در این مقاله قصد داریم شما را به صورت تخصصی و کامل با انواع ضدعفونی کننده های مورد استفاده در تصفیه آب صنعتی و خانگی آشنا نماییم. همچنین فاکتورهایی برای ضدعفونی کردن موثر را بیان خواهیم کرد. سپس فرآیند هر کدام از روش ها را تشریح می نماییم. و در آخر مزایا و معایب استفاده از مواد شیمیایی در تصفیه آب را برای شما تشریح خواهیم نمود. پس تا انتهای مقاله با ما همراه باشید.
اهمیت آب
آب مایه حیات است. امروزه تمامی کشورهای جهان، آب را سرمایه ملی می دانند. پیش بینی می شود که در نیم قرن آینده، منابع آب شیرین از چاه های نفت هم با ارزش تر خواهند بود. در واقع 97 درصد از آب های موجود شور هستند و 2 درصد از آب ها به صورت یخ های قطبی می باشند و فقط یک درصد از منابع آب جهان، شیرین و قابل استفاده هستند.
در فرآیندهای صنعتی از آب به عنوان حلال یا ماده اولیه استفاده می شود. آب یکی از مشهورترین حلال هاست که تقریبا هر ماده تا اندازه ای در آب محلول است و این حلالیت به دما، فشار، pH، پتانسیل شیمیایی و غلظت نسبی دیگر مواد در آب بستگی دارد. خاصیت مهم آب، Cp بالای آب است. به همین علت به عنوان واسطه انتقال حرارت، در بسیاری از صنایع به کار می رود. بنابراین اغلب کارخانه ها با آب سر و کار دارند.
لزوم تصفیه آب
یکی از آلودگی های بسیار خطرناک منابع آب، آلودگی بیولوژیکی است. آب می تواند به انواع میکروارگانیسم ها اعم از انواع باکتری ها، انگل ها، قارچ ها و ویروس ها آلوده شود. چه برای مصارف آشامیدنی و چه برای مصارف صنعتی معمولا آب طبیعی، احتیاج به تصفیه دارد. در مهندسی شیمی بسیاری از فرآیندها همانند نمک زدایی، خشک کردن، تبخیر کردن، کریستالیزاسیون، اختلاط، رزین های تعویض یونی، رطوبت زدایی، جذب سطحی و غیره در ارتباط با آب هستند. تصفیه آب به دو صورت امکانپذیر است:
- حذف یا کاهش ناخالصی های آب در تصفیه خانه (تصفیه خارجی)
- افزایش مواد کمکی به آب در محل مصرف (تصفیه داخلی)
انواع ضدعفونی کننده ها
روش های گوناگونی برای ضدعفونی کردن منابع آب وجود دارد که به طور کلی به دو دسته شیمیایی و فیزیکی تقسیم می شوند:
- آن هایی که با واکنش شیمیایی عمل ضدعفونی کردن را انجام می دهند. مثل کلر، ازون، دی اکسید کلر، برم، ید و …
- آن هایی که فیزیکی عمل می کنند مثل فیلتراسیون و پرتودهی
مکانیزم کار ماده ضدعفونی کننده ممکن است به دو صورت زیر عمل کند:
- اکسیداسیون یا پاره کردن دیواره سلول و نهایتا تجزیه میکروارگانیسم
- نفوذ به داخل سلول و اختلال در فعالیت سلولی
ثابت شده است که درجه عملکرد یک ماده ضدعفونی کننده به پتانسیل استاندارد آن بستگی دارد. می دانید که ازون (اوزون) در مقایسه با دیگر ضدعفونی کننده ها موثرتر به نطر می رسد. اما اگر مکانیزم نفوذ به داخل سلول موثر باشد در آن صورت وزن مولکولی نقش بازی می کند چون ضریب نفوذ با وزن مولکولی نسبت عکس دارد.
فاکتورهای موثر در عملکرد ضدعفونی کننده
عملکرد یک ماده ضدعفونی کننده، تابع پیچیده ای از چندین متغیر چون نوع و مقدار ماده مورد نظر است. همچنین تابع نوع و غلظت میکروارگانیزم، زمان تماس و کیفیت آب می باشد. بنابراین در بسیاری از موارد، بهترین کار برای انتخاب ماده ضدعفونی کننده مناسب، مطالعه آزمایشگاهی می باشد. به ویژه برای تعیین مقدار مورد نیاز از ماده ضدعفونی کننده برای آب خالص، این مطالعه ضروری است چون تابعی از کیفیت آب است. و البته مقدار مورد نیاز باید به اندازه ای باشد که تغییرات محتمل در کیفیت آب تا محل مصرف را هم شامل شود. مقدار مورد نیاز ماده ضدعفونی کننده به زمان تماس هم بستگی دارد که این زمان به سرعت واکنش مربوط می شود.
