بخشی از مقاله
نقش عوامل موثر در تشکيل کلرو استيک اسيد ها در فرآيند کلرزني وشناسايي و تعيين مقدار اين ترکيبات در آب آشاميدني شهر تهران
چکيده
امروزه معمول ترين روش گندزدايي آب در جهان کلر زني مي باشد..در فرآيندکلر زني علاوه بر غير فعال سازي عوامل بيمـاري زا، ماده کلر با مواد آلي طبيعي موجود در آب واکنش داده و منجر به تشکيل محصولات جانبي کلرينه مانند کلرو استيک اسيدها مـي شود. در اين تحقيق عوامل موثر بر تشکيل کلرو استيک اسيد هـا از طريـق انجـام واکـنش کلريناسـيون پروپـانون بررسـي شـده اسـت . فاکتورهاي مورد مطالعه شامل غلظت مواد آلي ، دوز کلر و pH نمونه ها بودند. نتايج آزمون ها نشان داد که اين عوامـل بـر نـوع و مقدار تشکيل کلرو استيک اسيد ها به صورت معني داري تاثير گذارهسـتند. افـزايش غلظـت پروپـانون و دوز کلـر سـبب افـزايش تشکيل هر سه گونه کلرو استيک اسيد ها خصوصا دي کلرو استيک اسيد مي شود. در حالي که کاهش مقـدار pH سـبب افـزايش غلظت کلرواستيک اسيدها شد. شناسايي و اندازه گيري کلرو استيک اسيدها با دستگاه گاز کروماتوگراف مجهز به دتکتـور جـذب الکتروني ومطابق روش ۵۵۲.۲ سازمان حفاظت محيط زيست آمريکـاو انـدازه گيـري مـواد آلـي بـا دسـتگاه TOC متـرو مطـابق روش ۵۳۱۰ استاندارد متد انجام شد.
همچنين به منظور بررسي عوامل موثر بر تشکيل کلرو استيک اسيدها که در اثر کلريناسيون مواد آلي در منـابع آب هـاي سـطحي ايجاد مي شوند، از آبان ۱۳۸۹ تا خرداد ۱۳۹۰ از آب رودخانه کرج ، آب کلرينه آبگير بيلقان ، آب ورودي و خروجـي تصـفيه خانـه جلاليه نمونه برداري شد. نمونه ها به لحاظ پارامتر هاي دما ، کلر آزاد باقيمانده ، مواد آلي کل ،pH وکلرو استيک اسيد ها پـايش شدند. از نتايج بدست آمده مي توان استنباط نمود که به دليل حضور مواد آلي طبيعي در آب رودخانه کرج ، گندزدايي توسط کلـر منجر به افزايش غلظت کلرو استيک اسيد ها مي شود. ولي به دليل اينکه غلظت مواد آلي کـم مـي باشـد ، پتانسـيل بـالايي بـراي تشکيل اين ترکيبات وجود ندارد و مقداراندازه گيري شده اين ترکيبات در آب آشاميدني شهر تهران ، کمتر از حد مجـاز اسـتاندارد ملي ايران ۱۰۵۳ ، سازمان بهداشت جهاني و رهنمود هاي سازمان حفاظت محيط زيست آمريکا است .
کلمات کليدي : کلرو استيک اسيد ها: مواد آلي طبيعي : دستگاه کروماتوگراف گازي : آشکار ساز جذب الکتروني
مقدمه
بسياري از منابع آب بويژه آب هاي سطحي در جهان داراي مواد آلي طبيعي مـي باشـند کـه منجـر بـه توليـد طعـم و بـوي نامطبوع ، واکنش با کلر و توليد محصولات جانبي در حين فرآيند تصفيه آب آشاميدني مي شوند.[۱]
هدف از تصفيه ي آب حذف عوامل بيماري زا و آلاينده هاي اثر گذار در خصوصيات کيفي و مقبوليـت آب اسـت . گنـدزدايي آب مرحله نهايي فرآيند تصفيه مي باشد.امروزه معمولترين روش گندزدايي در جهان ، کلر زنـي اسـت کـه مهمتـرين دلايـل استفاده از کلر به عنوان گندزدا ، موثر بودن در غلظت پايين ، باقي گذاردن ماده گندزدا ارزان بودن و در دسترس بودن است .
