اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب چه کاربردی دارد؟

تکنیک اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب، تکنیکی است که معمولاً در فرآیندهای تصفیه آب و پساب مورد استفاده قرار می گیرد و این امکان را برای دانشمندان و اپراتورها فراهم می کند تا ترکیب و کیفیت آب و پساب را آنالیز و کنترل کنند.

تکنیک های اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب، از این نظر ابزارهای ضروری هستند که شناسایی، کمی سازی و نظارت بر آلاینده ها، مواد مغذی، میکروارگانیزم ها و پارامترهای مختلف کیفیت آب را امکان پذیر می کنند.

همچنین، آنها به دلیل غیر مخرب بودن و استفاده کمتر از مواد شیمیایی، نقش مهمی در ارزیابی زیست محیطی، انطباق با مقررات ملی و بین المللی و تضمین منابع آبی پایدار و سالم دارند.

می دانیم که پایش کیفیت آب و تصفیه آن، دو جنبه­ حیاتی سیستم ­های مدیریت آب برای شناسایی عواملی هستند که می ­توانند کیفیت آب را به خطر بیندازند و با کنترل عملیاتی برای اطمینان از آب آشامیدنی سالم، اقدامات پیشگیرانه را نیز فراهم کنند.

در این مقاله به طور مفصل به اهمیت و نقش اسپکترومتری در آب و فاضلاب می پردازیم. با ما همراه باشید.

کاربردهای اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب

در تصفیه آب و پساب، اسپکتروفتومترها برای اهداف کلی مختلفی استفاده می شوند، از جمله مهمترین آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

نظارت بر کیفیت آب

اسپکتروفتومترها می توانند پارامترهایی مانند کدورت، COD، BOD، رنگ و مواد جامد معلق در آب را اندازه گیری کنند. این اندازه گیری ها به ارزیابی اثربخشی فرآیند درمان و اطمینان از انطباق با استانداردهای نظارتی کمک می کند.

آنالیز شیمیایی

اسپکتروفتومترها، آنالیز مواد شیمیایی خاص موجود در آب مانند کلر، ازن یا سایر مواد ضدعفونی کننده مورد استفاده در فرآیند تصفیه را  فراهم می کنند. اپراتورها با اندازه گیری میزان جذب یا عبور نور توسط این مواد شیمیایی، می توانند سطوح غلظت آنها را با دقت بسیار مطلوبی تعیین کنند.

تشخیص آلودگی

یکی دیگر از کاربردهای اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب این است که می توانند آلاینده های موجود در آب از جمله فلزات سنگین، ترکیبات آلی و آفت کش ها را شناسایی و کمی سازی کنند.

با مقایسه طیف جذب نمونه های مختلف با استانداردهای شناخته شده، می توان آلاینده های بالقوه را در مراحل اولیه تشخیص داد و میزان آنها را کنترل کرد.

بهینه سازی فرآیند

آنالیز اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب، به تصفیه خانه های موجود در این حوزه کمک می کند تا  با دریافت داده های آنی و در زمان حقیقی در مورد پارامترهای کلیدی، فرآیندهای خود را بهینه کنند.

با نظارت بر تغییرات جذب یا عبور نور، اپراتورها می توانند تنظیماتی را در فرآیندهای تصفیه انجام دهند تا کیفیت آب را در محدوده های مشخص حفظ کنند و یا در صورت تجاوز از محدوده مشخص شده، سریعاً وارد عمل شوند و سیاست های لازم را اتخاذ کنند.

اهمیت پایش آب 

کیفیت آب آشامیدنی یک شاخص عملکرد کلیدی برای شرکت­ های آب است و برای سلامت عمومی نیز بسیار حائز اهمیت است. این شرکت ­ها متعهد هستند تا اطمینان حاصل کنند که آب تأمین شده، مطابق با استانداردهای روز دنیا باشد.

