تصفیه آب وآنیون های معدنی
در طراحی سیستم های تصفیه آب اعم از تصفیه آب خانگی , تصفیه آب نیمه صنعتی و صنعتی یکی از مهمترین آیتم هایی که باید در نظر گرفته شود شناخت مواد اعم از کاتیون ها و آنیون ها میباشد که در این مقاله به تشریح آنیون ها مبیپردازیم.
بی کربنات
سیستم کربنات – بی کربنات در آب های طبیعی اعمال مهمی در شیمی اسید – باز ، ظرفیت بافری، تشکیل کمپلکس های فلزی، شکل جامدات و متابولیسم بیولوژیکی انجام می دهد. ترکیبات در برگیرنده ی سیستم های کربناته شامل CO2،HCO3- ، CO32- ، OH- ، H+ و H2CO3می باشد. در این زمینه، pH و بی کربنات واکنش ها را کنترل می کند. نقش غالب سیستم کربنات در شیمی اسید و باز آب های طبیعی به خوبی به اثبات رسیده است،اگرچه موارد نادری از آب هایی با غلظت های بسیار بالای مواد آلی محلول یا آب های زیرزمینی با سولفات بالا چنین فرآیندی را تصدیق نمی کند.
مجموعه ای از واکنش های زیر را می توان برای توصیف سیستم کربنات استفاده کرد:
1- پرتون زایی CO2آبی در دمای 25 درجه سانتیگراد
CO2(aq) + H2O ⇄ H2CO3 Km = 10-2.8
2- تولید یون های بی کربنات در دمای 25 درجه سانتیگراد
H2CO3 ⇄HCO3- + H+ K1 = 10-3.5
3- تولید یون های کربنات در دمای 25 درجه سانتیگراد
HCO3-⇄CO32- + H+ K2 = 10-10.3
10-3 M در 25 درجه سانتیگراد و فشار 1 atm
مقادیر K که در بالا تعیین شده اند ثابت های تعادل برای واکنش های خاص هستند.چون به دست آوردن K مشکل است تجزیه و تحلیل بین CO2(aq) وH2CO3 متفاوت خواهد بود لذا انواع تیتراسیون اختیاری H2CO3*، که از مجموع غلظت های CO2(aq) وH2CO3 تعیین می شود در بیشتر محاسبات به کار می رود و معادل H2CO3* ≅CO2(aq)در نظر گرفته می شود.بنابراین، تولید یون های بی کربنات که در معادله H2CO3 ⇄ HCO3- + H+به کار رفته است معمولا بیشتر به صورت زیر نشان داده می شود:
در دمای 25 درجه سانتیگراد H2CO3*⇄ HCO3- + H+ K = 10-6.35
این معادلات می توانند جهت توصیف توزیع نسبی انواع ترکیبات کربناته به عنوان تابعی از pH با هم ترکیب شوند(شکل 1).همان طور که در شکل نشان داده شده است، با اندازه گیری pH و یکی از انواع ترکیبات کربناته می توان غلظت سایر ترکیبات را تعیین نمود.
معمولا غلظت های بی کربنات در آب باران کمتر از 10 میلی گرم بر لیتر، و در جریان های سطحی کمتر از 200 میلی گرم بر لیتر مشاهده می شود.در برخی آب های زیرزمینی که غلظت های کلسیم و منیزیم پایین است، بی کربنات ممکن است در غلظت های بالا حتی بالاتر از 1000 میلی گرم بر لیتر مشاهده شود.ترکیبات مهم کربناته ی فلزی از ترکیب کلسیم،منیزیم،آهن،مس و روی با کربنات حاصل می شوند.
به طور کلی ترکیبات کربنات و بی کربنات مسئول خنثی سازی ظرفیت اسیدی آب هستند.قلیائیت به عنوان ظرفیت یک محلول برای خنثی کردن اسید اضافه شده در مقدار pH معین را نشان می دهد، که برای بیشتر آب های طبیعی (کربناته) pH بین 4.5 و 8.5 می باشد.در pH 4.5 اسید کربنیک (H2CO3) مشتمل بر واکنش تشکیل کربنات است، اگرچه در این فرآیند CO2(aq)صورت فیزیکی بر بقیه ترکیبات غالب است.
