جزوه رنگی و تایپ شده بلورشناسی
رشته مواد دانشگاه پیام نور رشته فیزیک علمی کاربردی علیاستخدامی کیانی رشید دانشگاه آزاد دکتر حسین آشوری کارشناسی ارشد رشته مهندسی مواد
: −??− + ?+ ??? }
) (: : ∗∗(??)
: (??) = : – /- /- −?? −?? – ???− + ?+ ????? + ??: −??? −?? : /؟
() – :
(( ) ( – )(: :
(: ( )()(: () ()(: )???( ).( ( ( (: : – )()(: : – ) ( – )( – :
= () + ()
– :
)(
– : )( :- – )›( ) ‹( – – : )(
، )( ، :
( : +?? +?? ):
-) ( -) ( -)( -)(
( )−??(: ( : )−??( )−??( )( ( )−?(: ) ( ( ( : ( )−??(: ( : ( )+??( )+?( : ( : وارد آب می شود. لذا وجود مقادیر زیاد فسفات در آّّب احتمال آلوده شدن آب به فاضلاب را می دهد که حتما آب باید ابتدا ضدعفونی گردد. فسفر به صورت یون های )هیدروفسفات( و −4?2?? )دی هیدروفسفات( می تواند درآب باشد که به مجموعه آنها ارتوفسفات)Orthophosphate( گفته می شود. فسفر منبع انرژی برای رشد میکروب های مفیدی است که تجزیه مواد را در آب انجام می دهند و وجود فسفر زیاد در آبها باعث رشد زیاد جلبک ها می شود.
10( آهن و منگنز: وجود این یون ها باعث ایجاد لکه های قهوه ای بر روی لباس ها یا ظروف جزوه بلورشناسی شده می شود و روی مزه و بوی آب نیز اثر می گذارند. آهن
??4+ ، ??2+ ، Ferric Iron : ??3+ ، Ferrous Iron : ??2+ :و منگنز با ظرفیت های مختلف موجود اند
در آب های زیرزمینی که در معرض اکسیژن محلول قرار ندارند، یون های محلول +2?? و +2?? می توانند وجود داشته باشند. در معرض اکسیژن این یون ها به +3?? و +4?? که نامحلول )به صورت رسوب( هستند تبدیل شده و باعث ایجاد رنگ قهوه ای)زنگ زدگی( در آب می شوند. در آب رودخانه ها که در تماس با سنگ های معدنی هستند از هر 4 یون می تواند مشاهده شود. روش اندازه گیری این یون ها، روش رنگ سنجی با دستگاه اسپکترو فتومتر است. در این روش طول موجی که بیشترین جذب را به وسیله آن عنصر در محلول دارد در دستگاه تنظیم می شود و به سل)cell( حاوی محلول تابانیده می شود و بر این اساس غلظت آن عنصر معین می گردد. برای آهن طول موج 510nm در دستگاه تنظیم می شود.
:)Drinking Water Standards (استاندارد های آب آشامیدنی
اداره حفاظت محیط زیست آمریکا) Environmental Protection Agency(EPAI)( استاندارد هایی را برای آب آشامیدنی ارائه کرده که به 2 دسته تقسیممی شوند: 1- استاندارد های اولیه)Primary Standard( 2- استاندارد های ثانویه)Secondary Standard(
1- استاندارد های اولیه)Primary Standards(:این استاندارد بر اساس شاخص های بهداشتی آب آشامیدنی ارائه شده است. طبق این استاندارد اگر مقدار عناصر در آب بیشتر از این حد استاندارد باشد برای سلامتی انسان مشکلاتی را به وجود می آورد. این استاندارد ها به شرح زیر می باشند: )برحسب ( آرسنیک: 05/0 باریم: 0/1 ، کادمیوم: 01/0 ، کروم: 05/0 ، سرب: 05/0 ، جیوه: 002/0 ، نیترات: 10 ، سلنیوم: 01/0 ، نقره: 05/0 ، فلوئور: 0/1 در این استاندارد متوسط ماهانه کدورت اندازه گیری شده آب در ابتدای سیستم توزیع باید کمتر از 1FTU باشد.