معمولاً سیستم ­های مدیریت کیفیت آب از حوضچه­ های ذخیره تا شیر آب منازل که شامل آب منبع، تصفیه آب و سیستم توزیع می باشد، توسعه داده شده اند و اکثریت از دستورالعمل‌ های کیفیت آب آشامیدنی سازمان جهانی بهداشت پیروی می‌ کنند.

با این حال، کشورهای مختلف به طور جداگانه نیز برای مدیریت موقعیت‌ های محلی خود سیستم‌ های خود را به صورت بومی نیز توسعه می‌ دهند.

به طور کلی در سطح جهانی، برای تصفیه آب و فاضلاب، فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی مبتنی بر فناوری­ های هوازی و بی­ هوازی به طور مداوم توسعه یافته ­اند و برای کاهش سطوح تخلیه­ آلاینده ­ها در محیط استفاده می­ شوند.

با این حال، بیشتر روش‌ هایی که معمولاً برای نظارت بر پارامترهای کلیدی استفاده می‌ شوند، پر هزینه و یا زمان‌ بر هستند که آنها را برای نظارت در زمان واقعی نامناسب می‌ کند.

در دهه‌ های گذشته، با وجود اینکه ورود فناوری‌ ها جدید، مشکلات زیست‌ محیطی متعددی نیز به وجود آمده است و فعالیتهای انسانی و دیگر موجودات زنده، تقاضای شهری، مصارف خانگی و عملیات صنعتی مقادیر زیادی پساب تولید می­ کنند.

از بین موارد فوق، فعالیت ­های صنعتی بارزترین عامل آلودگی آب است که بیش از ظرفیت احیاء و خود پالایی محیط زیست است و در صورت عدم توجه به تصفیه­ مناسب، باعث عدم تعادل در اکوسیستم­ های آبی می­ شود.

امروزه هنوز به طور مکرر سیستم های هوازی، همراه با سیستم های لجن فعال (CAS) که یک فناوری کلاسیک است، به دلیل راحتی و سادگی، در تصفیه خانه های فاضلاب در سراسر جهان، مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، این سیستم ها نیز مستعد آسیب های متعددی هستند.

فرآیندهای هوازی کاملاً به شرایط عملیاتی وابسته هستند و بنابراین ممکن است ناپایدار شوند، به ویژه هنگامی که در معرض تغییرات محیطی قرار می گیرند.

این به نوبه خود، تأثیراتی منفی بر فعالیت متابولیک باکتری دارد و در نتیجه، منجر به کارایی پایین فرآیند تصفیه می شود. از سوی دیگر، با وجود تلاش‌ های تحقیقاتی گسترده، فرآیند رسوب همچنان یکی از مشکلات و نگرانی‌ های اصلی تحقیقات در جوامع آکادمیک است.

علاوه بر این، مشخص است که لجن زباله، محصول جانبی فرآیندهای بیولوژیکی است که به طور کلی  تصفیه و دفع آن تا 50 درصد از هزینه­ های عملیاتی را تشکیل می ­دهد.

بنابراین، نظارت بر سیستم ­های بیولوژیکی یک وظیفه مهم برای افزایش عملکرد فرآیندهای تصفیه­ آب و فاضلاب است. افزایش تقاضا برای کنترل فرآیندهای بیولوژیکی، مستلزم توسعه­ تکنیک ­های نظارت و کنترل مناسب است.

اهمیت و نقش اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب

به طور کلی در فرایند تصفیه­ آب و فاضلاب، برای ارزیابی کیفیت آب، پساب و لجن، چندین پارامتر فیزیکی، شیمیایی و عملیاتی پایش می‌ شوند که برای تخمین مقادیر تخلیه­ مورد نیاز اهمیت بسیاری دارند.

با این حال، اکثر روش‌ های سنتی برای تعیین این پارامترها پر هزینه، نیازمند عملیات طولانی و زمان‌ بر هستند و برخی از آنها حتی ممکن است خطرات زیست‌ محیطی مرتبط با محصولات نهایی را نیز ایجاد کنند.

