مقدمه

مهندسي بهداشت شاخه اي از مهندسي است که حفاظت محيط زيست از اثرات سوءناشي از فعاليت هاي انسان حفاظت جوامع انساني از عوامل سوء زيست محيطي و بهتر نمودن کيفيت محيط براي سلامتي و رفاه انسان را به عهده دارد . همانطور که در تعريف بالا نهفته است انسانها در تماس با محيط زيست گاهي اثر سوء بر آن گذاشته و گاهي نيز در اثر آلودگي هاي موجود در محيط ضرر مي بينند . شناخت طبيعت محيط و اثرات متقابل محيط و انسان مقدمه لازمي براي شناخت وظيفه مهندس بهداشت محيط است .
آب به عنوان حلال عمومي موسوم است و پارامترهايي شيميايي به قدرت حل کنندگي آب مربوط مي شود کل جامدات محلول قليائيت (Alkalinity) سختي فلورايدها ، فلزات ، مواد آلي و مواد مغذي ، پارامترهاي شيميايي مورد توجه در کيفيت آب به شمار مي روند . يادآوري بعضي اصول اوليه شيمي مربوط به محلولها که در زير آورده مي شود به فهم بحث بعدي در مورد پارامترهاي شيميايي کمک خواهد کرد .

شيمي محلولها

اتم کوچکترين واحد عناصر به شمار مي رود ، اتمها اجزاء ساختماني هستند که از انها مولکول هاي عناصر و ترکيبات ساخته مي شود . به عنوان مثال ، بر اثر ترکيب دو اتم هيدروژن با هم مولکول هيدروژن تشکيل مي شود .
H + H = H2
با اضافه شدن يک اتم اکسيژن به مولکول هيدروژن يک مولکول آب تشکيل مي شود .
H2 + O = H2O
جرم نسبتي اتم عناصر ، بر اساس جرم 12 براي کربن تعيين شده است ، جمع جرم اتم تمامي اتم هاي موجود در يک مولکول ( جرم مولکولي ) آن مولکول ناميده مي شود .
جرم اتمي هيدروژن 1 و جرم اتمي اکسيژن 16 است . بنابراين جرم مولکولي هيدروژن 2 و جرم مولکولي آب 18 مي باشد . يک مول (Mole) هر عنصر يا ماده مرکب جرم مولکولي آن ماده است که بر حسب واحدهاي معمولي جرم همانند گرم گزارش مي شود . يک مول هيدروژن 2 گرم است . در صورتي که يک مول اب 18 گرم مي باشد ، اگر يک مول از ماده اي را در آب حل کنيم و حجم محلول را به يک ليتر برسانيم محلول به دست آمده را « محلول يک مولار » مي نامند .
پيوند عناصر در يک ترکيب بعضي مواقع به وسيله نيروهاي الکتريکي ناشي از انتقال الکترون ها صورت مي گيرد وقتي که اين ترکيبات در آب تجزيه مي شود بارهاي الکتريکي مختلف توليد مي شود به عنوان نمونه کلريد سديم را مي توان نام برد :
NaCl Na + Cl
گونه هاي باردار « يون » ناميده مي شوند . يون هاي با بار مثبت به کاتيون « Cation » و يونهاي با بار منفي به آنيون « Anion » معروف هستند . تعداد بارهاي مثبت و منفي بايستي مساوي باشد تا خصوصيت خنثي بودن الکتريکي ترکيب شيميايي حفظ شود . تعداد بارهاي هر يون به ظرفيت « Valence » آن يون معروف است . بدين طريق ، ظرفيت سديم « Valence » آن يون معروف است . بدين طريق ظرفيت سديم « Na+ » يک است . در صورتي که ظرفيت کلسيم « Ca2+ »دو مي باشد . بعضي از ترکيبات موسوم به راديکالها نيز داراي بار الکتريکي هستند . نمونه اي از راديکال کاتيوني آمونيوم « NH4 + » مي باشد در صورتيکه کربنات « CO3 » راديکال آنيوني مي باشد . وقتيکه يونها يا راديکالها با همديگر واکنش انجام مي دهند ترکيبات جديدي تشکيل مي دهند . واکنش ها ممکن است بر اساس يک – به يک چنانکه در مورد کلريد سديم ديديم پيش نروند . در اين حال اين واکنش ها بر اساس تعادل يا اکي والانس « equivalence» که به خنثائي الکتريکي مربوط است جلو مي روند . از نظر فني ، تعادل هر عنصر يا راديکال به تعداد اتمهاي هيدروژني گفته مي شود که عنصر راديکال قادر به نگهداري در ترکيب يا قادر به جابجا کردن در واکنش باشد در اکثر موارد اکي والانس يک يون مساوي با ارزش مطلق ظرفيت آن است . مقدار معادل يا اکي والانت « equivalent» هر عنصر يا راديکال جرم وزني وملکولي آن بر حسب گرم ، تقسيم بر اکي والانس « equivalence » آن مي باشد ميلي اکي والان جرم مولکولي گزارش شده بر حسب ميلي گرم ، تقسيم بر اکي والانس است و غالباً در شيمي آب مفيدتر است به خاطر اينکه غلظت مواد محلول غالباً در محدوده ميلي گرم در ليتر مي باشد .
بسياري از مواد جامد ، خصوصاً آنهايي که ساختار بلورين دارند ، به سادگي در آب يونيزه مي شوند . آب ممکن است در اين فرايند ماده واکنش کننده باشد و يا نباشد .
در معادلهA اب واکنش کننده است ، در صورتي که در معادله B نيست :
A ) CaO + H2O                Ca2 + 2OH
B ) NaCl + H2O          Na + Cl + H2O
وقتي که آب واکنش کننده نيست ، آن را از معادله حذف مي کنند . فلشهاي دوطرفي در معادله B نشان دوطرفه بودن واکنش است . اين به اين معني است که شکل جامد (NaCl) ممکن است به اجزاي يوني خود تجزيه شود (انحلال) يا اجزاي يوني ممکن است ترکيب شده و فرم جامد را تشکيل دهند ( رسوب ) . وقتي که ماده ماده جامد در اولين لحظه با آب برخورد مي کند ، جهت واکنش خالص (کل برآيند) به طرف فرم يوني است . در صورت وجود مقدار کافي جرم جامد ، حالت تعادل ديناميک که در آن ، درجه انحلال و درجه رسوب دقيقاً مساوي است برقرار مي شود . در اين نقطه ، آب با گونه هاي حل شونده اشباع شده است .