2- استاندارد های ثانویه)Secondary Standards(: این استاندارد مربوط به ویژگی های ظاهری و غیر ظاهری آب مثل سختی و خورندگی می باشد. این استاندارد ها بیشتر روی مطبوع بودن آب تاثیر می گذارند)روی خصوصیاتی نظیر رنگ، بو و مزه.( این جزوه بلورشناسی ها به شرح زیر می باشند: )برحسب ( کلراید: 250 ، مس: 0/1 ، آهن: 3/0 منگنز: 05/0 سولفات: 250 ، TDS: 500 روی: 5 این عناصر اشاره شده بیشتر بر روی مزه آب تاثیر دارد.
PH: 5/8-5/6 اگر PH کمتر از 5/6 باشد باعث خوردگی سیستم های توزیع و انتقال آب می شود .رنگ: 15 CU اکسیژن محلول) Dissolved Oxygen()DO(: یکی از ویژگی های آب که بیشتر در بحث محیط زیستی بحث می شود مقدار DO آب است که بر حسب بیان می گردد. زندگی آبزیان و تنوع آنها به شدت وابسته به DO آب می باشد و روش اندازه گیری آن بر پایه تیتراسیون است.
شاخص های ناخالصی های آلی در آب:بیشتر مواد آلی به صورت محلول در آب می باشد. اما برخی از آنها به صورت ذرات کلوئیدی معلق در آب نیز وجود دارند. آلاینده های آلی باعث ایجاد بو، رنگ و طعم نامطبوع در آب می شوند. تنوع در آلاینده های آلی بسیار زیاد است. از این رو ناخالصی های آلی را با چند تست شاخص اندازه گیری می کنند که این امر باعث کاهش هزینه آزمایشات طولانی و وقت گیر می شود.
1( شاخص Biological Oxygen Demand(BOD(: این شاخص ان قسمت از آلاینده های آلی را نشان می دهد که به وسیله باکتری های هوازی قابل تجزیه هستند. در این شاخص مقدار ماده آلی براساس مقدار اکسیژن لازم برای تجزیه و اکسایش آنها تعیین می گردد. باکتری های هوازی مواد آلی موجود در فاضلاب ها و پساب ها را با استفاده از اکسیژن محلول در آب)DO( تجزیه می نمایند. در اثر این تجزیه مواد آلی و DO آب کاهش می یابد. این مکانیسم تصفیه طبیعی در آب های آلوده می باشد .
باکتری های هوازی
)ارتو فسفات( (:ترکیبات پایدار + + + مواد آلی
(
چنانچه مواد آلی در فاضلاب خیلی زیاد باشد به نحوی که همه اکسیژن محلول در آب مصرف شود، در این صورت باقیمانده مواد آلی به وسیله باکتری های بی هوازی اکسید)تجزیه( می شود.
) )سولفید دی هیدروژن( ، )آمونیاک( ( : ترکیبات نا پایدار + + باکتری های بی هوازی مواد آلی
چون تجزیه مواد آلی توسط باکتری ها به دما و زمان وابسته است، شاخص استانداردی برای BOD ارائه می شود که نام دارد.
: به مقدار اکسیژنی که باکتری های هوازی برای تجزیه مواد آلی در مدت 5 روز اول پس از نمونه گیری مصرف می کنند گفته می شود. که این اندازه گیری در دمای 20 صورت می گیرد .نکته:بلافاصله پس از نمونه گیری باید BOD اندازه گیری شود.
روش اندازه گیری درآزمایشگاه) Five Day BOD Test( :
حجم معینی از فاضلاب یا نمونه آب را داخل بطری های مخصوص درپوش دار قرار می دهند و آنها را در انکوباتور که دمای آن 20 است نگه می دارند .DO اولیه نمونه را اندازه گیری می کنند) ( )اگر اکسیژن جزوه طیف سنجی مولکولی اولیه از حدDO اشباع در دمای مورد نظر خیلی خیلی کمتر باشد بایستی هوادهی برای نمونه صورت گیرد و بلافاصله DO را اندازه می گیرند و آن را به عنوان در محاسبات قرار می دهند( نمونه را به مدت 5 روز در انکوباتور نگه می دارند و سپس دوباره DO آن را اندازه گیری می کنند) (. برای نمونه های فاضلاب لازم است که در ابتدا رقیق سازی صورت گیرد.