بنابراین بهترین جایگزین، افزودن سیستم­ های نظارتی دائمی جهت بررسی متغیرهای کلیدی در فرآیند و استفاده از اطلاعات مربوطه برای تصمیم‌ گیری آگاهانه است.

روش ­های معمول نظارت بر کیفیت آب، به یک برنامه نمونه‌ برداری منظم (جمع‌ آوری نمونه، انتقال و آنالیز آزمایشگاهی) متکی است، که اغلب ممکن است واریانس واقعی کیفیت آب را نشان ندهد.

همچنین اغلب نتایج پس از تأخیر بررسی می شوند و قادر به ارائه­ پاسخ سریع به آنالیزهای مرتبط با آب نیستند و معمولاً به زمان پردازش طولانی­ تری نیاز دارند ( مانند پیش تصفیه­ نمونه).

در مقابل، نظارت آنلاین و اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب کیفیت را به طور مداوم اندازه­ گیری می ­کنند و بنابراین، امکان اندازه ­گیری کیفیت آب و کنترل فرآیند را در زمان واقعی فراهم می­ نماید.

به طور خلاصه، پایش آنلاین کیفیت آب می تواند فرآیند تصفیه را با ارزیابی به موقع کیفیت آب منبع و آب تصفیه شده، شناسایی آلاینده­ ها و کنترل فرآیند تصفیه بهبود ببخشد.

همچنین در طول دوره­ تغییرات سریع کیفیت آب، زمانی که برای بهینه‌ سازی فرآیند به واکنش‌ های سریع نیاز است، استفاده از تکنیک اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب مفید و بسیار مهم خواهد بود.

در سال‌ های اخیر، برای پایش آنلاین کیفیت آب دو نوع اصلی از سنسورها، سنسورهای زیستی و سنسورهای اپتیکی مورد توجه زیادی قرار گرفته‌ اند.

سنسورهای زیستی عمدتاً مبتنی بر پدیده­ فلورسانس هستند و برای تشخیص میکرو ارگانیزم‌ هایی مانند باکتری‌ ها و ویروس‌ ها استفاده می‌ شوند.

سنسورهای اپتیکی که به اسپکتروفتومتری معروفند، میزان جذب نور، پراکندگی نور یا فلورسانس را اندازه ­گیری می­ کنند و  براساس میزان جذب می توان غلظت پارامترها را پایش کرد.

در این حوزه­ نظارتی، از میان انواع گوناگون اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب، نوع فرابنفش-مرئی (UV-Vis)، فروسرخ (IR) و فلورسانس توجه بسیاری را جلب کرده‌ اند.

• اسپکتروفتومترهای IR می ­توانند به طور مداوم ترکیبات آلی را در طول موج ­های بالاتر از nm 760­ اندازه گیری کنند.
• اسپکتروفتومترهای UV-Vis نیز می ­توانند به طور مداوم پارامترهای کیفیت آب را با تعیین مقدار نور جذب شده توسط ترکیباتی مانند TOC، COD و کربن آلی محلول (DOC)، رنگ، نیترات و پارامترهای تخصصی دیگر اندازه ­گیری نمایند.
• 

هر دو تکنیک اسپکتروفتومتری فلورسانس و UV-Vis-NIR نیازی به پیش تصفیه­ نمونه ندارند و امکان اندازه گیری سریع را فراهم می­ کنند و بر روی نمونه یا سیستم کلی اثرات مخرب ندارند.

با این وجود، دستگاه های اسپکتروفتومتر UV-Vis-NIR می ­توانند پارامترهای بیشتری را برای نظارت بر کیفیت آب و کنترل فرآیند تصفیه اندازه ­گیری کنند.

