تصفیه آب یک فرآیند پیچیده با یک هدف حیاتی است: ارائه آب سالم و تمیز به جوامع و صنایع. یکی از متداول ترین مراحل در این فرآیند، انعقاد-افزودن مواد شیمیایی است که به حذف ذرات معلق، جلبک ها و سایر آلاینده ها کمک می کند. در میان این منعقد کننده ها، پلیمری به نام Poly{3}}DADMAC (PD) به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. این اولین پلیمر کاتیونی بود که توسط FDA ایالات متحده برای استفاده در تصفیه آب آشامیدنی مورد تایید قرار گرفت و همچنان در این صنعت به کار خود ادامه می دهد.
با این حال، یک گرفتاری وجود دارد. در حالی که PD یک منعقد کننده عالی است، هر گونه باقیمانده در آب تصفیه شده می تواند مشکلات قابل توجهی ایجاد کند. این موارد از گرفتگی غشاهای فیلتراسیون گران قیمت گرفته تا ایجاد مضر توسط محصولات-. به همین دلیل، تنظیم‌کننده‌های بین‌المللی محدودیت‌های سختی را برای باقیمانده PD در آب آشامیدنی تعیین کرده‌اند و آن را روی 50 میکروگرم در لیتر محدود کرده‌اند.
چالش این بوده است که اندازه گیری PD در چنین غلظت های پایین به سرعت، دقیق و مقرون به صرفه دشوار است. بسیاری از روش های سنتی پیچیده، پرهزینه و یا به سادگی به اندازه کافی حساس نیستند. اینجاست که تحقیقات جدید یک راه حل عملی و امیدوارکننده ارائه می دهد.
مشکل منعقد کننده های باقیمانده
چرا Poly-DADMAC نیاز به نظارت دارد
PD به دلیل بار مثبت قوی آن موثر است که ذرات باردار منفی را در آب خام خنثی می کند و باعث می شود آنها به هم چسبیده و ته نشین شوند. این فرآیند کثیفی، باکتری ها و مواد آلی را از بین می برد. با این حال، زمانی که دوزهای PD دقیقاً کنترل نمی شوند، مولکول های پلیمری باقی مانده در آب حل می شوند.
این پلیمرهای باقیمانده به دو دلیل عمده مشکل ساز هستند:
- رسوب غشایی:در تصفیه خانه های پیشرفته، آب اغلب از طریق غشاهای میکروفیلتراسیون، نانوفیلتراسیون یا اسمز معکوس عبور می کند. PD باقیمانده می تواند روی این غشاها جذب شود و منافذ آنها را مسدود کند. این جریان آب را کاهش می دهد، مصرف انرژی را افزایش می دهد و نیاز به تمیز کردن یا تعویض مکرر (و گران قیمت) دارد.
- تشکیل محصولات مضر توسط-:شاید نگران‌کننده‌تر این باشد که PD باقیمانده می‌تواند با ضدعفونی‌کننده‌هایی مانند کلر یا ازن واکنش نشان دهد. این واکنش‌ها می‌توانند N-نیتروزامین، گروهی از مواد شیمیایی که به عنوان سرطان‌زاهای احتمالی طبقه‌بندی می‌شوند، تشکیل دهند.
به دلیل این خطرات، نهادهای نظارتی در ایالات متحده و اروپا حداکثر PD باقیمانده مجاز در آب آشامیدنی را 50 میکروگرم در لیتر تعیین کرده‌اند.
روش‌های اندازه‌گیری فعلی: آهسته و پیچیده
برای کنترل دوز PD، گیاهان آبی باید سطوح باقیمانده را به سرعت اندازه گیری کنند. با این حال، تا کنون، روش های تحلیلی موجود کمتر از حد ایده آل بوده است.
تکنیک هایی مانند کروماتوگرافی، برچسب گذاری فلورسنت، و کروماتوگرافی نفوذ ژل می توانند دقیق باشند، اما اغلب به تجهیزات گران قیمت، اپراتورهای بسیار آموزش دیده و روش های طولانی نیاز دارند. آنها به خوبی-برای نظارت معمول و واقعی{2}}در یک مرکز درمانی مناسب نیستند.
