مهندسی بهداشت

مقدمه

مهندسی بهداشت شاخه ای از مهندسی است که حفاظتمحیط زیست از اثرات سوءناشی از فعالیت های انسان حفاظت جوامع انسانی ازعوامل سوء زیست محیطی و بهتر نمودن کیفیت محیط برای سلامتی و رفاه انسانرا به عهده دارد . همانطور که در تعریف بالا نهفته است انسانها در تماس بامحیط زیست گاهی اثر سوء بر آن گذاشته و گاهی نیز در اثر آلودگی های موجوددر محیط ضرر می بینند . شناخت طبیعت محیط و اثرات متقابل محیط و انسانمقدمه لازمی برای شناخت وظیفه مهندس بهداشت محیط است .
آب به عنوانحلال عمومی موسوم است و پارامترهایی شیمیایی به قدرت حل کنندگی آب مربوطمی شود کل جامدات محلول قلیائیت (Alkalinity) سختی فلورایدها ، فلزات ،مواد آلی و مواد مغذی ، پارامترهای شیمیایی مورد توجه در کیفیت آب به شمارمی روند . یادآوری بعضی اصول اولیه شیمی مربوط به محلولها که در زیر آوردهمی شود به فهم بحث بعدی در مورد پارامترهای شیمیایی کمک خواهد کرد .