در مقایسه با روش ­های استاندارد متعارف، تکنیک اسپکتروفتومتری UV-Vis-NIR انعطاف‌پذیری بسیار بالاتری دارد و همچنین، سیستم عملیاتی ساده و بدون واکنش، تشخیص سریع و تکرارپذیری بالا و دقیقی را نیز فراهم می­ کند.

تکنیک اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب چگونه است؟

اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب، به ویژه در محدوده UV-Vis یک تکنیک تحلیلی مهم در آنالیز آب مدرن است. بسیاری از کاتیون ­ها و آنیون­ های موجود در آب را می ­توان با گزینش پذیری و حساسیت بالا تعیین کرد.

اصول رایج آنالیز اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب بر پایه برهمکنش امواج الکترومغناطیسی یا نور و نمونه آب یا پساب است.

ابتدا نمونه با معرف­ ها یا ریجنت های شیمیایی مخصوصی، ترکیب می ­شود. ریجنت شیمیایی به طور خاص با ماده تشکیل دهنده­ مورد آنالیز واکنش نشان می­ دهد و در بیشتر موارد یک ترکیب یا کمپلکس رنگی تشکیل می ­شود.

سپس اسپکتروفتومتر UV-Vis-NIR می‌ تواند میزان تضعیف تابش عبوری در یک طول موج خاص را که از محلول نمونه عبور می­ کند، اندازه‌گیری کند و با ایجاد یک منحنی کالیبراسیون، رابطه ­ای بین میزان جذب و غلظت عناصر موجود ایجاد ­نماید.

در سیستم اسپکتروفتومتر نیز ابتدا منبع نوری در محدوده طول موجی مشخص و متناسب با مشخصات فیزیکی به ماده نمونه تابیده می شود.

منظور از مشخصات فیزیکی این است که هر ماده ارایش الکترونی مخصوص به خود را دارد و بنابراین، نحوه برهمکنش آن با نور می تواند متفاوت باشد.

در اسپکتروفتومتری نوع جذبی، بخشی از نوری که به نمونه می تابد، توسط ماده در طول موج خاصی  جذب می گردد و بخشی دیگر از آن عبور می کند.

سپس این نور عبوری، به طول موج های مجزا پراکنده شده و سپس توسط سنسورهای حساس به نور آشکارسازی می شوند و طیف جذب ماده را در خرجی نمایش می دهند.

ترکیبات قابل آنالیز توسط تکنیک اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب

به طور کلی، پساب­ ها از مواد آلی، معدنی و ترکیبات معطر تشکیل شده ­اند و بنابراین، محدوده­ اندازه ­گیری در اسپکتروفتومتری نوع جذب و عبور، توسط پارامترهای شیمیایی و طراحی ابزاری محدود می­ شود.

آمونیاک و پارمترهای مرتبط با سختی آب

آمونیاک یکی از این پارمترها است که در انواع آب‌ های سطحی، در برخی از آب‌ های زیرزمینی و در فاضلاب‌ های صنعتی و خانگی وجود دارد و میزان آن به صورت­ های مختلف و متناسب با pH آب وجود دارد.

به طور متعارف، میزان اکسیژن خواهی بیولوژیکی (BOD)، میزان اکسیژن خواهی شیمیایی (COD)، کدورت، مقدار کل کربن آلی (TOC) و اسیدهای چرب فرار (VFA)، پارامترهای نظارتی کلیدی هستند که به طور گسترده برای ارزیابی کیفیت آب و فاضلاب به کار گرفته می شوند.

در مورد سیستم ­های خاص، نظارت بر میزان قلیایی بودن (اسیدیته یا بازی بودن)، پتانسیل بیوشیمیایی متان (BMP)، نرخ تولید گاز و تولید سولفید هیدروژن (H₂S) نیز برای ارزیابی عملکرد درست ضروری است.

