تصفیه آب و فاضلاب

آب مایه حیات است. شصت و هفت درصدوزن بدن انسان را آب تشکیل می دهدکه حدود نیمی ار آن در سلول های بدن و باقیمانده آن در خون و سایر مایعات بدن یافت می شود.آب مواد غذایی و همچنین موادی را که بایند دفع شوند در بدن جابجا می کند . اکسیژن هوا به وسیله ی هموگلوبین خون از ششها به سلول های بدن می رسد.غذایی که می خوریم در محیط آبی هضم می شود و محصولات هضم غذا بوسیله خون به سلول ها می رسند و محصولات غیر مفید تنفس سلول ها به وسیله ی خون به عضوهایی که برای دفع آنها نقش دارند،منتقل می شوند.آب تنها ماده ای است که در شرایط عادی موجود در زمین به هر سه حالت جامد،مایع و گاز یافت می شود .آب خالص ماده ای بیرنگ ،بی بو و عملاًبی طعم است،در C100(درفشار یک جو می جوشد) و در C0منجمد می شود.آب در رودخانه ها دریاها دریاچه ها و اقیانوس ها وجود داردو به صورت برف و یخ نیز نواحی قطبی و قله های کوههای بلند را می پوشاند.

خواص فیزیکی آب

دماهای ذوب و جوش آب و چند ماده مولکولی دیگر که وزن مولکول های آنها به هم نزدیک استدرزیر داده شدهاست.به طوری که ملاحظه می کنید دماهای ذوب و جوش آب به میزان قابل توجهی از سایر مواد مولکولی بیشتر است .علت آن را باید در ساختارو پیوندهای مولکول آب جستجو کرد.

 

خاصیت قطبی آب

برای نشان دادن خاصیت قطبی مولکولهای آب چنانچه یک شانه پلاستیکی را به موهای خشک خود کشیده اید یا میله ای را که بر اثر مالش بار دار شده است به جریان بار یک و مداوم آب از شیر آزمایشگاه مطابق شکل نزدیک کنید مشاهده می کنید که جریان آب منحرف می شود زیرا مولکول های قطبی آب به سمت بار الکتریکی ساکنی که در شانه یا میله ایجاد شده است جذب می شود.

 

تجزیه الکتریکی آب

آب ترکیبی از هیدروژن و اکسیژن است و اجزای تشکیل دهنده ی آن را می توان با عبور دادن جریان برق از درون آب معین کرد . این عمل الکترولیز نامیده می شود .الکترولیز آب در ظرفی به نام ولتا متر انجام می گیرد.الکترود های ولتامتر را به دوسر یک باتری مناسب وصل می کنیم.الکترودی که به قطب مثبت باطری وصل می شود آند و الکترودی که به قطب منفی وصل می شوت کاتد نامیده می شود.

آب مقطر جریان آب را از خود عبور نمی دهداز این رو باید مقداری محلول سود یا اسیدسولفوریک به آن بیفزاییم و به هم بزنیم نا جرریا عبور کند.حباب های گاز روی الکترودها ظاهر می شود و گازها زیر لوله ها ی پر از آب روی الکترود ها جمع می شوند .آزمایش نشان می دهد که مقدار سود یا اسید تغییر نمی کند،یعنی گازها از تجزیه آب بدست می آیند .حجم گاز در کاتد تقریباًدو برابر حجم گاز دز آند است.

گازهایی که در لوله ها جمع می شوند،یکسان نیستند.در آند گازی بیرنگ بدست می آید و یک چوب کبریت نیم افروخته در آن شعله ور می شود. این گاز اکسیژن است.

 

در کاتد گازی بیرنگ بدست می اید که در مجاورت هوا به کمک شعله می سوزدو انفجار کوچکی تولید می کند.این گاز هیدروژن است

اکسیژن و هیدروژن را که از الکترولیز آب بدست می آیند ،می توان باهم ترکیب کرد و دوباره آب بوجود آورد.آزمایش ترکیب شدن این دو گاز را در دستگاهی به نام آب سنج انجا ممی دهند.این دستگاه از یک لوله با جدار ضخیم تشکیل شده است که در آن دو میله فلزی برای عبور جریان برق و ایجاد جرقه قرار دارد.این لوله بر روی تشتک پر از جیوه واژگون می کنند.