شیمی محلولها

مقدمه

شیمی محلولها

اتمکوچکترین واحد عناصر به شمار می رود ، اتمها اجزاء ساختمانی هستند که ازانها مولکول های عناصر و ترکیبات ساخته می شود . به عنوان مثال ، بر اثرترکیب دو اتم هیدروژن با هم مولکول هیدروژن تشکیل می شود .
H + H = H۲
با اضافه شدن یک اتم اکسیژن به مولکول هیدروژن یک مولکول آب تشکیل می شود .
H۲ + O = H۲O
جرمنسبتی اتم عناصر ، بر اساس جرم ۱۲ برای کربن تعیین شده است ، جمع جرم اتمتمامی اتم های موجود در یک مولکول ( جرم مولکولی ) آن مولکول نامیده میشود .
جرم اتمی هیدروژن ۱ و جرم اتمی اکسیژن ۱۶ است . بنابراین جرممولکولی هیدروژن ۲ و جرم مولکولی آب ۱۸ می باشد . یک مول (Mole) هر عنصریا ماده مرکب جرم مولکولی آن ماده است که بر حسب واحدهای معمولی جرمهمانند گرم گزارش می شود . یک مول هیدروژن ۲ گرم است . در صورتی که یک مولاب ۱۸ گرم می باشد ، اگر یک مول از ماده ای را در آب حل کنیم و حجم محلولرا به یک لیتر برسانیم محلول به دست آمده را « محلول یک مولار » می نامند.
پیوند عناصر در یک ترکیب بعضی مواقع به وسیله نیروهای الکتریکیناشی از انتقال الکترون ها صورت می گیرد وقتی که این ترکیبات در آب تجزیهمی شود بارهای الکتریکی مختلف تولید می شود به عنوان نمونه کلرید سدیم رامی توان نام برد :
NaCl Na + Cl
گونه های باردار « یون » نامیدهمی شوند . یون های با بار مثبت به کاتیون « Cation » و یونهای با بار منفیبه آنیون « Anion » معروف هستند . تعداد بارهای مثبت و منفی بایستی مساویباشد تا خصوصیت خنثی بودن الکتریکی ترکیب شیمیایی حفظ شود . تعداد بارهایهر یون به ظرفیت « Valence » آن یون معروف است . بدین طریق ، ظرفیت سدیم «Valence » آن یون معروف است . بدین طریق ظرفیت سدیم « Na+ » یک است . درصورتی که ظرفیت کلسیم « Ca۲+ »دو می باشد . بعضی از ترکیبات موسوم بهرادیکالها نیز دارای بار الکتریکی هستند . نمونه ای از رادیکال کاتیونیآمونیوم « NH۴ + » می باشد در صورتیکه کربنات « CO۳ » رادیکال آنیونی میباشد . وقتیکه یونها یا رادیکالها با همدیگر واکنش انجام می دهند ترکیباتجدیدی تشکیل می دهند . واکنش ها ممکن است بر اساس یک – به یک چنانکه درمورد کلرید سدیم دیدیم پیش نروند . در این حال این واکنش ها بر اساس تعادلیا اکی والانس « equivalence» که به خنثائی الکتریکی مربوط است جلو میروند . از نظر فنی ، تعادل هر عنصر یا رادیکال به تعداد اتمهای هیدروژنیگفته می شود که عنصر رادیکال قادر به نگهداری در ترکیب یا قادر به جابجاکردن در واکنش باشد در اکثر موارد اکی والانس یک یون مساوی با ارزش مطلقظرفیت آن است . مقدار معادل یا اکی والانت « equivalent» هر عنصر یارادیکال جرم وزنی وملکولی آن بر حسب گرم ، تقسیم بر اکی والانس «equivalence » آن می باشد میلی اکی والان جرم مولکولی گزارش شده بر حسبمیلی گرم ، تقسیم بر اکی والانس است و غالباً در شیمی آب مفیدتر است بهخاطر اینکه غلظت مواد محلول غالباً در محدوده میلی گرم در لیتر می باشد .
بسیاریاز مواد جامد ، خصوصاً آنهایی که ساختار بلورین دارند ، به سادگی در آبیونیزه می شوند . آب ممکن است در این فرایند ماده واکنش کننده باشد و یانباشد .
در معادلهA اب واکنش کننده است ، در صورتی که در معادله B نیست :
A ) CaO + H۲O Ca۲ + ۲OH
B ) NaCl + H۲O Na + Cl + H۲O
وقتیکه آب واکنش کننده نیست ، آن را از معادله حذف می کنند . فلشهای دوطرفی درمعادله B نشان دوطرفه بودن واکنش است . این به این معنی است که شکل جامد(NaCl) ممکن است به اجزای یونی خود تجزیه شود (انحلال) یا اجزای یونی ممکناست ترکیب شده و فرم جامد را تشکیل دهند ( رسوب ) . وقتی که ماده مادهجامد در اولین لحظه با آب برخورد می کند ، جهت واکنش خالص (کل برآیند) بهطرف فرم یونی است . در صورت وجود مقدار کافی جرم جامد ، حالت تعادلدینامیک که در آن ، درجه انحلال و درجه رسوب دقیقاً مساوی است برقرار میشود . در این نقطه ، آب با گونه های حل شونده اشباع شده است .

منابع

موادمحلول از خاصیت حل کنندگی آب بر روی جامدات ، مایعات و گازها پدید می آیند. مواد محلول ممکن است همچون مواد معلق ، آلی و یا غیرآلی باشند . موادغیرآلی که در آب محلولند شامل مواد معدنی ، فلزات وگازها می باشند . آبممکن است با این مواد در اتمسفر ، روی سطوح ، و در خاک تماس پیدا کند .مواد حاصل از تجزیه گیاهان ، مواد شیمیایی آلی و گازهای آلی ، اجزای محلولآلی آب هستند . قدرت حلالیت آب ، آن را وسیله ایده آلی برای حمل مواد زائداز اماکن صنعتی و خانه ها می کند .اثرات بسیاری از مواد محلول در ابنامطلوب هستند . مواد معدنی محلول ، گازها و اجزای آلی ممکن است باعثتولید رنگ ، طعم و بوی ناخوشایند بشوند . بعضی از مواد شیمیایی ممکن استسمی و بعضی از مواد محلول آلی سرطانزا می باشند . غالباً دو یا چند مادهمحلول ( خصوصاً مواد آلی و اعضای گروههای هالوژنها) ترکیب شده و باعثتشکیل ترکیبی می شوند که خاصیت مورد اعتراض تری از هرکدام از مواد اولیهدارند . همه مواد محلول در آب ، نامطلوب نیستند . به عنوان نمونه ، آبتقریباً خالص مقطر طعم بیمزه دارد . به علاوه ، آب با در نظرگرفتن اجزایمحلول حالت تعادلی دارد . آب اشباع نشده حالت خورندگی ( Corrosive) دارد وبه سادگی موادی را که با آن تماس پیدا می کنند حل می کند . برای کاهشتمایل آب در ایجاد خوردگی در لوله ها و ملزومات ، در بعضی مواقع به آبنسبتاً خالص ماده ای که به راحتی در آب قابل حل است ، اضافه می شود .