با توجه به رابطه زیر تعیین می گردد:
حجم
مدل سازی BOD: شدت تجزیه مواد آلی متناسب با مقدار جزوه بلورشناسی آلی است که میکرو ارگانیسم ها در اختیار دارند.اگر را به عنوان مقدار اکیژن خواهی باقی مانده بعد از زمان t در نظر بگیریم در اینصورت تغییرات در یک محیط آبی نسبت به زمان به صورت زیر می باشد:
: مقدار اکسیژن خواهی باقی مانده بعد از زمان t است.
: مقدار اکسیژن خواهی نهایی مواد آلی است) Ultimate Oxygen Demand(
.و واحد آن است )De oxygenation Constant Rate (ضریب اکسیژن خواهی
خلاصه بلورشناسی
طبق نمودار رو به رو در ابتدا تغییرات BOD نسبت به زمان شدید است و به تدریج تغییراتش کم می شود تا اینکه به یک حدتقریبا ثابت که همان BOD نهایی) ( است می رسد.
علت کاهشی بودن روند تغییرات این است که به تدریج با تجزیه مواد آلی مقدار آنها در نمونه آب کم می شود و باکتری های باقی مانده دچار کمبود غذا می گردند و مرگ و میر آنها رخ می دهد.لذا شیب نمودار کند می شود تا اینکه به تدریج کل مواد آلی تجزیه شود.
ضریب اکسیژن خواهی) (: ضریب اکسیژن خواهیبه نوع ماده آلی و نوع میکرو ارگانیسم و باکتری تجزیه کننده وابسته است. برخی از مواد آلی موجود در فاضلاب مانند قندهای ساده و نشاسته راحت تر از سایر مواد آلی مانند سلولز تجزیه می شوند. علاوه بر این توانایی میکروارگانیسم ها در تجزیه مواد آلی هم متفاوت است و برخی از آنها فقط قادرند تحت شرایط خاصی به حیات خود ادامه دهند. عامل مهم دیگر موثر بر ضریب اکسیژن خواهی درجه حرارت است، به طوریکه با افزایش درجه حرارت سرعت تجزیه زیستی نیز تا حدی افزایش می یابد.
مثال: مقدار اکسیژن محلول در یک نمونه فاضلاب رقیق شده برابر می باشد. این مقدار پس از رسیده است. اگر ضریب رقیق سازی 03/0 و برابر 22/0 باشد: الف( مقدار را محاسبه نمایید .ب(اکسیژن خواهی نهایی مواد آلی) ( را محاسبه نمایید ج(مقدار اکسیژن خواهی باقی مانده پس از 5 روز چقدر است؟
الف
)ب
)ج
مقدار اکیژن لازم برای اکسیداسیون مواد آلی به وسیله ماده اکسید کننده قوی مثل بی کرومات پتاسیم را اکسیژن خواهی شیمیایی یاCOD می گویند. اینپارامتر، معرف کل موادآلی قابل تجزیه و غیرقابل تجزیه توسط میکرو ارگانیسم ها می باشد. مقدار COD همواره بیشتر از BOD است. جزوه بلورشناسی برخی مواد آلی مانندسلولز، فنول ها، بنزن واسید تانیک در مقابل تجزیه بیولوژیکی مقاوم هستند. از سوی دیگر موادی مانند حشره کش ها و مواد شیمیایی صنعتی نیز به دلیل سمیتی که برای میکروارگانیسم ها دارند از نظر زیستی غیرقابل تجزیه به شمار می آیند. در حالی که توسط ماده اکسیدکننده قوی تجزیه می شود.آزمایش مربوط به تعیین COD در کمتر از یک ساعت انجام می شود.
شاخص کل کربن آلی)TOC :)TOC()Total Organic Carbon شاخصی از غلظت مواد آلی کربن دار است که برای اندازه گیری آن، نمونه مورد نظر سوزانده می شود و کربن موادآلی در نمونه سوخته شده به تبدیل می شود. در این حالت حاصل، معیاری از غلظت موادآلی کربن دار است. موادآلی مختلف درصد کربن متفاوتی دارند. از این رو مقدار TOC کمتر از COD بوده و کاربرد کمتری نسبت به آن دارد.