اثر کیفیت آب
کیفیت آب ورودی از جمله کدریت، مواد آلی، pH و دمای آب در عملکرد ضدعفونی کننده، موثر است. تحقیقات نشان داده ذراتی که عامل کدریت هستند می توانند همچون سپری، میکروارگامیسم ها را در برابر اثر ماده ضدعفونی کننده محفوظ دارند. مواد آلی با چسبیدن به سطح سلول می توانند باعث کاهش تاثیر ماده ضدعفونی کننده شوند. و به علاوه ترکیب ماده ضدعفونی کننده با ماده آلی، ممکن است منجر به ترکیباتی شود. که خاصیت میکروب کشی کمتری داشته و یا اصلا خاصیت میکروب کشی نداشته باشند.
ترکیباتی مثل آهن، منگنز و هیدروژن سولفوره به خاطر آن که به راحتی اکسیده می شوند، به علت مصرف ماده ضدعفونی کننده، باعث کاهش راندمان می شوند. مواد ضدعفونی کننده چون کلر ابتدا با این گونه ترکیبات معدنی واکنش می دهند. و سپس در حذف میکروارگانیزم ها شرکت می کنند. از این رو وجود این ترکیبات نیاز بیشتر به کلر را باعث می شوند.
فواید و مضرات آب تصفیه شده
چون pH آب می تواند در نوع واکنش ماده ضدعفونی کننده اثر بگذارد، از این رو در عملکرد آن در از بین بردن باکتری ها موثر است. مثلا موثرترین فرم کلر برای باکتری کشی، فرم اسید هیپوکلریت می باشد که محیط مناسب برای آن در pH های کمتر از 7 است. دمای آب در بعضی مراحل باکتری کشی که نفوذ ماده ضدعفونی کننده به داخل سلول اهمیت دارد. و به طور کلی، در سنیتیک واکنش نقش دارد.
مواد ضدعفونی کننده چون کلر و ازون می توانند با اکسیداسیون مواد آلی منشاء رنگ، در نهایت رنگ آب را حذف کنند. در طی فرآیند ضدعفونی کردن آب، ناخالصی های چندی در اثر ترکیب ماده ضدعفونی کننده با مواد آلی موجود در آب تولید می شود. مثلا کلر می تواند در شرایط تصفیه خانه به طور موثری مشتقات اسید هیومیک را به تری هالومتان ها تبدیل کند. تری هالومتان ها (THM) معمول ترین محصول فرعی حاصل از کلرزنی به آب های آشامیدنی هستند و غلظت آن ها از دیگر مواد آلاینده جانبی بیشتر است. بر حسب تعریف، تری هالومتان ها معرف ترکیبات مختلفی هستند که از جایگزینی اتم های هالوژن (F, Br,Cl,I) به جای هیدروژن مولکول متان، حاصل می شود.
ضدعفونی کننده کلر
کلر در اثر افزوده شدن به آب، هیدرولیز شده و تولید هیپو کلریت اسید و کلریدریک اسید می کند. pH آب تعیین می کند که کلر در آب به چند نوع وجود دارد. قدرت ضدعفونی کنندگی کلر، به نوع شیمیایی آن (–OCl یا HOCl) و نیز به pH، دما، مواد آلی موجود در آب و دیگر ویژگی های آب بستگی دارد. واکنش هیدرولیز کلر در محلول رقیق و در 4<PH به صورت کامل پیش می رود. هیپوکلریت اسید حاصله، اسیدی ضعیف بوده و ثابت تفکیک آن 8-10 × 2.5 مول بر لیتر در دمای °10C می باشد. آب اشباع از کلر در دمای حدود °10C جامد شده که به آن یخ اشباع از کلر با فرمول Cl2.8H2O می گویند. به همین دلیل آب کلردار باید در دمای بالای °10C نگه داشته شود.
فرآیند کلر زنی برای تصفیه آب
به علت سابقه طولانی کلر برای ضدعفونی کردن آب ها و فاضلاب ها، واژه کلرزنی با ضدعفونی کردن مترادف شده است. اما باید توجه داشت که هر چند کلر یکی از مواد مهم ضدعفونی کننده به حساب می آید، اما همواره به عنوان ضدعفونی کننده مصرف نمی شود. و نیز امروزه ضدعفونی کننده های دیگری هم مطرح هستند.