تعادل یون

یونهاییکه در اکثر سیستمهای ابی طبیعی در اندازه گیری TDS مشاهده می شود ، درجدول زیر آورده شده است . آنهایی که در قسمت اجزای اصلی لیست شده ، غالباًبرای مشخص کردن میزان جامدات محلول آب ، کافی بوده و اینها «یونهای معمول»(Common Ions) نامیده می شود و اغلب تک تک اندازه گیری شده و سپس برحسباکی والان جهت نمایش تقریبی TDS جمع زده می شود . جهت کنترل ، جمع آنیونهاباید مساوی جمع کاتیونها باشد ، زیرا خنثایی الکتریکی باید حفظ شود .مقدار عمده عدم تعادل به معنی این است که اجزای دیگری وجود دارد یااشتباهی در آنالیز یک یون یا بیشتر ،رخ داده است .

Secondary constitiuents ۰.۰۱-۱۰.۰mg/L	Major constituents ۱.۰-۱۰۰۰mg/L
Iron Strontium Potassium Carbonate Nitrate Fluoride Boron Silica	Sodium Calcium Magnesium Bicarbonate Sulfate Chloride

قلیائیت :

قلیائیتبه مقدار یونهای موجود در آب گفته می شود که بر اثر واکنش با یون هیدروژنآن را خنثی می کند . بدین طریق قلیائیت ، میزان توانایی آب برای خنثی کردناسیدهاست .

منابع

اجزای قلیائیت در سیستمهایآبی طبیعی شامل HPO۴ ، H۲PO۴ ، HS ، NH۳ ، CO۳ ، HCO۳ ، OH ، HSiO۳ ،H۲BO۳ می باشد . این ترکیبات از انحلال مواد معدنی خاک و اتمسفر حاصل میشود . فسفاتها نیز ممکن است از پاک کننده های موجود در فاضلاب و از کودهایشیمیایی و حشره کش های مورد استفاده در زمینهای کشاورزی ، سرچشمه بگیرد .سولفید هیدروژن و آمونیاک ممکن است حاصل تجزیه میکروبی مواد آلی باشد .
اکثرقریب به اتفاق اجزای قلیائیت را بیکربنات ( HCO۳) ، کربنات (CO۳ ) ، وهیدروکسید ( OH) تشکیل می دهد . علاوه بر معدنی بودن ریشه آنها ، این موادمی توانند از دی اکسید کربن ( CO۲) که جزئی از اتمسفر و حاصل تجزیهمیکروبی مواد آلی است سرچشمه بگیرند .