شاخص کل اکسیژن خواهی یا اکسیژن خواهی تئوری)TOD()Total Oxygen Dimand(:
کل اکسیژنی که برای اکسیداسیون کامل موادآلی موجود در نمونه آب لازم است را TOD می گویند که از طریق فرمول شیمیایی ماده آلی و واکنش های شیمیایی مربوط به آن محاسبه می شود. در این حالت مقدار اکسیژن مورد نیاز بسیار زیادتر از اکسیژن خواهی بیولوژیکی است. زیرا در تجزیه زیستی مواد آلی ماده به طور کامل تا مرحله تولید تجزیه نمی شود و بخشی از کربن وارد بدن میکروارگانیسم ها شده و صرف سوخت و ساز آنها می شود.
نکته: نتایج آزمایشات استاندارد COD نشان می دهد که در عمل مقدار COD اندازه گیری شده تقریبا نزدیک به TOD می باشد.
مثال: اگر1mmol بنزن با فرمول شیمیایی در یک لیتر آب مقطر حل شود مقدار TOD محلول حاصل چقدر است؟ اکسیژن 7/5 * 32 = 240mg اکسیژن لازم برای هر میلی مول بنزن به میزان 7/5 میلی مول است .
لازم
نسبت BOD بهCOD : اهمیت نسبت BOD به COD در تصفیه آب این است که اگر این نسبت زیاد باشد نشاندهنده این است که باکتری ها)میکروارگانیسم ها( به آسانی قادر به تجزیه مواد آلی و تصفیه فاضلاب هستند ولی اگر این نسبت خیلی کم باشد تصفیه بیولوژیکی فاضلاب با باکتری ها بی فایده است.
شاخص های بهداشتی آب: شاخص بهداشتی بودن آب توسط باکتری از گروه کلیفرم ها)Coliform Bacteria( به نام باکتریEscherichia Coli )Ecoli( بیان می شود .Coliform Bacteria گروهی از باکتری ها هستند که در روده و مدفوع بیشتر حیوانات یافت می شود و در خاک نیز وجود دارند.
شکل آنها میله ای بوده و از طریق توانایی رشد در محیط کشت و تخمیر لاکتوز و تولیدگاز شناسایی می شوند.
Ecoli: نوعی از باکتری های کلیفرم است که در روده انسان و سایر حیوانات خونگرم وجود دارد و به مقدار زیاد همراه مدفوع دفع می گردد. از آنجایی که این شاخص معرف آلودگی آب به فاضلاب های انسانی است می تواند معیاری از بهداشتی بودن یا بیماری زا بودن آب باشد.
دلایل استفاده از شاخص Ecoli برای بهداشتی بودن آب:
1- طرز تشخیص این باکتری در مقایسه با سایر باکتری های بیماری زا ساده و ارزان است و به شرایط آزمایشگاهی خوب جواب می دهد. این باکتری جزء باکتری های تولید کننده گاز در محیط های کشت است .2- این باکتری بیماری زا نمی باشد، از این رو وجود آن در نمونه آب خطری ایجاد نمی کند .
3- تعداد آن بسیار زیاد است و در اثر رقیق شدن مکرر می توان اطمینان داشت که اگر موضوع جزوه بلورشناسی در نمونه آب باشد حتما Ecoli هم هست .4- این باکتری در برابر شرایط نا مساعد محیط مقاومت بالایی دارد، به طوریکه اگر در اثر نامساعد بودن محیط،Ecoli از بین برود می توان با اطمینان گفت که هیچ ویروس و باکتری بیماری زا دیگری نمی تواند در آن محیط وجود داشته باشد.
بنابراین آلودگی آب طبیعی با Ecoli می تواند هشداری برای احتمال آلودگی آب به فاضلاب های انسانی و باکتری های بیماری زا باشد.