برای انجام دادن آزمایش ،10 میلی لیتر اکسیژن و 20 میلی لیتر هیدروژن را وارد آب سنج کرده کرده جریان برق را وصل می کنیم .باایجاد جرقه واکنش بین این دوگازانجام میشودوجیوه

درلوله بالا می رودوآب به صورت قطره هایی برجدارلوله می نشیند.

با دانستن این که از تجزیه آب 2 حجم هیدروژن و 1 حجم اکسیژن بدست می آید و تشکیل آن نیز همین نسبت حجمی مصرف می شوند،می توان نسبت حجمی این دو عنصر را در آب حساب کرد. فرض کنیم که در تجزیه آب یک لیتر اکسیژن و دو لیتر هیدروژن درشرایط متعارفی آزاد شده باشد . یک لیتر هیدروژن089/0گرم و یک لیتر اکسیژن 924/1 گرم وزن دارد.در نتیجه نسبت وزنی اکسیژن به هیدروژن 871/0:934/1یا1:8 است.یعنی در تشکیل آب یک قسمت وزنی هیدروژن و 8 قسمت وزنی اکسیژن لازم است.

آب به عنوان حلال

یکی از خواص قابل توجه آب توانایی آن در حل مواد دیگر است . پاره ای از نمک ها مانند کلرید سدیم در آب حل می شوند.علت حل شدن موارد جامد یونی در آب اثر جاذبه مولکولهای قطبی آب برای یون های مثبت و منفی تشکیل دهندهی شبکه بلور است.به این ترتیب مولکول های آب به درون شبکه بلور نفوز می کنند و بر نیروهایی که یون ها را در شبکه در شبکه بلور به یکدیگر متصل نگهداشته اند غلبه کرده یون ها را از هم جدا می کنند.به طوری که یون ها در آب حل می شوند . یون های مثبت و منفی به وسیله لایه ای از مولکول ها ی آب احاطه می شوندو این گونه یون های آب پوشیده می نامند.در مقابل آن دسته از مواد جامد یونی که انحلال پذیرند،مواد مولکولی غیر قطبی مانند نفت و بنزین در آب (که قطب است)حل نمی شوند.

 

گاز ها نیز درآب انحلال پذیرند اما وقتی محلول بیشتر گاز ها در آب را می جوشانیم گاز ها از آن خارج می شوند. گازهایی مانند اکسیژن و نیتروژن به مقدار کم در آب حل می شونداما همین مقدار کم اکسیژن برای آبزیان مهم است .دی اکسید کربن در آب به نسبت خوب حل می شوند و در اثر انحلال در آب باران محلولی می دهدکه اندکی اسیدی است.در شهر های بزرگ و مناطق صنعتی در نتیجه استفاده از زغال سنگ،کک یا مواد نفتی گوگرد دار مقادیر زیادی دی اکسید گوگرد به وجود می آید.انحلال پذیری این گاز در آب باران زیاد است و محلول اسیدی می دهد.ذره های کربن (دوده)موجود در هوا می توانند بخار آب و گاز های اسیدیبه خود جذب می کند در نتیجه در درون این ذره ها ی کربن غلظتهای موضعی بالایی از اسید به وجود می آید.گاز های دیگر به ویژه اکسیدهای نیتروژن،از تخلیه الکتریکی میان ابر ها یا از واکنش اکسیژن و نیتروژن در موتور اتوموبیل ها حاصل می شوند،نیز ممکن است در آب باران موجود باشند.اسن گازهای اسیدی به سنگ بنا ها آسیب می رسانندو خوردگی آهن را سریعتر می کند.

چرخه آب در طبیعت

چهار پنجم از سطح زمین پوشیده از آب است اما تنها 3 درصد به صورت آب شیرین است. آب رودخانه ها که درصد کمی از کل آب را تشکیل می دهد بخشی است که بیشترین مورد مصرف انسان قرار می گیرد.آب از سطح در یاها و اقیانوس ها بخار می شود و بخار آب بوسیله جریان باددر سطح زمین جابجا می شود. بخار آب نامئی با تبدیل شدن به قطره های بسیار کوچک آب،ابر را بوجود می آوردو این قطره ها بر اثر سرد شدن سرانجام به صورت برف یا باران فرو می ریزند.آب باران یا آب حاصل از ذوب شدن برف ، خاک را مرطوب می کند و رودخانه ها را پرمی کند.آب با نفوذ در خاک مقداری مواد حل شدنی آن را حل می کند و با خود می برد.آب بیستر رودخانه ها به دریا می ریزد از این رو دریا انباری از مواد شیمیایی است.