اندازه گیری

اندازهگیری قلیائیت به وسیله تیتراسیون آب با اسید و تعیین معادل هیدروژن آنصورت می گیرد و سپس برحسب میلیگرم در لیتر CaCO۳ گزارش می شود . اگر درتیتراسیون از اسید سولفوریک ۰/۰۲Nاستفاده شود ، یک میلی لیتر اسید ، ۱میلیگرم قلیائیت بر حسب CaCO۳ را خنثی می کند . یونهای هیدروژن اسید باقلیائیت طبق معادلات زیر واکنش می کنند .
H + OH H۲O
CO + H HCO۳
HCO۳ + H H۲CO۳
اگر اسید به طور آهسته به آب اضافه شده و ph آب برای هربار افزودن یادداشت شود ، منحنی تیتراسیون به دست می آید .
تغییرانحناهای این منحنی که تقریباً درphهای ۳/۸ و ۵/۴ اتفاق می افتد از اهمیتخاصی برخوردار است . تبدیل کربنات به بی کربنات در ph برابر ۳/۸ تقریباًکامل است . در عین حال ، به دلیل اینکه بیکربنات نیز نوعی از قلیائیت استبرای خنثی کردن کامل باید مقدار مساوی اسید اضافه شود . بنابراین خنثائیکربنات در ph برابر ۳/۸ فقط نیمه کامل است . به علت اینکه تبدیل هیدروکسیدبه آب در ph برابر ۳/۸ کامل است ، تمام هیدروکسید و یک دوم کربنات درphبرابر ۳/۸ اندازه گرفته شده است . در ph برابر ۵/۴ تمام کربنات به اسیدکربنیک تبدیل شده است . که شامل بی کربنات ناشی از واکنش اسید و کربناتنیز می شود . بدین طریق ، مقدار اسید لازم برای تیتراسیون نمونه آب تا pHبرابر ۵/۴ معادل قلیائیت کل آب است . این نکته در مثال زیر شرح داده شدهاست .

منابع

یونهای فلزی چند ظرفیتی که به حدوفور در آب طبیعی یافت می شوند کلسیم و منیزیم می باشند . از دیگر یونها ،آهن و منگنز در حالت احیا ، استرانسیوم و آلومینیوم را می توان نام برد .دو یون آخری معمولاً در مقادیر بسیار کمتری از کلسیم و منیزیم یافت می شودو در عمل سختی به صورت جمع یونهای کلسیم و منیزیم نمایش داده می شود .

اثرات

مصرفصابون به وسیله آبهای سخت دارای زیان اقتصادی برای مصرف کننده آب است .صابونهای سدیمی با کاتیونهای چند ظرفیتی فلزی ، واکنش کرده و تولید رسوبمی کند ، و بدین طریق خاصیت کشش سطحی اش را از دست می دهد .
تنها بعداز رسوب همه یونهای سختی است که کف کردن (Lathering) صابون اتفاق می افتد، و در این زمان گفته می شود که آب به وسیله صابون « نرم » شده است . رسوبمتشکل از سختی و صابون به دیواره وان حمام ، دستشویی و ماشین ظرفشوییچسبیده و ممکن است لباسها ، ظروف و دیگر اقلام را لکه دار کند . باقیماندههای رسوب سختی و صابون ممکن است در منافذ باقی بماند و حالت خشن نامساعدبر پوست باقی بگذارد . در سالهای اخیر ، این مشکلات با پیدایش صابونها وشوینده هایی که با سختی واکنش نمی کند تا حد زیادی رفع شده است .
جرمگرفتن دیگ بخار در نتیجه رسوب سختی کربنات ممکن است موجب زیان اقتصادیقابل توجهی از طریق گرفتگی آبگرمکن ها و لوله های آب داغ شود . تغییرات phدر شبکه های آبرسانی نیز ممکن است باعث ایجاد رسوب شود . بیکربناتها در pHبالای ۹ شروع به تبدیل شدن به کربناتها (که قابلیت حل شوندگی کمتری دارد )می کند . سختی منیزیم ، خصوصاً سختی مربوط به یون سولفات ، برای کسانی کهبه آن عادت ندارند اثر مسهلی دارد . غلظت منیزیم کمتر از mg/L ۵۰ در آبهایآشامیدنی مطلوب است ، اگرچه بسیاری از منابع آبی همگانی از این مقدارتجاوز می کند . سختی کلسیم مشکل سلامتی ایجاد نمی کند . در حقیقت آب سختظاهراً برای سیستم گردش خون انسان مفید است .