در فرآيند گندزدايي آب ، علاوه بر کشتن يا غير فعالسازي عوامل بيماري زا ، مـاده ي گنـدزدا بـا مـواد آلـي طبيعـي ٢ در آب واکنش داده و به طور ناخواسته محصولات جانبي گندزدايي توليد مي شوند. عمده ترين محصولات جانبي آب کلرزني شـده تري هالو متان ها ٣(۴ ترکيب ) و هالو استيک اسيد ها ( ۵ترکيب ) هستند.[۵]
هالو استيک اسيدها مشتقات اسيد هاي کربوکسيليک مي باشند که در آن ها اتم هالوژن ، جايگزين اتم هيدروژن گـروه متيـل (در موقعيت آلفا) مي شود. اين ترکيبات داراي سه گروه مجزا (مونو هالو استيک اسيدها ، دي هالو استيک اسيد ها و تري هالو استيک اسيد ها )و ۹ ترکيب هستند .
سازمان حفاظت محيط زيست آمريکا پنج ترکيب هالو استيک اسيد HAA٥( شامل مونو کلرو استيک اسـيد ، دي کلـرو اسـتيک اسيد ، تري کلرو استيک اسيد ، مونو برومو استيک اسيد و دي برومو استيک اسيد) را به عنوان آلـوده کننـده اوليـه معرفـي کـرده است . [۱۰]
اين ترکيبات بي رنگ ، داراي فراريت کم ، محلول در آب و نسبتا پايدار مي باشند.منـابع اصـلي توليـد HAAs در محـيط زيسـت ناشي از استفاده اين ترکيبات جهت ساخت داروها ( مانند منقبض کننده هاي موضعي ، ضد قارچ ها ، تعديل کننده اسـيد خـون ، قند خون و چربي خون ) و مواد شـيميايي از قبيـل سـفيد کننـده هـاي خميـر چـوب کـه بـراي توليـد کاغـذ بکـار مـي رونـد ، هستند.[۲و۹]
مطالعات اپيدميولوژيکي که در سال ۱۹۹۲ در ايالات متحده ، در ارتباط با پتانسيل خطر زايي بهداشتي آب هاي کلرينه انجام شده نشان مي دهد که ۹% موارد سرطان مثانه و ۱۵% سرطان روده از ده هزار مورد سرطاني که در يک سال اتفاق افتـاده بـود ناشـي از محصولات جانبي کلر زني شده مي باشد.
بر اساس طبقه بندي سال ۱۹۸۶ سازمان حفاظت محيط زيست آمريکا ، دي کلرو استيک اسيد در گروه B٢ قرار دارد که احتمـالا براي انسان سرطانزا مي باشد که اين احتمال بر اساس شواهد کافي در بررسي بر روي حيوانات و عدم وجود شواهد کافي در انسان ها است .[۴]
تري کلرو استيک اسيد در گروه C قرار دارد. اين ترکيب ممکن است براي انسان سرطانزا باشد کـه بـر اسـاس شـواهد محـدود در حيوانات و در غياب اطلاعات در مورد انسان مي باشد. در خصوص مونو کلرو استيک اسيد هـا نيـز اطلاعـات کـافي جهـت ارزيـابي پتانسيل سرطانزايي در انسان وجود ندارد. [۱۱]
سازمان حفاظت محيط زيست آمريکا به دليل پتانسيل خطرزايي کلرو استيک اسيد ها بر سلامتي انسان ، مقررات مختلفي را براي پايش و کنترل آن ها ارائه کرده است . [۱۲و۱۳]
مطالعات بر روي موش ها نشان مي دهد که تماس طولاني مدت با ترکيبات دي و تري کلرو استيک اسيد موجود در آب آشاميدني
، باعث ايجاد سرطان کبد مي شود.
هالو استيک اسيد ها از طريق غذا (سبزيجات ، حبوبات ، غلات و آب آشاميدني کلرينه ) وارد بدن انسان مي شوند و جذب آن ها در بدن از طريق جريان خون رخ مي دهد .[۶] غلظت بالاتر از حد مجاز اين ترکيبات در بدن انسان بر روي کبد ، کليه ، چشـم هـا ، سيستم عصبي و سيستم توليد مثل اثرات سوء دارد.اين ترکيبات توسط پوست قابل جذب نيستند. [۸ و ۹] بنابراين به لحاظ نگراني هاي ناشي از مخاطرات اين ترکيبات بر سلامتي انسان بررسي عوامل موثر بر تشکيل کلرو اسـتيک اسـيد ها در طي فرآيند کلر زني وشناسايي و تعيين مقدار اين گروه از ترکيبات در آب آشاميدني ضروري مي باشد.