آب سخت

سختی آب معمولاًمربوط به وجود یونهای کلسیم است.کربنات کلسیم در آب حل نمی شود اما آب باران که دارای مقداری دی اکسید کربن باشد می توان سنگهای آهکی را در خود حل کند.در این واکنش کربنات هیدروژن کلسیم تشکیل می شود که انحلال پذیر است:

 

این واکنش برگشت پذیر است و چنانچه آب را بجوشانیم کربنات کلسم از نو حاصل می شودو این همان رسوب سفید رنگی است که در کتری یا دیگ بخا ر مشاهده میشود:

 

چند یون فلزی که به طور عمده یون های کلسیم،منیزیم و آهن باشند تولید سختی می کنند.این یون ها با صابون یا با بعضی شوینده ها واکنش می دهند. صابون معمولی با یون کلسیم تولی رسوب می کنند . از این رو صابون در /اب سخت به خوبی کف نمی کند و برای انجام دادن شست و شو باید مقدار صابون بیشتری به کاربرده شود در ضمن پارچه هم لک می شود.

چنانچه سختی آب مربوط به یون های کلسیم و منیزیم به صورت نمک انحلال پذیر کربنات هیدروژن باشد ان را سختی موقتی می نامند و این نوع سختی با جوشاندن آب و تشکیل نمکهای انحلال نا پذیر کربنات کلسیم و کربنات منیزیم بر طرف می شود.یکی از روش های ملایم کردن آب استفاده از روش تقطیر است ،دستگاهی که در آزمایشگاهها برای تقطیر به کار می رود . این دستگاه شامل بالن با لوله جانبی برای جوشاندن آب،یک خنک کننده برای خنک کردن بخارآب و یک بالن تخت برای جمع آوری آب مقطر است . این روش تقطیر نسبتاًگران است و معمولاً در مقیاس وسیع به کار برده نمی شود. یکی از موارد مصرف آب مقطر در پزشکی و داروسازی برای تهیه آمپولها و سرم هاست.روش دیگری که برای ملایم کردن آب بکار می رود شامل اضافه کردن کربنات سدیم است . کربنات سدیم در آب به طور کامل جدا می شود و یون های کربنات آن با یون های کلسیم و منیزیم موجود در آب ترکیب شده به صورت رسوب جدا می شوند.

 

کشش سطحی آب

به طوری که قبلاً دیدیم مولکول های آب خاصیت قطبی دارند و یکدیگر را جذب می کنند.در زیر سطح آب هر مولکول از هر جهت تحت تاثیر نیروهای جاذبه ی مولکولهای دیگر است اما مولکول های موجود در سطح تحت تاثیر کششی از سمت بالا نیستند . نتیجه ی آن که مولکول های سطح آب به وسیله ی مولکول هایی که در زیر آنها قرار دارند به سمت درون کشیده می شوند و این درست مثل این می ماند که روی آس ((پوست نازکی))وجود دارد . این پوست نازک سبب می شود که آب نتواند به خوبی در پارچه نفوز کند و آن را تر کند. اما اگر بخواهیم چیزی را بشوییم باید کاملاً((تر))شود . درنتیجه برای بالا بردن قدرت تر کنندگی آب باید ماده ای اضافه کرد تا پوست نازک آب را سست کند.صابون و شوینده های سنتزی می تواند این کار را انجام دهند.