اندازه گیری

سختیرا می توان به وسیله روشهای اسپروکتروفتومتری یا تیتراسیون شیمیایی برایتعیین مقادیر یونهای کلسیم و منیزیم در یک نمونه اندازه گیری کرد .
همچنینمی توان مستقیماً با تیتراسیون کردن به وسیله EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid ) و استفاده از EBT ( eriochrome black T ) به عنوانمعرف اندازه گیری کرد .EBT با کاتیونهای فلزی دو ظرفیتی واکنش کرده وکمپلکسی را که به رنگ قرمز است تشکیل می دهد . EDTA جایگزین EBT در اینکمپلکس می شود و وقتی که این جایگزینی کامل شد ، محلول از قرمز به آبیتغییر رنگ می دهد . اگر EDTA ۰.۰۱M استفاده شود ، ۱.۰mL از تیتر کننده ،یک میلیگرم سختی بر حسب CaCO۳ را اندازه گیری می کند .

فلوراید

فلورایددر طبیعت به طور کلی درچند نوع سنگ های رسوبی یا آتشفشانی یافت می شود وبه ندرت در مقادیر زیاد در آبهای سطحی پیدا شده و فقط در چند نقطهجغرافیایی در آبهای زیرزمینی مشاهده می شود و مقدار زیاد فلوراید برایانسانها و حیوانات سمی است ، در صورتی که غلظتهای کم می تواند مفید باشد .غلظتهای حدود ۱ mg/L در آب آشامیدنی به جلوگیری از پوسیدگی دندانها دراطفال کمک می کند . به هنگام تشکیل دندانهای دائمی ، فلوراید با مینایدندان به طریق شیمیایی ترکیب شده و باعث ایجاد دندان سخت تر و قویتری میشود که در برابر فساد مقاوم است . اگر به طور طبیعی فلوراید در آب جهتتشکیل دندانهای سالم وجود نداشته باشد این ماده به منابع آب اضافه می شود.
مصرف بیش از حد فلوراید منجر به بی رنگ شدن دندان می شود . بیرنگیقابل توجهی موسوم به خالدارشدن (Mottling ) در مواقعی که غلظت فلوراید درآب آشامیدنی بیش از ۲mg/L است ، به طور نسبی معمول است ، ولی در غلظتهایکمتر از ۱.۵mg/L نادر است . دندانهای بزرگسالان از اثر فلوراید مصون است ،اگرچه اثرات مفید و مضر فلوراید در سالهای تشکیل دندانها تا بزرگسالیادامه پیدا می کند . میزان فلوراید بیش از حد می تواند باعث ایجاداختلالاتی در استخوانها نیز گردد . غلظت کمتر از ۵mg/L مشکلی ایجاد نمیکند و غلظتهای بالاتر از این مقدار نیز بجز بروز لکه های سیاه (خال زدگی)عارضه ای ایجاد نمی نماید . به فرض مصرف آب بیشتر در مناطق گرمسیری ،استانداردهای EPA براساس دماهای معمولی وضع شده است .

فلزات

همهفلزات تا حدی قابل حل در آب هستند . اگرچه مقدار زیادی هر فلزی ممکن استسلامتی را به خطر اندازد ، ولی فقط آنهایی که در مقادیر نسبتاً کم ، مضرهستند سمی قلمداد شده اند و دیگر فلزات در رده غیر سمی قرار می گیرند .منابع فلزات در آبهای طبیعی شامل انحلال از رسوبات طبیعی و تخلیه هایفاضلاب شهری ، صنعتی یا کشاورزی می باشد . اندازه گیری فلزات درآب معمولاًبه وسیله نورسنجی اتمی صورت می گیرد .

