کاربرد اسپکتروفتومتر در آب و فاضلاب: پارامترها و روش های آنالیز

اسپکتروفتومتری یکی از پرکاربردترین روش های آنالیز در صنعت آب و فاضلاب است. تصفیه خانه های آب و فاضلاب، آزمایشگاه های کنترل کیفیت، صنایع تولیدکننده پساب و نهادهای نظارتی از اسپکتروفتومتر برای اندازه گیری آلاینده ها، مواد مغذی، مواد ضدعفونی کننده و پارامترهای مختلف کیفیت آب استفاده می کنند.

اسپکتروفتومترها سریع، دقیق و نسبتا ساده هستند و با یک دستگاه می توان ده ها پارامتر مختلف را اندازه گیری کرد. به همین دلیل نقش مهمی در ارزیابی های زیست محیطی، انطباق با استانداردهای ملی و بین المللی و تضمین آب آشامیدنی سالم دارند. در این مقاله با کاربردهای اسپکتروفتومتر در آب و فاضلاب، اصول کار آن و مهم ترین پارامترهای قابل اندازه گیری آشنا می شوید.

کاربردهای اسپکتروفتومتر در آب و فاضلاب

پایش کیفیت آب

اسپکتروفتومترها پارامترهایی مانند COD، رنگ، کدورت، آمونیاک، نیترات، فسفات و فلزات را در آب آشامیدنی، آب های سطحی و زیرزمینی و پساب های صنعتی اندازه گیری می کنند. این اندازه گیری ها برای ارزیابی کارایی فرایند تصفیه و اطمینان از انطباق با استانداردهای زیست محیطی ضروری هستند.

کنترل مواد ضدعفونی کننده

اسپکتروفتومترها غلظت کلر آزاد و کل، کلرامین ها، دی اکسید کلر و ازن را در آب آشامیدنی، شبکه های توزیع، استخرها و فرایندهای تصفیه صنعتی اندازه گیری می کنند تا مقدار ماده ضدعفونی کننده در محدوده مطلوب باقی بماند.

تشخیص آلاینده ها

با استفاده از ریجنت های مناسب، می توان آلاینده هایی مانند فلزات (آهن، منگنز، مس، کروم شش ظرفیتی و غیره)، سیانید، فنل ها و ترکیبات دیگر را اندازه گیری کرد. برای آلاینده های آلی پیچیده تر مانند آفت کش ها، معمولا روش هایی مانند کروماتوگرافی مناسب ترند.

بهینه سازی فرایند تصفیه

داده های اسپکتروفتومتری به اپراتورهای تصفیه خانه کمک می کند فرایندهایی مانند تزریق مواد شیمیایی، هوادهی و حذف مواد مغذی را تنظیم کنند. پایش منظم پارامترها امکان می دهد هر انحراف از محدوده مجاز به سرعت شناسایی و اصلاح شود.

اهمیت پایش کیفیت آب

کیفیت آب آشامیدنی مستقیما با سلامت عمومی در ارتباط است و شرکت های آب و فاضلاب موظف اند آب را مطابق استانداردهای ملی و بین المللی تامین کنند. بیشتر کشورها از دستورالعمل های کیفیت آب آشامیدنی سازمان جهانی بهداشت پیروی می کنند و استانداردهای ملی خود را نیز دارند؛ در ایران، ویژگی های آب آشامیدنی در استاندارد ملی ۱۰۵۳ تعیین شده است.

از طرف دیگر، فعالیت های صنعتی یکی از مهم ترین عوامل آلودگی منابع آب هستند. صنایعی مانند داروسازی، پتروشیمی، فولاد، نساجی و صنایع غذایی پساب هایی تولید می کنند که پیش از تخلیه به محیط زیست باید تصفیه و پایش شوند.

پایش فرایندهای تصفیه بیولوژیکی

بسیاری از تصفیه خانه های فاضلاب از فرایندهای بیولوژیکی مانند لجن فعال استفاده می کنند که در آن باکتری ها مواد آلی فاضلاب را تجزیه می کنند. این فرایندها به شرایط عملیاتی حساس هستند و تغییر ناگهانی کیفیت فاضلاب ورودی، دما یا اکسیژن می تواند فعالیت باکتری ها را مختل کند. همچنین تصفیه و دفع لجن بخش بزرگی از هزینه های عملیاتی تصفیه خانه ها، گاهی تا حدود نیمی از آن، را تشکیل می دهد. بنابراین پایش دقیق پارامترهای فرایند برای حفظ کارایی و کاهش هزینه ها اهمیت زیادی دارد.