کلراید
کلراید در منابع آب معمولا به صورت یون کلراید وجود دارد،محصولات هیدرولیز کلر (HOCL,OCL-) موقتا در جایی که کلر به عنوان گندزدا استفاده می گردد، دیده می شوند.معمولا در آب های سطحی غلظت یون کلراید کمتر از 10 میلی گرم بر لیتر است، و در مناطقی که در معرض اختلاط آب دریا یا جریان های ورودی چشمه آب گرم یا در جایی که تبخیر خیلی بیشتر از ریزش های جوی است، غلظت کلراید می تواند در حد مقادیر غلظت در آب دریا باشد. غلظت بالای کلراید در آب دریا تا اندازه ای به تکامل پوسته سنگ ها در طول دوران زمین شناسی بر می گردد.اگرچه چنین فرضیه ای به اثبات نرسیده است اما استنباط می شود که سنگ های موجود در اعماق زمین(شامل سنگ رسوبی نمی شود) دارای درصد بسیار بالایی از کلر در ساختارشان هستند.به طور کلی غلظت کلراید در آب ها ناشی از ریزش های جوی می باشد.
کلراید جزء یون های بسیار محول در آب محسوب شده در نتیجه در آزمایشات زیادی به عنوان ردیاب مورد استفاده قرار می گیرد.کلراید به مقدار کم دارای قابلیت انحلال، و یا واکنش های جذب می باشد و دارای اهمیت اهمیت بیوشیمیایی کمی است.بنابراین انتقال آن از طریق فرآیندهای فیزیکی به صورت کامل انجام می شود.در آب آشامیدنی، غلظت های کلراید بیشتر از 250 میلی گرم بر لیتر به علت ایجاد مزه شور ناخوشایند است.کلراید همچنین می تواند اهمیت زیادی در خوردگی فولاد و آلومینیوم در مقادیر 50 میلی گرم بر لیتر یا حتی کمتر داشته باشد.کلراید برای بسیاری گیاهان در مقادیر مختلف سمی است.
فلوراید
اگرچه مقدار فلوراید در پوسته لایه های مختلف زمین بسیار بیشتر از کلر است (عنصر دیگر از گروه هالوژن ها)، اما فلوراید بیشتر به صورت ترکیب با مواد معدنی باقی می ماند.فلوئوریت (CaF2) یک ترکیب متداول معدنی فلوئور است،معمولا آپالیت [Ca5F(PO4)3]نیز حاوی فلوراید است.در آب های طبیعی، فلوراید عمدتا به صورت F-یا ترکیب با آلومینیوم، بریلیوم، یا آهن فریک وجود دارد.در آب هایی با TDS < 1000 mg/Lمعمولا فلوراید کمتر از 1 میلی گرم بر لیتر است، اگرچه آب های زیرزمینی با مقادیر بیشتر از 10 میلی گرم بر لیتر نیز یافت می شوند که ممکن است این آب ها به وسیله فعالیت های آتشفشانی تحت تأثیر قرار گرفته باشند.غلظت فلوراید در آب رودخانه ها به ندرت بیشتر از 10 میلی گرم بر لیتر می شود.یون های فلوراید از نظر بار و شعاع تقریبا مشابه یون های هیدروکسید بوده،بنابراین می توانند جایگزین یکدیگر شوند.در حضور بور، زنجیره ای از ترکیبات هیدروکسید – فلوراید مخلوط، به وجود می آید.
برای مدت بیش از 50 سال فلوراید به تعدادی از منابع آب جهت کاهش پوسیدگی دندان اضافه می شد. این ترکیبات معمولا، فلوراید سدیم،سیلیکو فلوراید سدیم،اسید هیدروفلوئورو سیلیسیک و یا سیلیکو فلوراید آمونیوم به مقدار 1 میلی گرم بر لیتر می باشد.مقدار زیاد فلوراید ممکن است موجب لکه دار شدن دندان ها (بیشتر از 4 میلی گرم بر لیتر) و یا فلوئوروزیس استخوانی (15 تا 20 میلی گرم بر لیتر) شود.فلوراید در غلظت های 250 تا 450 میلی گرم بر لیتر سمی و در غلظت هایی حدود 4 تا 5 گرم بر لیتر کشنده است.