در تصفیه آب های آشامیدنی قبلا فقط از فیلترهای شنی استفاده می کردند، اما با کار پاستور و کخ در دهه 1870 که نشان دادند میکروب ها عامل بیماری هستند. و نیز کار کخ که به طور آزمایشگاهی نشان داد که کلر می تواند ویروس ها را بکشد. در اروپا استفاده مداوم از کلر زنی از سال 1905 و در آمریکا از سال 1908 در شیکاگو شروع شد. هر چند استفاده از کلر معمول ترین روش ضدعفونی کردن است. اما ازون زنی در فرانسه و آلمان، کانادا و شوروی سابق معمول است. در کشورهای اروپایی از دی اکسید کلر برای ضدعفونی کردن استفاده می شود.
واکنش هیدرولیز
با افزایش pH، مقدار (HOCl) نسبت به (–OCl) کاهش می یابد. تجزیه اسید هیپو کلریک به دما نیز بستگی دارد. به طوری که مقدار HOCl در یک pH خاص با افزایش دما کاهش می یابد. به طور کلی خاصیت ضدعفونی کنندگی اسید هیپوکلریک بیشتر از یون هیپوکلرات در کوتاه مدت است. ولی همان گونه که در سینتیک ضدعفونی کننده ها مشهود است این دو در دراز مدت اثر یکسانی دارند. در صورت حضور آمونیاک در آب، کلر با آمونیاک ترکیب شده و ترکیباتی موسوم به کلروآمین ها تولید می کنند که می تواند به سه صورت مونوکلروآمین NH2Cl، دی کلروآمین NHCl2 و یا تری کلروآمین NCl3 باشد.
در صنعت به کلر آزاد، اسید هیپوکلریت و یون هیپوکلرات مجموعا “کلر آزاد موجود” می گویند. ولی کلر به صورت کلروآمین ها را “کلر ترکیبی موجود” می نامند. تفاوت اصلی کلر آزاد موجود با کلر ترکیبی موجود در این است که کلر ترکیبی پایدارتر از کلر آزاد است هر چند که ضعیف تر از کلر آزاد ضدعفونی می کند. این نکته برای آب هایی که به کلر زیاد احتاج دارند اهمیت می یابد. برای این گونه آب ها حتی عملا مقداری آمونیاک به آب و یا فاضلاب تزریق می کنند تا قسمتی از کلر تزریقی به صورت کلر پایدار درآید. این که کدامیک کلروآمین ها تولید می شود بستگی به نسبت کلر به نیتروژن آمونیاکی و مقدار کلر مصرفی، دما، pH و قلیایت دارد.
نیتروژن تری کلراید
نیتروژن تری کلراید عامل اصلی ایجاد سوزش و تحریک چشم در آب های کلرزده استخرهای شنا است. واکنش های فوق در شرایطی ممکن است منجر به ترکیباتی شود که فاقد کلر هستند. بنابراین در اثر افزایش کلربه آبی که حاوی آمونیاک است، غلظت کلر باقیمانده در آب به صورت زیر تغییر می کند:
مقدار کلر تزریقی در فاصله a تا b صرف اکسید کردن موادی چون آهن و یا هیدروژن سولفید می شود. در فاصله b تا c کلر تزریقی با آمونیاک ترکیب می شود و تولید انواع مختلف کلروآمین ها می کند. در فاصله c تا d کلر تزریقی صرف اکسیداسیون کلروآمین ها می شود. به طوری که با تولید ترکیبات بدون خاصیت باکتری کشی چون N2 یا HNO3 عملا ارزش ضدعفونی کنندگی خود را از دست می دهد.
سپس در فاصله d به بعد، کلر تزریقی به آب تماما خاصیت ضدعفونی کنندگی دارد. و در اثر هیدرولیز به اسید هیپو کلریت یا یون هیپو کلرات تبدیل می شود. بنابراین غلظت کلر باقی مانده در آب در این فاصله به طور خطی متناسب با مقدار کلر تزریقی است. به نقطه d، نقطه شکست می گویند. در عمل سعی می کنند که غلظت کلر بعد از نقطه شکست 0.5ppm تا 1ppm باشد تا تضمینی برای بهداشتی بودن آب رسانی شهری باشد.
آب ژاول
اگر از آب ژاول برای ضدعفونی کردن استفاده شود، واکنش زیر انجام می شود:
چون اسید هیپوکلریت HOCl ضدعفونی کننده ای قوی تر از یون کلرات –OCl است از این رو ترجیح دارد که به همراه آب ژاول، اسید هم اضافه کنیم تا تولید HOCl شود.
لازم است به سه نکته در مورد ضد عفونی کنندگی توجه داشت:
- در اثر تزریق گاز کلر به آب و هیدرولیز آن، اسید تولید می شود. بنابراین اگر قلیاییت آب کم باشد، ممکن است باعث افت محسوس pH گردد.
- در اینجا منظور از کلر، گاز کلر است نه یون کلر. یون کلر هیچ نقشی در ضدعفونی کردن آب ندارد.