منابع

مواد محلول از خاصيت حل کنندگي آب بر روي جامدات ، مايعات و گازها پديد مي آيند . مواد محلول ممکن است همچون مواد معلق ، آلي و يا غيرآلي باشند . مواد غيرآلي که در آب محلولند شامل مواد معدني ، فلزات وگازها مي باشند . آب ممکن است با اين مواد در اتمسفر ، روي سطوح ، و در خاک تماس پيدا کند . مواد حاصل از تجزيه گياهان ، مواد شيميايي آلي و گازهاي آلي ، اجزاي محلول آلي آب هستند . قدرت حلاليت آب ، آن را وسيله ايده آلي براي حمل مواد زائد از اماکن صنعتي و خانه ها مي کند .اثرات بسياري از مواد محلول در اب نامطلوب هستند . مواد معدني محلول ، گازها و اجزاي آلي ممکن است باعث توليد رنگ ، طعم و بوي ناخوشايند بشوند . بعضي از مواد شيميايي ممکن است سمي و بعضي از مواد محلول آلي سرطانزا مي باشند . غالباً دو يا چند ماده محلول ( خصوصاً مواد آلي و اعضاي گروههاي هالوژنها) ترکيب شده و باعث تشکيل ترکيبي مي شوند که خاصيت مورد اعتراض تري از هرکدام از مواد اوليه دارند . همه مواد محلول در آب ، نامطلوب نيستند . به عنوان نمونه ، آب تقريباً خالص مقطر طعم بيمزه دارد . به علاوه ، آب با در نظرگرفتن اجزاي محلول حالت تعادلي دارد . آب اشباع نشده حالت خورندگي ( Corrosive) دارد و به سادگي موادي را که با آن تماس پيدا مي کنند حل مي کند . براي کاهش تمايل آب در ايجاد خوردگي در لوله ها و ملزومات ، در بعضي مواقع به آب نسبتاً خالص ماده اي که به راحتي در آب قابل حل است ، اضافه مي شود .

تعادل يون

يونهايي که در اکثر سيستمهاي ابي طبيعي در اندازه گيري TDS مشاهده مي شود ، در جدول زير آورده شده است . آنهايي که در قسمت اجزاي اصلي ليست شده ، غالباً براي مشخص کردن ميزان جامدات محلول آب ، کافي بوده و اينها «يونهاي معمول» (Common Ions) ناميده مي شود و اغلب تک تک اندازه گيري شده و سپس برحسب اکي والان جهت نمايش تقريبي TDS جمع زده مي شود . جهت کنترل ، جمع آنيونها بايد مساوي جمع کاتيونها باشد ، زيرا خنثايي الکتريکي بايد حفظ شود . مقدار عمده عدم تعادل به معني اين است که اجزاي ديگري وجود دارد يا اشتباهي در آناليز يک يون يا بيشتر ،رخ داده است .