از طرف دیگر، میزان کل جامدات (TS)، میزان جامدات فرار (VS)، میزان جامدات معلق (SS)، کل جامدات معلق (TSS) و جامدات معلق فرار (VSS) نیز برای اهداف نظارت بسیار مهم هستند.

نیتروژن کل، نیترات، نیتریت، غلظت آمونیاک و فسفر نیز به طور گسترده ارزیابی می­ شوند، زیرا که منعکس کننده­ میزان نیترات زدایی، و فرآیندهای حذف فسفر هستند.

تشخیص تمامی این پارامترها از طریق روش اسپکتروفتومتری نوع UV-Vis قابل آنالیز و بررسی است.

 کلر و کلرامین ها

به طور معمول، کلر و کلرامین­ ها پرمصرف­ ترین ضدعفونی کننده­ های آب آشامیدنی هستند. در مناطقی که آب ضد عفونی شده باید به مسافتی چند صد کیلومتر دورتر منتقل شود، کلرامین­ ها در مقایسه با کلر، پایداری بیشتری دارند.

کلرامین ­ها دارای سه شکل شیمیایی مختلف هستند:

• مونوکلرامین (NH₂Cl)
• دی­ کلرامین (NHCl₂)
• تری ­کلرامین (NCl₃)

دی­ کلرامین و تری­ کلرامین، به عنوان یک ضدعفونی کننده چندان مناسب نیستند، زیرا پایداری کمتری نسبت به مونوکلرامین دارند و  باعث ایجاد مشکلات طعم و بو در آب می­ شوند.

در یک سیستم توزیع آب آشامیدنی برای اطمینان از رعایت مقررات، باید بر میزان مونوکلرامین در نقاط مورد نظر نظارتی مستمر داشت.

روش‌ های استانداردی برای اندازه‌ گیری غلظت باقیمانده­ مونوکلرامین در محلول آبی وجود دارد. بر اساس این روش ­ها، آنالایزرهای آنلاین اسپکتروفتومتری ساخته شده ­اند که می ­توانند باقیمانده مونوکلرامین را در سیستم تصفیه و در شبکه­ آب­رسانی شناسایی کنند.

تحقیقات نشان می ­دهد که گونه ­های کلرامین، در محدوده­ طول موجی نور فرابنفش، جذب قوی دارند. قله­ جذب فرابنفش مونوکلرامین، دی­ کلرامین و تری کلرامین، به ترتیب در طول موج ­های حدود nm 243 nm 294 و nm 336 است.

فلوراید

فلوراید یکی دیگر از افزودنی­ های رایج موجود در آب آشامیدنی است و دستگاه اسپکتروفتومتر UV-Vis بهترین تکنیک تحلیلی برای تعیین سطح فلوراید موجود است.

به علاوه، طرح‌ های رایج فلورایداسیون آب شهری معمولاً از ترکیبات حاوی فلوراید، مانند اسید فلوئوروسیلیک، هگزافلوئوروسیلیکات سدیم و فلوراید سدیم استفاده می‌ کنند.

طبق استانداردهای WHO (سازمان بهداشت جهانی)، سطح استاندارد فلوراید در آب آشامیدنی نباید از   ppm 5-1/0 فراتر برود تا سلامتی انسان به خطر نیفتد.

افزایش سطح فلوراید در آب آشامیدنی می ­تواند منجر به مشکلات سلامتی مانند فلوئوروزیس دندانی یا فلوروز اسکلتی شود که می­ تواند به استخوان­ ها و مفاصل آسیب برساند. اسپکتروفوتومترهای UV/Vis هستند که امکان تشخیص سطح فلوراید در آب آشامیدنی را فراهم می ­کنند.

طیف جذب یون فلوراید در یک محلول معمولاً از چندین نوار مجزا تشکیل شده است. موقعیت و شدت دقیق این باندها به عواملی مانند محیط خاص یون های فلوراید و وجود یون ها یا مولکول های دیگر در محلول بستگی دارد.