پایش آزمایشگاهی و پایش آنلاین

• پایش آزمایشگاهی: نمونه ها در زمان های مشخص جمع آوری و در آزمایشگاه آنالیز می شوند. این روش دقیق است، اما نتایج با تاخیر به دست می آیند و ممکن است تغییرات سریع کیفیت آب را نشان ندهند.

• پایش آنلاین: آنالایزرها و حسگرهای نصب شده در مسیر فرایند، پارامترها را به طور پیوسته و در زمان واقعی اندازه گیری می کنند و امکان واکنش سریع را فراهم می کنند.

اسپکتروفتومتر در آنالیز آب چگونه کار می کند؟

اندازه گیری پارامترهای آب با اسپکتروفتومتر معمولا به دو روش انجام می شود:

روش رنگ سنجی با ریجنت

در این روش که رایج ترین روش آزمایشگاهی و میدانی است:

1. یک ریجنت شیمیایی ویژه به نمونه آب اضافه می شود.

2. ریجنت به طور اختصاصی با ماده مورد نظر واکنش داده و معمولا یک ترکیب یا کمپلکس رنگی تشکیل می دهد. شدت رنگ با غلظت ماده متناسب است.

3. اسپکتروفتومتر جذب نور را در طول موج مشخصی اندازه گیری می کند.

4. با استفاده از منحنی کالیبراسیون و قانون بیر لامبرت، غلظت ماده محاسبه و نمایش داده می شود.

اسپکتروفتومترهای آب و فاضلاب معمولا روش های از پیش برنامه ریزی شده برای ده ها پارامتر دارند و کاربر فقط کافی است روش را انتخاب کرده و نمونه را اندازه گیری کند. استفاده از ریجنت های آماده با کیفیت و سازگار با دستگاه، نقش مهمی در دقت نتایج دارد. برای آشنایی با اصول اسپکتروفتومتری، مقاله دستگاه اسپکتروفتومتر را بخوانید.

روش جذب مستقیم بدون ریجنت

برخی ترکیبات موجود در آب، مانند نیترات و مواد آلی، خودشان نور فرابنفش را جذب می کنند. بنابراین می توان آنها را بدون افزودن ریجنت و با اندازه گیری مستقیم طیف جذبی در ناحیه فرابنفش تخمین زد. برای مثال، جذب در ۲۵۴ نانومتر (UV254) شاخص رایجی برای مقدار مواد آلی آب است.

آنالایزرهای آنلاین طیفی UV-Vis با اندازه گیری کل طیف جذبی آب و استفاده از مدل های آماری، پارامترهایی مانند نیترات، کربن آلی و برآورد COD را به طور پیوسته و بدون مصرف ریجنت پایش می کنند. این روش ها سریع هستند و به آماده سازی نمونه نیاز ندارند، اما برای هر نوع آب باید با روش های استاندارد کالیبره شوند و کدورت نمونه می تواند روی نتایج اثر بگذارد.

اسپکتروفتومتری فلورسانس

اسپکتروفتومترهای فلورسانس و حسگرهای فلورسانس برای پایش مواد آلی محلول، کلروفیل و جلبک ها، روغن در آب و برخی شاخص های آلودگی میکروبی کاربرد دارند و حساسیت بسیار بالایی دارند.

مهم ترین پارامترهای قابل اندازه گیری با اسپکتروفتومتر

طول موج های بالا تقریبی هستند و ممکن است بسته به روش و ریجنت، کمی متفاوت باشند. مقادیر دقیق در دستورالعمل هر ریجنت ذکر شده است.

اکسیژن خواهی شیمیایی (COD)

COD مقدار اکسیژن لازم برای اکسید کردن شیمیایی مواد آلی آب است و یکی از مهم ترین شاخص های آلودگی آلی فاضلاب و پساب صنعتی است. در روش استاندارد، نمونه همراه با دی کرومات پتاسیم در محیط اسیدی، در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد به مدت دو ساعت هضم می شود. سپس تغییر رنگ محلول با اسپکتروفتومتر اندازه گیری می شود. COD نسبت به BOD سریع تر اندازه گیری می شود؛ BOD به پنج روز انکوباسیون نیاز دارد و با اندازه گیری اکسیژن محلول تعیین می شود.

آمونیاک

آمونیاک در آب های سطحی، برخی آب های زیرزمینی و فاضلاب های خانگی و صنعتی وجود دارد. آمونیاک برای آبزیان سمی است و نشانه آلودگی فاضلابی است. نسبت آمونیاک به یون آمونیوم در آب به pH و دما بستگی دارد. پایش آمونیاک در تصفیه خانه ها برای کنترل فرایند نیتریفیکاسیون ضروری است.