Secondary constitiuents 0.01-10.0mg/L	Major constituents 1.0-1000mg/L
Iron Strontium Potassium Carbonate Nitrate Fluoride Boron Silica	Sodium Calcium Magnesium Bicarbonate Sulfate Chloride

قليائيت :

قليائيت به مقدار يونهاي موجود در آب گفته مي شود که بر اثر واکنش با يون هيدروژن آن را خنثي مي کند . بدين طريق قليائيت ، ميزان توانايي آب براي خنثي کردن اسيدهاست .

منابع

اجزاي قليائيت در سيستمهاي آبي طبيعي شامل HPO4 ، H2PO4 ، HS ، NH3 ، CO3 ، HCO3 ، OH ، HSiO3 ، H2BO3 مي باشد . اين ترکيبات از انحلال مواد معدني خاک و اتمسفر حاصل مي شود . فسفاتها نيز ممکن است از پاک کننده هاي موجود در فاضلاب و از کودهاي شيميايي و حشره کش هاي مورد استفاده در زمينهاي کشاورزي ، سرچشمه بگيرد . سولفيد هيدروژن و آمونياک ممکن است حاصل تجزيه ميکروبي مواد آلي باشد .
اکثر قريب به اتفاق اجزاي قليائيت را بيکربنات ( HCO3) ، کربنات (CO3 ) ، و هيدروکسيد ( OH) تشکيل مي دهد . علاوه بر معدني بودن ريشه آنها ، اين مواد مي توانند از دي اکسيد کربن ( CO2) که جزئي از اتمسفر و حاصل تجزيه ميکروبي مواد آلي است سرچشمه بگيرند .

اندازه گيري

اندازه گيري قليائيت به وسيله تيتراسيون آب با اسيد و تعيين معادل هيدروژن آن صورت مي گيرد و سپس برحسب ميليگرم در ليتر CaCO3 گزارش مي شود . اگر در تيتراسيون از اسيد سولفوريک 0/02Nاستفاده شود ، يک ميلي ليتر اسيد ، 1 ميليگرم قليائيت بر حسب CaCO3 را خنثي مي کند . يونهاي هيدروژن اسيد با قليائيت طبق معادلات زير واکنش مي کنند .
H + OH          H2O
CO + H        HCO3
HCO3 + H      H2CO3
اگر اسيد به طور آهسته به آب اضافه شده و ph آب براي هربار افزودن يادداشت شود ، منحني تيتراسيون به دست مي آيد .
تغيير انحناهاي اين منحني که تقريباً درphهاي 3/8 و 5/4 اتفاق مي افتد از اهميت خاصي برخوردار است . تبديل کربنات به بي کربنات در ph برابر 3/8 تقريباً کامل است . در عين حال ، به دليل اينکه بيکربنات نيز نوعي از قليائيت است براي خنثي کردن کامل بايد مقدار مساوي اسيد اضافه شود . بنابراين خنثائي کربنات در ph برابر 3/8 فقط نيمه کامل است . به علت اينکه تبديل هيدروکسيد به آب در ph برابر 3/8 کامل است ، تمام هيدروکسيد و يک دوم کربنات در phبرابر 3/8 اندازه گرفته شده است . در ph برابر 5/4 تمام کربنات به اسيد کربنيک تبديل شده است . که شامل بي کربنات ناشي از واکنش اسيد و کربنات نيز مي شود . بدين طريق ، مقدار اسيد لازم براي تيتراسيون نمونه آب تا pH برابر 5/4 معادل قليائيت کل آب است . اين نکته در مثال زير شرح داده شده است .

منابع

يونهاي فلزي چند ظرفيتي که به حد وفور در آب طبيعي يافت مي شوند کلسيم و منيزيم مي باشند . از ديگر يونها ، آهن و منگنز در حالت احيا ، استرانسيوم و آلومينيوم را مي توان نام برد . دو يون آخري معمولاً در مقادير بسيار کمتري از کلسيم و منيزيم يافت مي شود و در عمل سختي به صورت جمع يونهاي کلسيم و منيزيم نمايش داده مي شود .