فلزات غیر سمی

علاوهبر یونهای سختی ، کلسیم و منیزیم ، دیگر فلزات غیرسمی که معمولاً در آبیافت می شوند شامل سدیم ، آهن ، منگنز ، آلومینیوم ، مس و روی است . سدیمبیشتر از دیگر فلزات غیرسمی در آبهای طبیعی وجود دارد ، در پوسته زمینفراوان است و نسبت به دیگر عناصر خیلی واکنش پذیر است . نمکهای سدیم بهمقدار زیاد در آب قابل حل هستند . غلظتهای زیاد باعث ایجاد طعم تلخ در آبشده و سلامتی بیماران قلبی و کلیوی را به خطر می اندازد . سدیم همچنینخاصیت خورندگی (Corrosive ) بر سطح فلزات دارد و در غلظتهای زیاد برایگیاهان سمی می باشد .
آهن و منگنز در اکثر موارد با یکدیگر یافت میشود و در غلظتهای عادی در آبهای طبیعی خطری برای سلامتی ندارد . آهن بهمقدار ۰.۳mg/L و منگنز به میزان ۰.۰۵mg/L می تواند باعث ایجاد مشکل رنگشود . به علاوه ، بعضی از باکتری ها از آهن و منگنز به عنوان منبع انرژیاستفاده می کنند و رشد توده لجن (Slime ) ایجاد شده ممکن است مشکلات طعم وبو بوجود آورد .
مقادیر زیاد آهنی که در بعضی مواقع در سیستم آبطبیعی یافت می شود ، معمولاً از نوع آنیونهای کلرور(FeCl۲ ) ، بیکربنات ۲(HCO۳ )Fe یا سولفات (SO۴ )Fe و در حالت احیا شده می باشد . در حضوراکسیژن ، یون فروس (Fe۲+ ) به یون فریک (Fe۳+ )اکسید شده و با هیدروکسیدیک ترکیب نامحلول { ۳ (OH )Fe }تشکیل می دهد . بدین طریق ، معمولاً مقادیرزیاد آهن فقط در سیستمهایی همچون آبهای زیرزمینی یا در لایه های پایینیدریاچه طبقه بندی شده ، یافت می شوند . همین طور ، یونهای منگنز Mn۲+ وMn۴+ از نوع کلرور ، نیترات و سولفات حل شونده هستند ، در صورتی کهترکیبات اکسید شده (Mn۳+ و Mn۵+ )تقریباً نامحلول می باشند . در عین حالممکن است اسیدهای آلی که از گیاهان تجزیه شده مشتق می شوند با آهن و منگنزکی لیت (Chelate )شوند و بدین طریق از اکسید شدن و در نتیجه رسوب آنها درآبهای طبیعی جلوگیری به عمل آید .

دیگر فلزات غیر سمی معمولاً درمقادیر بسیار کمی در سیستم آبهای طبیعی یافت می شوند و اکثر آنها قبل ازرسیدن به حد غلظت سمی مشکلات طعم ایجاد می کنند . در عین حال ، مس و رویاثر تشدیدکنندگی دارند و در مواقعی که هر دو موجودند ، حتی در مقادیر کم ،برای بسیاری از گونه های بیولوژیکی سمی هستند

مطالب تصادفی:

وبا - سه شنبه شانزدهم فروردین 1390
سالمونلازیس - سه شنبه شانزدهم فروردین 1390
شيگلا - سه شنبه شانزدهم فروردین 1390
يرسينيا انتروكوليتيكا - سه شنبه شانزدهم فروردین 1390
طرح و محاسبه سپتیک تانک - یکشنبه چهاردهم فروردین 1390

برچسب: نویسنده: امیرحسین ستوده بیدختی تاريخ: پنجشنبه 16 13 ساعت: 1:5

درباره سایت

آخرین مطالب

امکانات وب

مهندسی بهداشت

صفحه بندی

آرشیو مطالب

پيوندهای روزانه

لینک دوستان

خبرنامه