد آلي استفاده مي كنند و به رشد خود ادامه ميدهند. بنابراين وارد كردن مقدار زيادي از ميكروارگانيزم ها به يك مخزن پساب و دميدن هوا در آن براي چند ساعت مواد آلي موجود در آب به مصرف ميكروارگانيزم ها مي رسد. سپس همين موجودات ذره بيني به صورت لخته هايي ته نشين مي شوند و آب خروجي كه مواد آلي خود را از دست داده به صورت شفاف از مخزن خارج مي شود ، لخته هاي ته نشين شده به مخزن هوادهي بازگشت داده مي شوند تا فرايند تكرار شود. باكتري ها و ذرات معلق را كه قابليت ته نشيني دارند به مخزن هوادهي وارد مي سازند كه به آن لجن فعال گفته ميشود. هواي دميده شده به داخل مخزن هوادهي دو كار انجام ميدهد :
1) تامين اكسيژن كافي براي ميكروارگانيزم ها
2) همزدن و مخلوط كردن پساب با لجن فعال و ايجاد سطح تماس بيشتر

تصفيه بيولوژيكي غير هوازي :
سيستم هاي تصفيه بيولوژيكي هوازي ، سيستم هاي بسيار مناسبي براي حذف آلودگي هاي مواد آلي موجود در پساب هستند ولي مشكلاتي را نيز در بر دارند كه يكي از آنها موضوع دفع لجن توليد شده مي باشد كه در حد بالايي از هزينه ها و فضاي ت

         اعضاي گروه 4 : الهه رنجبر اصفهاني زاد - سكينه موسوي

     شناسايي كاتيون هاي گروه 4

• عدد اتمی: ۳۸
• جرم اتمی:۸۷٫۶۲
• تاریخ: 2 خرداد 1391برچسب:,