اثرات

مصرف صابون به وسيله آبهاي سخت داراي زيان اقتصادي براي مصرف کننده آب است . صابونهاي سديمي با کاتيونهاي چند ظرفيتي فلزي ، واکنش کرده و توليد رسوب مي کند ، و بدين طريق خاصيت کشش سطحي اش را از دست مي دهد .
تنها بعد از رسوب همه يونهاي سختي است که کف کردن (Lathering) صابون اتفاق مي افتد ، و در اين زمان گفته مي شود که آب به وسيله صابون « نرم » شده است . رسوب متشکل از سختي و صابون به ديواره وان حمام ، دستشويي و ماشين ظرفشويي چسبيده و ممکن است لباسها ، ظروف و ديگر اقلام را لکه دار کند . باقيمانده هاي رسوب سختي و صابون ممکن است در منافذ باقي بماند و حالت خشن نامساعد بر پوست باقي بگذارد . در سالهاي اخير ، اين مشکلات با پيدايش صابونها و شوينده هايي که با سختي واکنش نمي کند تا حد زيادي رفع شده است .
جرم گرفتن ديگ بخار در نتيجه رسوب سختي کربنات ممکن است موجب زيان اقتصادي قابل توجهي از طريق گرفتگي آبگرمکن ها و لوله هاي آب داغ شود . تغييرات ph در شبکه هاي آبرساني نيز ممکن است باعث ايجاد رسوب شود . بيکربناتها در pH بالاي 9 شروع به تبديل شدن به کربناتها (که قابليت حل شوندگي کمتري دارد ) مي کند . سختي منيزيم ، خصوصاً سختي مربوط به يون سولفات ، براي کساني که به آن عادت ندارند اثر مسهلي دارد . غلظت منيزيم کمتر از mg/L 50 در آبهاي آشاميدني مطلوب است ، اگرچه بسياري از منابع آبي همگاني از اين مقدار تجاوز مي کند . سختي کلسيم مشکل سلامتي ايجاد نمي کند . در حقيقت آب سخت ظاهراً براي سيستم گردش خون انسان مفيد است .

اندازه گيري

سختي را مي توان به وسيله روشهاي اسپروکتروفتومتري يا تيتراسيون شيميايي براي تعيين مقادير يونهاي کلسيم و منيزيم در يک نمونه اندازه گيري کرد .
همچنين مي توان مستقيماً با تيتراسيون کردن به وسيله EDTA (ethylenediamine tetraacetic acid ) و استفاده از EBT ( eriochrome black T ) به عنوان معرف اندازه گيري کرد .EBT با کاتيونهاي فلزي دو ظرفيتي واکنش کرده و کمپلکسي را که به رنگ قرمز است تشکيل مي دهد . EDTA جايگزين EBT در اين کمپلکس مي شود و وقتي که اين جايگزيني کامل شد ، محلول از قرمز به آبي تغيير رنگ مي دهد . اگر EDTA 0.01M استفاده شود ، 1.0mL از تيتر کننده ، يک ميليگرم سختي بر حسب CaCO3 را اندازه گيري مي کند .

فلورايد

فلورايد در طبيعت به طور کلي درچند نوع سنگ هاي رسوبي يا آتشفشاني يافت مي شود و به ندرت در مقادير زياد در آبهاي سطحي پيدا شده و فقط در چند نقطه جغرافيايي در آبهاي زيرزميني مشاهده مي شود و مقدار زياد فلورايد براي انسانها و حيوانات سمي است ، در صورتي که غلظتهاي کم مي تواند مفيد باشد . غلظتهاي حدود 1 mg/L در آب آشاميدني به جلوگيري از پوسيدگي دندانها در اطفال کمک مي کند . به هنگام تشکيل دندانهاي دائمي ، فلورايد با ميناي دندان به طريق شيميايي ترکيب شده و باعث ايجاد دندان سخت تر و قويتري مي شود که در برابر فساد مقاوم است . اگر به طور طبيعي فلورايد در آب جهت تشکيل دندانهاي سالم وجود نداشته باشد اين ماده به منابع آب اضافه مي شود .
مصرف بيش از حد فلورايد منجر به بي رنگ شدن دندان مي شود . بيرنگي قابل توجهي موسوم به خالدارشدن (Mottling ) در مواقعي که غلظت فلورايد در آب آشاميدني بيش از 2mg/L است ، به طور نسبي معمول است ، ولي در غلظتهاي کمتر از 1.5mg/L نادر است . دندانهاي بزرگسالان از اثر فلورايد مصون است ، اگرچه اثرات مفيد و مضر فلورايد در سالهاي تشکيل دندانها تا بزرگسالي ادامه پيدا مي کند . ميزان فلورايد بيش از حد مي تواند باعث ايجاد اختلالاتي در استخوانها نيز گردد . غلظت کمتر از 5mg/L مشکلي ايجاد نمي کند و غلظتهاي بالاتر از اين مقدار نيز بجز بروز لکه هاي سياه (خال زدگي) عارضه اي ايجاد نمي نمايد . به فرض مصرف آب بيشتر در مناطق گرمسيري ، استانداردهاي EPA براساس دماهاي معمولي وضع شده است .