فسفر

فسفر یک ماده مغذی مهم است که به طور گسترده در محیط زیست یافت می­ شود. این عنصر کلیدی لازم برای رشد گیاهان و حیوانات است. این عنصر یازدهمین عنصر فراوان در سطح زمین است و بیشتر به صورت فسفات یافت می ­شود و یک پیش نیاز برای رشد میکروبی در اجسام آبی است.

افزایش بیش از حد لازم غلظت فسفات، عامل کلیدی برای مغذی شدن آب­ های سطحی است. رشد شدید جلبک زمانی رخ می ­دهد که فسفات در آب وجود داشته باشد و به همین دلیل برای بسیاری از محیط­ های آبی نامطلوب است.

جهت کنترل مغذی‌شدگی، فسفر ورودی به آب باید کنترل و کاهش داده شود که یکی از راه ها استفاده از اسپکتروفتومترها است زیرا فسفر می تواند خواص جذب و انتشار را از خود نشان دهد.

به عنوان مثال، ترکیبات آلی حاوی اتم های فسفر، مانند فسفین (PH3)، می توانند نور ماوراء بنفش (UV) را در محدوده 200-300 نانومتر جذب کنند. این ترکیبات ممکن است دارای نوارهای جذب خاصی باشند که مربوط به انتقال الکترونی اتم فسفر است.

توجه به این نکته ضروری است که طیف جذب ترکیبات حاوی فسفر بسته به ساختار شیمیایی، محیط و سایر عوامل می تواند متفاوت باشد.

نیترات

مواد آلی طبیعی (NOM) و نیترات ( از جمله NH⁴⁺ یا NH₄OH یا NH₃) مواد اصلی جذب نور هستند که در آب­ های طبیعی یافت می ­شوند. با وجود اینکه در طول فرآیند تصفیه آب، بخش قابل توجهی از NOM حذف می ­شود، مابقی نیترات حذف نشده و بر دقت اندازه­ گیری پارامترهای مورد نظر تأثیر می­ گذارد.

در مقایسه با جذب نور فرابنفش توسط مواد آلی و نیترات، مونوکلرامین جذب نسبتاً کمتری در همان محدوده­ طول موج نشان می‌ دهند، بنابراین کم کردن سهم جذبی نیترات و مواد آلی از طیف، دقت اندازه‌ گیری مونوکلرامین را بهبود می‌ بخشد.

علاوه بر این، به دلیل پراکندگی نور توسط ذرات معلق، کدورت آب باعث افزایش غیر خطی شدن طیف شده و در نتیجه دقت اندازه ­گیری را کاهش می ­دهد.

طیف جذب یون های نیترات (NO3-) و نیتریت (NO2-) بسته به شرایط و محیط خاص می تواند متفاوت باشد. با این حال، به طور کلی، هر دو یون نیترات و نیتریت جذب قوی در ناحیه مرئی طیف الکترومغناطیسی نشان نمی دهند.

معمولاً نوارهای جذب یون های نیترات و نیتریت در ناحیه فرابنفش (UV) برجسته تر است و می توانند نور ماوراء بنفش را با طول موج های حدود 200 تا 230 نانومتر جذب کنند، اما جذب معمولاً ضعیف است.

سخن پایانی

برای به حداقل رساندن پارامترهای مهم آب و آلودگی ها، تکنیک­ های مختلفی توسعه داده شده است که از بین آنها، اسپکتروفتومتری در آب و فاضلاب کاربرد ویژه ای دارد و به شناسایی ترکیبات مختلف کمک بسیاری می کند.

در آخر به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که از بخش محصولات شرکت بلورآزما نیز دیدن نمایید و در صورت لازم، می توانید کاتالوگ محصولات را به صورت رایگان دانلود کنید.

منابع

Wikipedia

Monitoring biological wastewater treatment processes: recent advances in spectroscopy applications

Wastewater Quality Estimation Through Spectrophotometry-Based Statistical Models