- بسیاری از باکتری ها و ویروس ها در شرایط pH بالاتر از 10 و یا پایین تر از 3 قادر به ادامه حیات نیستند، از این رو در واحد آهک زنی که pH به حدود 10.5 افزایش می یابد. بسیاری از باکتری ها و ویروس ها از بین می روند.
آب فنل
اگر در آب فنل باشد در اثر ترکیب کلر با فنل ماده کلروفنل با بوی ناخوشایند تولید می شود. وجود مواد آلی زیاد در آب و فاضلاب، استفاده از کلر را برای ضدعفونی کردن مشکل تر و غیر قابل توصیه می کند. چون در اثر ترکیب با مواد آلی، تولید ترکیباتی می کند که بسیار پایدار هستند. به طوری که این مواد آلی کلردار در بافت های چربی ماهیانی که از این آب استفاده می کردند مشاهده شدند. در چنین شرایطی قبل از کلرزنی باید با ازون یا پرمنگنات مواد آلی را اکسیده کرد. از این رو بهترین شرایط برای استفاده از کلر به عنوان ضدعفونی کننده وقتی است که آب عاری از موادی باشد که با مصرف کلر برای اکسیداسیون خود، مقدار کلر مورد نیاز را افزایش می دهند.
اگر شما دور از مراکز تولید کلر هستید و یا مصرف کلر شما خیلی کم است می توانید از کلر جامد استفاده کنید که همان کلسیم هیپوکلرات Ca(OCl)2 یا پرکلرین است. و یا می توانید از مایع کلردار (نه کلر مایع) استفاده کنید که همان آب ژاول به فرمول NaOCl است. کار با کلر جامد و یا مایع کلر به مراتب ایمن تر و آسان تر از کار با گاز کلر است هر چند قیمت پرکلرین چند برابر کلر است.
آب اکسیژنه
در سال 1985 یک پژوهشگر آلمانی موفق شد که ضدعفونی کننده جدیدی براساس آب اکسیژنه بسازد. که در سال 2001 با نام تجاری “Huwa San” به بازار عرضه شد. این ماده ضدعفونی کننده در واقع آب اکسیژنه فعال پایدار شده می باشد که مایعی بی رنگ و بی بو و محلول در آب است. آب اکسیژنه در حالت معمولی به آهستگی ولی به طور خود به خودی در نهایت به آب و اکسیژن تجزیه می شود. بنابراین قابل ذخیره سازی و بسته بندی نیست.
ما در این محصول آب اکسیژنه با ذرات کلوئیدی نقره فعال و پایدار می شود به طوری که تا دو سال قابل ذخیره سازی است بدون آن که تجزیه شود. در اثر تماس با مواد آلاینده (چون باکتری ها و ویروس ها) آب اکسیژنه معمولی تقریبا به طور کامل و سریع به آب و اکسیژن تجزیه می شود. محصولات واسطه ای که تولید می شود کم انرژی بوده و قادر به تخریب باکتری ها و ویروس ها نیستند. اما آب اکسیژنه فعال پایدار شده در اثر تماس با باکتری ها و ویروس ها بخشی از آن تجزیه شده و محصولات واسطه تولیدی نیز دارای انرژی زیاد می باشند. ولی بقیه آب اکسیژنه توسط نقره به صورت فعال پایدار باقی می ماند.
موارد استفاده آب اکسیژنه
از این محصول برای استرلیزه کردن سطوح جامد و مخازن و مواد غذایی و مواد داروئی، ضدعفونی کردن محیط بیمارستان ها و استخرهای شنا، هتل ها و رستوران ها استفاده می شود. برای آب شرب توصیه می شود که به صورت مداوم غلظت 20-5 ppm تزریق شود. این مایع بر عکس کلر که بوی تحریک کننده ای دارد بی بو است. و استفاده از آن خطری نداشته و از نظر محیط زیست تجزیه پذیر است.
می دانیم که حاصلضرب غلظت باقیمانده ماده شیمیایی و زمان تماس باکتری های بیماری زا با آن، (C × t) پارامتر اصلی در ضدعفونی کنندگی است. از این رو سازمان های جهانی بهداشت برای اطمینان از عملکرد ضدعفونی کننده ها در حد قابل قبول، استانداردهای بر اساس (C × t) برای ضدعفونی کننده های مختلف پیشنهاد کرده اند. مثلا هر چند کلر آمین ها ضعیف تر از کلر عمل کنند. ولی به خاطر آن که در آب پایدارتر از کلر هستند (زمان تماس بیشتر) برای اطمینان از بهداشتی بودن آب در شبکه های شهری بر کلر ترجیح دارند.