نیترات و نیتریت

نیترات (NO₃⁻) و نیتریت (NO₂⁻) از ترکیبات نیتروژن دار مهم در آب هستند. نیترات بالا در آب آشامیدنی، به ویژه برای نوزادان، خطرناک است و یکی از عوامل مغذی شدن آب های سطحی است.

نیترات و نیتریت در ناحیه مرئی جذب قابل توجهی ندارند، اما نیترات در ناحیه فرابنفش، در حدود ۲۰۰ تا ۲۲۰ نانومتر، جذب قوی دارد. در روش جذب مستقیم UV، جذب در حدود ۲۲۰ نانومتر اندازه گیری می شود و جذب در حدود ۲۷۵ نانومتر برای تصحیح اثر مواد آلی استفاده می شود. در روش های رنگ سنجی، نیترات ابتدا به نیتریت احیا و سپس با ریجنت رنگی اندازه گیری می شود.

مواد آلی طبیعی و نیترات، مهم ترین ترکیبات جاذب نور فرابنفش در آب های طبیعی هستند و ممکن است در اندازه گیری پارامترهای دیگر در ناحیه فرابنفش تداخل ایجاد کنند. کدورت آب نیز با پراکندن نور، طیف را تغییر می دهد و دقت اندازه گیری را کاهش می دهد.

فسفات و فسفر کل

فسفر یک ماده مغذی ضروری برای رشد گیاهان و جانوران است و در آب بیشتر به شکل فسفات وجود دارد. افزایش بیش از حد فسفات، عامل اصلی مغذی شدن دریاچه ها و رودخانه ها و رشد بیش از حد جلبک ها است. به همین دلیل کنترل فسفر در پساب ها اهمیت زیادی دارد.

فسفات با روش آبی مولیبدن اندازه گیری می شود: فسفات با مولیبدات در محیط اسیدی کمپلکسی تشکیل می دهد که با اسید آسکوربیک احیا شده و رنگ آبی ایجاد می کند. برای اندازه گیری فسفر کل، ابتدا نمونه هضم می شود تا همه شکل های فسفر به فسفات تبدیل شوند.

کلر و کلرامین ها

کلر و کلرامین ها پرکاربردترین مواد ضدعفونی کننده آب آشامیدنی هستند. کلرامین ها پایداری بیشتری از کلر دارند و در شبکه های توزیع طولانی، مدت بیشتری در آب باقی می مانند. کلرامین ها سه شکل دارند:

• مونوکلرامین (NH₂Cl): ضدعفونی کننده مطلوب

• دی کلرامین (NHCl₂)

• تری کلرامین (NCl₃)

دی کلرامین و تری کلرامین پایداری کمتری دارند و باعث طعم و بوی نامطبوع آب می شوند. پژوهش ها نشان داده اند که این سه ترکیب در ناحیه فرابنفش جذب قوی دارند و قله جذب آنها به ترتیب در حدود ۲۴۳، ۲۹۴ و ۳۳۶ نانومتر است.

در عمل، کلر آزاد و کلر کل معمولا با روش DPD اندازه گیری می شوند که در آن کلر با ریجنت DPD رنگ صورتی ایجاد می کند. برای اندازه گیری مونوکلرامین نیز روش های رنگ سنجی ویژه وجود دارد. اسپکتروفتومترهای پرتابل این امکان را می دهند که کلر باقی مانده را در نقاط مختلف شبکه توزیع آب اندازه گیری کرد.

فلوراید

فلوراید به طور طبیعی در برخی آب ها وجود دارد و در برخی کشورها برای پیشگیری از پوسیدگی دندان به آب آشامیدنی اضافه می شود. سازمان جهانی بهداشت حد راهنمای ۱.۵ میلی گرم بر لیتر را برای فلوراید آب آشامیدنی تعیین کرده است. فلوراید بیش از حد می تواند باعث فلوئوروزیس دندانی و در غلظت های بالا و مصرف طولانی، فلوئوروزیس اسکلتی شود.

یون فلوراید خودش نور فرابنفش یا مرئی را جذب نمی کند. به همین دلیل با اسپکتروفتومتر به روش SPADNS اندازه گیری می شود: فلوراید با یک کمپلکس رنگی زیرکونیوم واکنش داده و رنگ آن را کم رنگ می کند و کاهش جذب با غلظت فلوراید متناسب است. روش دیگر اندازه گیری فلوراید، استفاده از الکترود یون گزین است.

سولفات

سولفات با روش کدورت سنجی اندازه گیری می شود؛ سولفات با باریم، سولفات باریم نامحلول تشکیل می دهد و کدورت حاصل اندازه گیری می شود. سولفات بالا باعث رسوب گذاری، خوردگی و در شبکه های فاضلاب، تولید گاز سمی سولفید هیدروژن می شود. برای اطلاعات بیشتر، صفحه ریجنت سولفات را ببینید.