آب آشاميدني شهر تهران از طريق منابع آب هاي سطحي و زير زميني تامين مي شود. آب هاي سطحي شامل رودخانه هاي کرج ، جاجرود و لار مي باشند.
آب رودخانه کرج پس از انتقال به سد امير کبير به آبگير بيلقان منتقل وپس از تصـفيه مقـدماتي و پـيش کلـر زنـي بخشـي از آن توسط خطوط انتقال فولادي به تصفيه خانه جلاليه مي رسد.
در اين مطالعه پارامتر هاي کيفي اثر گذار ( شامل مقدار مواد آلي ، ميزان کلرتزريقي ، محل تزريق کلـر ، دمـا و pH) در تشـکيل کلرو استيک اسيد ها در حين فرآيند تصفيه در تصفيه جلاليه ، بررسي شده است . همچنين مقداراين ترکيبـات در آب آشـاميدني شهر تهران بررسي و نتايج حاصل از آناليز نمونه ها ، با استاندارد ملي ايران ۱۰۵۳، سازمان بهداشت جهاني WHO و رهنمود هـاي سازمان حفاظت محيط زيست آمريکا مقايسه شد.
موادو روش کار
به منظور انجام اين تحقيق ، از آبان سال ۱۳۸۹ تا خرداد سال ۱۳۹۰ از آب رودخانه کرج (آب خام ورودي به آبگير بيلقان )، آب کلر زني شده خروجي از آبگير بيلقان ، آب خام ورودي به تصفيه خانه جلاليه و آب تصفيه شده خروجي از تصفيه خانه ،نمونـه (نـوع ساده ) برداشته شد.
به منظور ارزيابي عملکرد فرآيند تصفيه در تصفيه خانه هاي فوق ، محل هايي که براي نمونه برداري انتخاب شـدند قبـل از واحـد انعقاد و بعد از واحد کلر زني نهايي ( پس کلر زني ) ، بودند . برخي از فاکتور هاي موثر در تشکيل کلرو استيک اسيدها ماننـد دمـا ، pH و ميزان کلر باقيمانده مطابق توصيه ي استاندارد، در محل نمونه برداري اندازه گيري شدند. همچنـين جهـت جمـع آوري و انتقال نمونه ها از ظروف مخصوص نمونه برداري مواد آلي استفاده شد. نمونه ها در محفظه ي يخ در دماي کمتر از ۴درجه سانتي گراد محافظت و سپس به آزمايشگاه منتقل شدند.
شايان ذکر است تمامي نمونه ها در زمان کمتر از ۴۸ ساعت ، آماده سازي و آنـاليز شـدند. روش اسـتخراج مـورد اسـتفاده در ايـن تحقيق ، استخراج با فـاز مـايع بـود. عمـل اسـتخراج از طريـق متيـل ترشـري بوتيـل اتـر انجـام شـد. مشـتق سـازي نمونـه هـا
(استريفيکاسيون ) با استفاده از مخلوط اسيد سولفوريک –متانول ۱۰% انجام شد.براي شناسايي کمي و کيفـي سـه ترکيـب کلـرو استيک اسيد موجود در نمونه ها ، از دستگاه کروماتوگراف گازي مجهز بـه سـتون مـوئين بـه طـول ۳۰ متـر و آشـکار سـاز جـذب الکتروني استفاده شد. [۱۴]
در اين مطالعه از ترکيب ۲-برومو بوتيريک اسيد به دليل خواص و زمان بازداري مناسب به عنوان استاندارد داخلي استفاده شد.
به منظور رسم منحني کاليبراسيون از محلول مرجع شامل مجموع کلرو استيک اسيد هـا (مونـو کلـرو اسـتيک اسـيد ، دي کلـرو استيک اسيد و تري کلرو استيک اسيد) محلول هايي با غلظت هاي مشخص تهيه شد.
محلول هاي استاندارد پس از انجام مراحل آماده سازي و استخراج ( دقيقا ماننـد نمونـه هـاي برداشـتي ) بـه دسـتگاه GC.ECD تزريق شدند. تمامي مراحل ۳ مرتبه براي هر غلظت تکرار شدتا هر نقطه از منحني حاصل ميانگين ۳ غلظت يکسان باشد.