واحد بیان شاخص Ecoli: واحد غلظت شاخص Most Probable Number(MPN ،Ecoli( می باشد .MPN تعدادی از میکروب هاست که در هر100ml نمونه بیشترین احتمال مشاهده شدن را دارد )احتمال %95(. در آزمایش میکروبی برای شمارش کلیفرم ها از محیط کشت های استاندارد که معمولا از عصاره ای از آب گوشت تهیه شده اند استفاده می شود)در محیط کشت محتوی لاکتوز است.( وسایل مورد استفاده باید کاملا استریل باشند. از نمونه آب مورد نظر معمولا در مقادیر معین 10ml، 1mlو 0/1ml برداشته و در لوله آزمایش حاوی محیط کشت می ریزند.)از هرکدام از نمونه ها سه تکرار برداشته می شود.( مجموعا 9 لوله آزمایش داریم. لوله های حاوی نمونه و محیط کشت را به مدت 48 ساعت در انکباتور در دمای ℃37 قرار می دهند تا تخمیر لاکتوز در آنها بررسی شود. در صورتی که نمونه محتوی کلیفرم باشد از تخمیر لاکتوز توسط این باکتری ها گاز 2?? تولید می شود. بنابراین لوله هایی از هر نمونه که در داخل آنها حباب گاز مشاهده می شود را می شمارند و بر اساس شمارش انجام شده از جدول مخصوص به MPN را به دست می آورند. مثلا اگر از 3 لوله 10ml یک عدد، از 3لوله 1ml هیچ کدام و از 3 لوله 0/1ml یک عدد تجمع گاز داشت طبق جدولMPN برابر 7 است. یعنی به احتمال 95% در هر 100ml آب مورد نظر 7 عدد کلیفرم وجود دارد.
نکات: 1- علت استفاده از دمای ℃37 تشابه با دمای بدن موجودات زنده است .2- در حالتی که جواب 3-3-3 باشد توصیه می شود که آزمایش با نمونه های رقیق شده تکرار گردد. 3- براساس استاندارد های اولیه توصیه شده توسط اداره حفاظت محیط زیست آمریکا در طول یک ماه نباید بیشتر از 3 مرتبه MPN برابر 1 در سیستم توزیع آب آشامیدنی مشاهده گردد.
آلودگی آب: هر ماده یا جسم که یا شرایطی که مانع استفاده طبیعی از آب گردد به عنوان آلوده کننده آب تلقی می شود. از آنجا که استفاده طبیعی از آب گوناگون است مسئله آلودگی آب هم پیچیده بوده و به صورت های مختلفی بررسی می شود. استفاده های طبیعی از آب می تواند شامل موارد زیر باشد: 1- مصرف آشامیدن 2- زیبایی و تفریحی 3- زیستگاه جانوران 4- کشاورزی 5- صنعتی
مهمترین منابع آلوده کننده آب: 1- مواد زائد یا فاضلاب های اکسیژن خواه 2- عوامل بیماری زا 3- مواد غذایی 4- ترکیبات آلی فرار 5- آفت کش ها 6- فلزات سنگین 7- نمک های معدنی 8- اسیدی شدن 9- مواد رادیو اکتیو 10-آلودگی های حرارتی 1- مواد زائد یا فاضلاب های اکسیژن خواه)Oxygen Demanded Wastes(:
یکی از شاخص های مهم در بررسی کیفیت آب مقدار اکسیژن محلول یا DO است که بقای گیاهان و حیوانات آبی به آن وابسته است. براساس پژوهش ها حداقل غلظت اکسیژن محلول برای فعالیت و سلامت ماهیان بین 5 تا 8 میلی گرم بر لیتر و برای گونه های با فعالیت کمتر مثل خرچنگ ها حدود است. حضور دسته ای از مواد یا ضایعات در آب باعث کاهش DO می شود که به آنهاOxygen Demanded Wastes می گویند. این گونه مواد که عمدتا موادآلی هستند به راحتی در اثر فعالیت باکتری ها در حضور اکسیژن تجزیه شده و موجب مصرف DO آب می شوند. منبع این ترکیبات آلی از فاضلاب های شهری یا صنعتی مثل کارخانه های تولید مواد غذایی، کشتارگاه ها یا صنایع کاغذ سازی می باشد.