سایر پارامترها

اسپکتروفتومترها پارامترهای دیگری مانند رنگ، کدورت، سختی، فلزات (آهن، منگنز، مس، آلومینیوم، کروم)، سیلیس، اکسیژن محلول، سیانید و سولفید را نیز با ریجنت های مناسب اندازه گیری می کنند. در فرایندهای بی هوازی نیز پارامترهایی مانند اسیدهای چرب فرار و قلیائیت پایش می شوند.

مزایای اسپکتروفتومتر در آنالیز آب و فاضلاب

• تنوع پارامترها: اندازه گیری ده ها پارامتر با یک دستگاه

• سرعت: نتایج بیشتر آزمون ها در چند دقیقه به دست می آید.

• سادگی: روش های از پیش برنامه ریزی شده و ریجنت های آماده

• دقت و تکرارپذیری: بر پایه روش های استاندارد

• قابلیت حمل: اسپکتروفتومترهای پرتابل امکان آنالیز در محل را فراهم می کنند.

• هزینه مناسب: در مقایسه با روش های دستگاهی پیچیده تر

اسپکتروفتومترها و ریجنت های بلورآزما برای آب و فاضلاب

بلورآزما مجموعه ای از تجهیزات و مواد مورد نیاز برای آنالیز آب و فاضلاب را تولید می کند:

• اسپکتروفتومترهای رومیزی تک پرتو AURORA و دو پرتو OPAL با محدوده فرابنفش تا فروسرخ نزدیک، برای آزمایشگاه های تصفیه خانه ها و صنایع

• اسپکتروفتومتر پرتابل ONYX برای آنالیزهای میدانی در شبکه های توزیع، چاه ها و محل تخلیه پساب

• ریجنت های آنالیز آب برای پارامترهای مختلف، سازگار با اسپکتروفتومترهای بلورآزما و اسپکتروفتومترهای رایج دیگر

برای آشنایی با این دستگاه ها، مقاله اسپکتروفتومتر ایرانی بلورآزما را بخوانید و فهرست کامل ریجنت ها را در صفحه محصولات ببینید.

سوالات متداول

چه پارامترهایی از آب را می توان با اسپکتروفتومتر اندازه گیری کرد؟

پارامترهایی مانند COD، آمونیاک، نیترات، نیتریت، فسفات، کلر، فلوراید، سولفات، فلزات، رنگ و کدورت.

COD چگونه با اسپکتروفتومتر اندازه گیری می شود؟

نمونه با دی کرومات پتاسیم در محیط اسیدی در ۱۵۰ درجه سانتیگراد به مدت دو ساعت هضم می شود و تغییر رنگ محلول با اسپکتروفتومتر اندازه گیری می شود.

آیا BOD را می توان با اسپکتروفتومتر اندازه گیری کرد؟

خیر، BOD با اندازه گیری کاهش اکسیژن محلول طی پنج روز انکوباسیون تعیین می شود، هرچند برخی شاخص های طیفی مانند UV254 با آن همبستگی دارند.

کلر آزاد آب چگونه اندازه گیری می شود؟

با روش DPD؛ کلر با ریجنت DPD رنگ صورتی ایجاد می کند که شدت آن با اسپکتروفتومتر اندازه گیری می شود.

چرا فلوراید را نمی توان مستقیما با اسپکتروفتومتر اندازه گیری کرد؟

چون یون فلوراید نور فرابنفش یا مرئی را جذب نمی کند؛ به همین دلیل با روش SPADNS که بر پایه کاهش رنگ یک کمپلکس است اندازه گیری می شود.

جمع بندی

اسپکتروفتومتر یکی از ابزارهای اصلی آنالیز در صنعت آب و فاضلاب است که پایش کیفیت آب، کنترل مواد ضدعفونی کننده، تشخیص آلاینده ها و بهینه سازی فرایند تصفیه را ممکن می کند. اندازه گیری ها معمولا با روش رنگ سنجی و ریجنت های اختصاصی انجام می شوند و برای برخی پارامترها مانند نیترات و مواد آلی، اندازه گیری مستقیم در ناحیه فرابنفش و پایش آنلاین نیز امکان پذیر است. COD، آمونیاک، نیترات، فسفات، کلر، فلوراید و سولفات از مهم ترین پارامترهایی هستند که با اسپکتروفتومتر اندازه گیری می شوند.

منابع

• Monitoring Biological Wastewater Treatment Processes: Recent Advances in Spectroscopy Applications

• Wastewater Quality Estimation Through Spectrophotometry-Based Statistical Models