منحني کاليبراسيون براي هر آناليت بر اساس نسبت سطح زير پيک مربوط به آن آناليت به سطح زير پيک حاصله براي اسـتاندارد داخلي بدست آمده است .
حد تشخيص و حد اندازه گيري کمي براي هر آناليت به ترتيب بر اساس غلظتي که باعث نسبت سيگنال به نويز ۳ به ۱ و ۱۰ به ۱ با ضريب تغييرات (CV)کمتر از ۲۰ مي شود ، تعيين شد.
صحت روش بر مبناي تکرار پذيري آن در طي ۳ آناليز متوالي بدست آمد. ارزش صحت در تمـام مقـادير مـورد آزمـايش همـواره کمتر از ۱۵% بود که بيانگر کافي بودن صحت روش مورد استفاده مي باشد.
در خصوص اندازه گيري مواد آلي موجود در نمونه ها از روش ۵۳۱۰ استاندارد متد استفاده شد [۷]
يافته ها
تاثير فاکتور مقدار مواد آلي
در واکنش کلريناسيون پروپانون افزايش مقدار کربن آلي (پروپانون ) سبب افزايش پتانسيل تشکيل هر سه گونه کلرو استيک اسـيد
( مونو کلرو استيک اسيد ، دي کلرو استيک اسيد و تري کلرواستيک اسيد) مي شود. اثر عامل پروپانون بر رشد تشکيل سـه گونـه يکسان نبوده و افزايش مقدار کربن آلي بيشترين تاثير را در واکنش توليد دي کلرو اسـتيک اسـيد و کمتـرين تـاثير را در واکـنش توليد تري کلرو استيک اسيد دارد.
در واکنش کلريناسيون پروپانون افزايش مقدار کلر تزريقي سبب افزايش پتانسيل تشکيل هر سه گونه کلرو استيک اسيد(مونو کلرو استيک اسيد ، دي کلرو استيک اسيد و تري کلرواستيک اسيد) ميشود. اثر عامل کلر تزريقي بر رشـد تشـکيل سـه گونـه يکسـان نبوده و افزايش مقدار کلر تزريقي بيشترين تاثير را در واکنش توليد دي کلرو استيک اسيد و کمتـرين تـاثير را در واکـنش توليـد تري کلرو استيک اسيد دارد.
نمودار۴: تاثير مقدار کلر بر تشکيل کلرواستيک اسيدها نمودار۳: تاثيرمقدار کلر بر تشکيل مونو کلرو استيک
تاثير فاکتور pH
در واکنش کلريناسيون پروپانون افزايش مقدار pH سبب کاهش پتانسيل تشکيل هر سه گونـه کلـرو اسـتيک اسـيد ( مونـو کلـرو استيک اسيد ، دي کلرو استيک اسيد و تري کلرواستيک اسيد) ميشود. اثر عامل pH بر کاهش تشکيل سه گونه يکسـان نبـوده و بيشترين تغييرات کاهش مربوط به دي کلرو استيک اسيد و کمترين تغييرات مربوط به تري کلرو استيک اسيد است
سازمان حفاظت محيط زيست آمريکا به علت اهميت pH در فرآيند انعقاد که سبب حذف مواد آلي موجود در آب مي شـود، ايجاد pH بهينه (حدود ۷) را تحت ملزومات مرحله ي دوم ارائه نموده است .
همچنين بررسي نتايج مربوط به آب رودخانه کرج ( آب ورودي به آبگير بيلقان )،آب کلر زني شده خروجي از آبگير بيلقان ، آب خام ورودي به تصفيه خانه جلاليه و آب کلر زني شده خروجي از تصفيه خانه جلاليه (جداول ۱ تا ۴) نشان مي دهد که به دليل وجـود مواد آلي طبيعي درآب رودخانه کرج (شکل ۱)، پتانسيل تشکيل کلرو استيک اسيد ها طي فرآيند پيش کلر زني در آبگيـر بيلقـان وجود دارد. نتايج حاصل از شناسايي و تعيين مقدار کلرو استيک اسيد ها در آب خروجي از آبگير بيلقـان ( شـکل ۲) ، بيـانگر آن است که در اثر غلظت بالاي کلر تزريقي و حضور کربن آلي در آب خام رودخانه کرج ، پيش کلر زنـي بـه طـرز چشـمگيري سـبب تشکيل و افزايش غلظت کلرو استيک اسيد ها مي شود.