2- عوامل بیماری زا: از نظر تاریخی اولین دلیل برای کنترل آلودگی آب ها جلوگیری از بیماری هایی است که مولد آنها آب است و اصطلاحا به آنها آب زاد
)Water-borne( می گویند که از جمله مهمترین آنها وبا می باشد. عامل بیماری زا یا پاتوژن یک موجود زنده است که به طور تصاعدی در بدن میزبان رشد می کند. از جمله پاتوژن هایی که به وسیله آب انتقال می یابند شامل موارد زیر هستند:
1- باکتری ها: که عامل بیماری های وبا، اسهال خونی و جزوه بلورشناسی هستند .2- ویروس ها: که عامل بیماری زا فلج اطفال و هپاتیت هستند .3- کرم ها : مثل کرم آسکاریس، کرم شلاقی و کرم قلاب دار 4- انگل ها: مثل انگل تب لجن
پاتوژن های فوق با ورود به منبع آب به سرعت باعث اپیدمی بیماری می شود. علاوه بر موارد ذکر شده، آب در شیوع برخی بیماری های دیگر نیز نقش غیر مستقیم ایفا می کند .مثلا حشراتی که در آب یا نزدیک آبها زندگی می کنند عامل شیوع بیماری هایی مثل مالاریا، تب زرد، بیماری خواب و کوری رودخانه هستند. علاوه بر این کمبود آب کافی برای مسائل بهداشت فردی در اغلب نقاط دنیا باعث بیماری های پوستی مثل جذام و بیماری های چشمی : – : )(، )(، )(، )(، )(، )( )(، )( )( )( )( :
: : : ?? پدیده غنی شدن)Eutrophication( در آبها، از نظر بهداشت عمومی نیز تهدیدی علیه سلامت انسان محسوب می شود. چون تبدیل نیتروژن در بدن به نیتریت باعث بیماری سندروم آبی کودکان)Blue Baby( می شود.
4- ترکیبات آلی فرار: این آلاینده ها به مقدار زیادی در آبهای زیر زمینی یافت می شوند. این ترکیبات در فرآیند های صنعتی به عنوان حلال استفاده می شود که عموما باعث جهش ژنتیکی و بروز سرطان می شود. از جمله مهمترین این ترکیبات که وجودش در آب آشامیدنی بسیار خطرناک است عبارتند از: 1- وینیل کلراید یا کلرو اتیلن)که ماده اصلی تولید PVC است( 2- تری کلرو اتیلن)TCE(: ایت ترکیب در سرویس کاری و تمیزکاری قطعات الکتریکی موتورها کاربرد دارد و سرطان زا می باشد .3- تترا کلرید کربن)4???(: ترکیب اصلی ماده شوینده است و به شدت سمی می باشد.
5- فلزات سنگین)Heavy Metals(: از دیدگاه بیولوژیکی واژه فلز سنگین به جزوه بلورشناسی اطلاق می شود که می تواند یک یا بیشتر از یک الکترون از دست
بدهد و در محیط آبی به صورت کاتیون در آید. حدود 80 عنصر از جدول تناوبی این خاصیت را دارند. از نظر شیمیایی به فلزاتی که وزن مخصوص آنها
بیشتر از است فلزات سنگین می گویند. از نظر مباحث آلودگی این واژه به عناصری که دارای خاصیت سمی هستند اطلاق می شود. از جمله فلزات سنگین)فلزات سمی)Toxic Metals(( می توان به موارد زیر اشاره کرد:
آرسنیک)As(، کادمیوم)Cd(، سرب)Pb(، جیوه)Hg(، سلنیوم)Se(، قلع)Sn(، نیکل)Ni(، کروم)Cr(، کبالت)Co(، مس)Cu(، آلومینیم)Al(، برلیم)Be(، آهن)Fe(، منگنز)Mn( و روی)Zn(
نکته: برخی از این فلزات مثل کروم و آهن جزء عناصر ضروری در جیره غذایی روزانه انسان هستند ولی مقدار زیاد آنها خاصیت سمی ایجاد می کند.
شکل جذب این عناصر نیز متفاوت است. مثلا سرب – : – : ??- : – : – : :
– : – : – :
فهرست مطالب