فلزات

همه فلزات تا حدي قابل حل در آب هستند . اگرچه مقدار زيادي هر فلزي ممکن است سلامتي را به خطر اندازد ، ولي فقط آنهايي که در مقادير نسبتاً کم ، مضر هستند سمي قلمداد شده اند و ديگر فلزات در رده غير سمي قرار مي گيرند . منابع فلزات در آبهاي طبيعي شامل انحلال از رسوبات طبيعي و تخليه هاي فاضلاب شهري ، صنعتي يا کشاورزي مي باشد . اندازه گيري فلزات درآب معمولاً به وسيله نورسنجي اتمي صورت مي گيرد .

فلزات غير سمي

علاوه بر يونهاي سختي ، کلسيم و منيزيم ، ديگر فلزات غيرسمي که معمولاً در آب يافت مي شوند شامل سديم ، آهن ، منگنز ، آلومينيوم ، مس و روي است . سديم بيشتر از ديگر فلزات غيرسمي در آبهاي طبيعي وجود دارد ، در پوسته زمين فراوان است و نسبت به ديگر عناصر خيلي واکنش پذير است . نمکهاي سديم به مقدار زياد در آب قابل حل هستند . غلظتهاي زياد باعث ايجاد طعم تلخ در آب شده و سلامتي بيماران قلبي و کليوي را به خطر مي اندازد . سديم همچنين خاصيت خورندگي (Corrosive ) بر سطح فلزات دارد و در غلظتهاي زياد براي گياهان سمي مي باشد .
آهن و منگنز در اکثر موارد با يکديگر يافت مي شود و در غلظتهاي عادي در آبهاي طبيعي خطري براي سلامتي ندارد . آهن به مقدار 0.3mg/L و منگنز به ميزان 0.05mg/L مي تواند باعث ايجاد مشکل رنگ شود . به علاوه ، بعضي از باکتري ها از آهن و منگنز به عنوان منبع انرژي استفاده مي کنند و رشد توده لجن (Slime ) ايجاد شده ممکن است مشکلات طعم و بو بوجود آورد .
مقادير زياد آهني که در بعضي مواقع در سيستم آب طبيعي يافت مي شود ، معمولاً از نوع آنيونهاي کلرور(FeCl2 ) ، بيکربنات 2 (HCO3 )Fe يا سولفات (SO4 )Fe و در حالت احيا شده مي باشد . در حضور اکسيژن ، يون فروس (Fe2+ ) به يون فريک (Fe3+ )اکسيد شده و با هيدروکسيد يک ترکيب نامحلول { 3 (OH )Fe }تشکيل مي دهد . بدين طريق ، معمولاً مقادير زياد آهن فقط در سيستمهايي همچون آبهاي زيرزميني يا در لايه هاي پاييني درياچه طبقه بندي شده ، يافت مي شوند . همين طور ، يونهاي منگنز Mn2+ و Mn4+ از نوع کلرور ، نيترات و سولفات حل شونده هستند ، در صورتي که ترکيبات اکسيد شده (Mn3+ و Mn5+ )تقريباً نامحلول مي باشند . در عين حال ممکن است اسيدهاي آلي که از گياهان تجزيه شده مشتق مي شوند با آهن و منگنز کي ليت (Chelate )شوند و بدين طريق از اکسيد شدن و در نتيجه رسوب آنها در آبهاي طبيعي جلوگيري به عمل آيد .
ديگر فلزات غير سمي معمولاً در مقادير بسيار کمي در سيستم آبهاي طبيعي يافت مي شوند و اکثر آنها قبل از رسيدن به حد غلظت سمي مشکلات طعم ايجاد مي کنند . در عين حال ، مس و روي اثر تشديدکنندگي دارند و در مواقعي که هر دو موجودند ، حتي در مقادير کم ، براي بسياري از گونه هاي بيولوژيکي سمي هستند
منبع:http://www.academist.ir
/خ