نیترات
متداول ترین و مهم ترین اشکال نیتروژن در آب و حالت های اکسیداسیونی متناظرشان در محیط های آبی / خاکی شامل: گاز آمونیاک (NH3,-III)، آمونیوم(NH4+,-III)،گاز نیتروژن(N2,O)، یون نیتریت (NO2-,+III)، و یون نیترات(NO3-,+III) بوده که مقدار بیش از حد آن در آب باعث سرطان میگردد و حذف نیترات تنها از طریق تصفیه آب صنعتی RO امکان پذیر است.حالت اکسیداسیون نیتروژن در اکثر ترکیبات آلی به صورت -IIIدیده می شود.حالت های اکسیداسیون نیتروژن در گستره ی -3 تا +5بوده که به صورت زیر خلاصه شده است:
-III 0 I II III IV V
NH3 – N2 – N2O – NO – N2O3 – NO2 – N2O5
شکل های دیگر نیتروژن در آب شامل ترکیبات آلی مانند اوره، اسیدهای آمینه و محصولات حاصل از تجزیه آنها، آمونیاک،یون آمونیوم،هیدروکسی لامین (NH2OH)، گاز نیتروژن و نیتریت می باشند.آمونیاک، یون آمونیوم، و محصولات فرعی پروتئین همه در شرایط احیا ایجاد می شوند، در حالت اکسیداسیون ظرفیت گاز نیتروژن صفر،نیتریت +3 ، و نیترات +5 است.تغییر شکل از حالتی به حالت دیگر، رابطه ی نزدیکی با فعالیت بیولوژیکی، ورود فاضلاب خانگی و مصرف کودهای نیتروژنی دارد.
نیترات ماده مغذی اصلی برای سبزیجات و همه موجودات زنده دیگر محسوب می گردد.نیتروژن اغلب ماده مغذی محدود کننده ای در برخی از سیستم های آبزی می باشد.گونه های خاصی از باکتری ها در خاک، جلبک های سبز – آبی و دیگر میکروارگانیسم های آبزی می توانند از نیتروژن اتمسفر استفاده نموده و آن را به نیترات تبدیل کنند.ارگانیسم های دیگر شکل های آلی نیتروژن را به نیترات اکسید می کنند.به هر حال به جز منابع مهم نیتروژن آلی موجود، بیشتر نیترات تشکیل شده از دو مسیر اشاره شده به سرعت جذب گیاهان می شود.بنابراین،در آب های سطحی غلظت های نیترات به ندرت زیاد می شود.میانگین غلظت جهانی نیترات را در رودخانه 1 میلی گرم بر لیتر گزارش نمود.غلظت های نیترات در آب های زیرزمینی، در مناطقی که محدودیت های بیشتری برای وجود نیترات در آب های مورد استفاده در کشاورزی وضع شده است بیشتر از آب های سطحی می باشد.مقادیر زیاد نیترات ممکن است در کودکان باعث مت هموگلوبینمیا (شبیه مسمومیت با CO) شود، به منظور جلوگیری از چنین شرایطی باید غلظت نیترات در منابع آب به دقت کنترل گردد.
سیلیسیم
سیلیسیم تقریبا در همه سنگ ها، خاک ها و آب های طبیعی وجود دارد.یون سیلسیم Si4+دقیقا یک ماتریکس است که با چهار اکسیژن یا یون های هیدروکسید پیوند برقرار کرده است.SiO44-(آرایش چهار وجهی) بنیادی ترین شکل سیلیسیم می باشد،و انواع مختلف مواد معدنی به وسیله این نوع پیوند با کاتیون های دوظرفیتی یا اکسیژن اضافی به وجود می آیند.در آب، سیلیسیم هیدراته مانند H4SiO4یا Si(OH)4وجود دارد، اگرچه در تجزیه و تحلیل آب معمولا سیلسیم محلول را به شکل SiO2نشان می دهد ولی در واقع شکل دقیق سیلیسیم محلول در آب شناخته نشده است و همانند بار یونی مثل SiO32-یا کلوئیدی عمل نمی کند.علاوه بر آن، رسوب سیلیسیم حاصل از محلول بیشتر به شکل های غیر شفاف و غیر متبلور است که ممکن است به شکل کریستالی با قابلیت انحلال کمتر تبدیل شود.