 

تصفیه آب طبیعی

برای تامین آب آشامیدنی شهر های بزرگ ابتدا آب رودخانه ها را در حوضهای بزرگ زخیره می کنند بر اثر تابش نور خورشید بسیاری از باکتریهای مولد بیماری ها که در آب موجودندکشته میشوند.آب دارای مواد ریز کلوییدی است که منشا آنها به طور عمده خاک رس است . این ذره ها باره الکتریکی دارند و یکدیگر را دفع می کنند و از این رو به صورن معلق انداین ذره ها در این حوض ها به کندی ته نشین می شوند . برای تسریع در ته نشین شدن ذره های کلوییدی می توان ترکیب های آلومینیم به آن افزود این یون ها ذره های کلوییدی را خنثی کرده ته نشین می شوند.

عیب زخیره کردن آب در حوض این است که گاهی جلبک ها در آن رشد می کنند و رشد آنها سبب برگشتن طعم آب می شوند.برای جلوگیری از رشد جلبک ها سولفات مس اضافه می کنند ول مقدار آن خیلی کم باید باشد چون که مقدار زیاد آن موجب مسمومیت انسان میشود.

آب را پس از حوض ته نشینی از روی صافی شنی عبور می دهند و در مرحله بعد باکتری های باقیمانده را با کلر زدن از بین می برند . در انجام دادن این کار باید دقت شود زیرا زیرا اگر مقدار کلر از 1/0 قسمت در میلیون قسمت باشد باکتری هارا نمی کشد و اگر بیش از یک قسمت در یک میلیون قسمت باشد آب بد مزه می شود. نسبت کلر مصرف شده را بر حسب فصول سال و احتمال شیوع بیماریها ی منتقل شده بوسیله ی آب ، کم و زیاد می کنند.

آلودگی های آب

آب جاری در جویها و آبی که در منازلپس از مصرف در آشزخانه ،حمام،توالت وارد فاضلاب می شود ،آلوده است و در شهر های بزرگ که از سیستم فاضلاب شهری استفاده می شود لازم است که آب را پیش از رها کردن به رودخانه ها یا برای مصارف کشاورزی ؤتصفیه کنند،تصفیه فاضلاب شهری در سه مرحله صورت می گیرد.مرحله اول شامل حذف مواد جامد است برای این منظور از تورهای سیمی استفاده می شود تا تکه های چوب و کهنه جمع آوری شوند . پس از آنکه فاضلاب را با سرعت کم در کانالهایی وارد می کنند تا ذره های نخاله و شن آن ته نشین شوند سرانجام در مخزن های بزرگی نگه می دارندتا در آنجا مواد جامد باقیمانده ته نشین شوند . به این ترتیب در ته مخازن لجن جمع می شود که از آن با استفاده از باکتری های غیر هوا زی گاز متان برای مصرف سوخت تولید می کنند . مرحله دوم شامل حذف مواد آلی زائد است .برای این منظور فاضلاب را از روی یک بازوی گردان روی بستری از شن های درشت می پاشند این فاضلاب قطره قطره از لا به لای دانه های درشت شن رد می شوند باکتری های هوازی در سطح شن ها رشد می کنند و در معرض هوا از فاضلاب تغذیه می کنند و به این ترتیب ماده ی آلی به نیتراتها،فسفاتها و گازهایی مثل دی اکسید کربن شکسته می شوند.آبی که از این بستر خارج می شود پس از عبور از مخزن ته نشینی و سپس کلر زنی خلوص آن در حدی است که به رودخانه هدایت می شود یا برای آبیاری به کار می رود. مرحله سوم شامل حذف نیترات ها و فسفات هاست.این نا خالصی های انحلال پذیر برای گیاهان مادهی غذایی مناسبس به شمار می رودو از این رو موجب رشد بیش از حد جلبک ها می شوند در این صورت با مصرف اکسیژنحل شده درآب زندگی آبزیان از جمله ماهیها به مخاطره می افتد. در پودر های شوینده نیز از فسفاتها استفاده می شود و این امر به نوبه خود به افزایش مقدار فسفات در فاضلاب کمک می کند.

مقادیر زیادی کودهای نیتروژن دار و فسفر دار در زمین های کشاورزی به کار می رود.آب باران مقادیری از این مواد را با خود به رودخانه ها و آبهای زیرزمینی می برد وموجب آلودگی این آبها می شود.

کار خانه های تولید مواد شیمیایی اجازه ندارد فاضلاب کارخانه را به سیستم فاضلاب شهری یا رودخانه سرازیر کنند.