غلظت سیلسیم معمولا در بیشتر آب های طبیعی بین 1 تا 30 میلی گرم بر لیتر تشخیص داده شده است.همچنین میزان قابلیت انحلال سیلیسیم تاکنون شناخته نشده است، اما دما یک فاکتور بسیار مهم در این قابلیت محسوب می گردد.قابلیت انحلال کوارتز 6 میلی گرم بر لیتر در دمای 25 درجه ی سانتیگراد و 26 میلی گرم بر لیتر در دمای 84 درجه ی سانتیگراد (مانند SiO2) می باشد، و قابلیت انحلال سیلیسیم آمورف 115 میلی گرم بر لیتر در دمای 25 درجه ی سانتیگراد و 370 میلی گرم بر لیتر در دمای 100 درجه ی سانتیگراد است.وجود سیلیسیم در دیگ های بخار با فشار زیاد،خطرناک می باشد، زیرا ممکن است سیلسیم با جریان بخار از بویلرها عبور کرده و در لوله های گرمکن و تیغه های توربین کندانسه شود.این قبیل رسوبات سیلیکونی سخت و شیشه ای بوده و حذف آنها بسیار مشکل است.سیلیسیم یک ماده بیولوژیکی فعال است که توسط دیاتومه ها جذب می شود و با لاشه آنها رسوب می کنند.سیلیسیم آب های سطحی (پربار) دریاچه ها و آب دریا اغلب در نتیجه این فعالیت کاهش می یابد.چرخه های فصلی معینی برای سیلیسیم همراه با متابولیسم دیاتومه ها مورد توجه قرار گرفته شده است. سیلیکات های سدیم به عنوان منعقد کننده در تصفیه آب و کنترل کننده ی خوردگی لوله های فولادی به کار برده می شود.
سولفور
سولفور در آب های طبیعی به صورت انواع مختلف سولفات ها (MgSO4،NaSO4،CaSO4 و غیره) و سولفیدها (Na2S2O3,HS-,H2S و غیره) یافت می شود.منابع اصلی سولفات ها سنگ های رسوبی تبخیری هستند، که به وسیله ی تبخیر آب و ته نشینی معدنی تشکیل می شوند، از این قبیل ترکیبات می توان به ژیپس (CaSO4H2O) و انیدریت (CaSO4)، سنگ های رسوبی مانند پیریت (FeS2)، ترکیبات ناشی از ریزش های جوی و متابولیسم باکتریایی اشاره کرد.غلظت سولفات در مواد رسوب کرده حتی در مناطقی که سهم کوچکی از توزیع سوخت های فسیلی دارد، بالاتر از 10 میلی گرم بر لیتر می باشد،منابع احتمالی اینچنین غلظت هایی از سولفور شامل آتشفشان ها، چشمه های آب گرم و همچنین فعالیت بیولوژیک در خاک می باشد.غلظت های سولفات آب های اکسید شده معمولا در گستره ی 5 تا 30 میلی گرم بر لیتر می باشند.
منابع اصلی سولفید در آب شامل فعالیت های آتشفشانی زیر دریا، تجزیه مواد آلی و فعالیت های باکتری ها می باشد.در یک گستره ی زیاد،چرخه ی سولفور در آب های طبیعی به فعالیت های باکتریایی وابسته بوده و احیا ترکیبات سولفور بدون تجزیه ی باکتریایی بسیار کند پیش می رود.مقدار سولفید در آب های طبیعی تقریبا پایین است.H2Sاز تجزیه مواد آلی آزاد شده و تحت شرایط اکسیداسیون به سرعت اکسید و بلافاصله تحت شرایط احیا به شکل سولفید نامحلول واکنش می دهد.آب های آلوده یا مناطق باتلاقی طبیعی دارای تجزیه ی بالای مواد آلی یا تعدادی از منابع آب های زیرزمینی بی هوازی می توانند حاوی مقدار زیادی از H2Sباشند که باعث ایجاد بوهای نامطبوع می گردد.سولفات ها برای ساختمان ها و لوله های بتونی و لوله آزبست – سیمان خورنده بوده و برای زندگی گیاهان مضر می باشد.سولفات در غلظت کم (کمتر از 350 میلی گرم بر لیتر) دارای خورندگی کم، و در غلظت بالاتر از 1000 میلی گرم بر لیتر دارای خورندگی زیاد است.آب های کشاورزی حاوی سولفات در غلظت های بالاتر از 500 میلی گرم بر لیتر برای حیات گیاهان مضر می باشد.
تصفیه آب وآنیون های معدنی