برخی از روش‌های رنگ‌سنجی که از رنگ‌ها برای ایجاد تغییر رنگ قابل اندازه‌گیری استفاده می‌کنند، قبلاً آزمایش شده‌اند. اما آنها اغلب دارای محدودیت‌های تشخیصی هستند که بسیار بالا هستند-دو تا سه مرتبه بزرگتر از 50 میکروگرم در لیتر- که آنها را برای رعایت مقررات بی‌فایده می‌سازد. نیاز به روشی باقی ماند که هم به اندازه کافی حساس و هم برای استفاده روزمره به اندازه کافی ساده باشد.
یک راه حل جدید و حساس
روش رنگ سبز سریع
تیمی از محققین روشی را ابداع کرده اند که این کاستی ها را برطرف می کند. این تحقیق یک تکنیک کمی سازی رنگ سنجی را بر اساس کمپلکس PD با رنگ خوراکی به نام سبز سریع (FG) معرفی می کند.
در اینجا اصل اصلی به زبان ساده است: Fast Green یک رنگ آنیونی است، به این معنی که دارای بار منفی است. هنگامی که به یک نمونه آب حاوی PD با بار مثبت اضافه می شود، دو مولکول به یکدیگر متصل می شوند و یک کمپلکس نامحلول را تشکیل می دهند. هر چه PD در آب بیشتر باشد، رنگ بیشتری در این واکنش "استفاده" می شود.
سپس محققین رنگ باقیمانده و بدون پیوند را با استفاده از اسپکتروفتومتر UV-Vis اندازه گیری می کنند. با افزایش غلظت PD، مقدار رنگ آزاد کاهش می یابد و جذب اندازه گیری شده کاهش می یابد. این یک همبستگی واضح و معکوس ایجاد می کند که می تواند برای کمی کردن سطح PD استفاده شود.
بسیار حساس و مقرون به صرفه-کارآمد
این روش جدید عملکرد استثنایی را نشان می دهد. حد تشخیص آن فقط 3.22 میکروگرم در لیتر است که یک مرتبه بزرگی کامل (ده برابر) کمتر از حد نظارتی 50 میکروگرم در لیتر است. این بدان معناست که به راحتی می تواند PD را در سطوح بسیار پایین تر از آنچه که ایمن در نظر گرفته می شود شناسایی کند و حاشیه ایمنی قابل توجهی را برای اپراتورها فراهم می کند.
این تحقیق روش را در طیف وسیعی از غلظت‌های PD-از کم تا زیاد- تأیید کرد که همبستگی‌های خطی عالی با مقدار R² بیشتر از 0.98 را در اکثر موارد نشان می‌دهد. همچنین با هر دو فرمول PD تحلیلی خالص و PD تجاری با موفقیت آزمایش شد و کاربرد واقعی آن در جهان را تأیید کرد.
آزمون‌های عملی در شرایط واقعی{0}}جهان
برای اثبات کارکرد این روش در خارج از محیط آزمایشگاهی بکر، محققان آن را روی دو نوع آب چالش‌برانگیز اعمال کردند: آب آلوده به سیانوباکتری‌ها (جلبک‌های آبی-سبز) و فاضلاب یک گاوداری. هر دو ماتریس های پیچیده ای هستند که به طور بالقوه می توانند با اندازه گیری تداخل داشته باشند.
نتایج بسیار امیدوارکننده بود. روش با موفقیت مقدار PD باقیمانده را در هر دو نوع نمونه تعیین کرد. حتی برای نشان دادن اینکه نانوکامپوزیت‌های{2}}PD خاک رس، نوع جدیدی از منعقدکننده در حال توسعه، PD کمتری در آب تصفیه‌شده در مقایسه با PD معمولی باقی می‌گذارند، احتمالاً به این دلیل که پلیمر اضافی همراه با ذرات رس رسوب می‌کند. این نشان دهنده ارزش روش به عنوان ابزاری برای توسعه و بهینه سازی فناوری های جدید درمانی است.
چرا این مهم است
مزایای کلیدی برای اپراتورهای تصفیه آب
این روش رنگ سنجی جدید یک ابزار کاربردی و قدرتمند برای تصفیه خانه های آب ارائه می دهد:
- سریع و ساده:این روش ساده است و می توان آن را با تجهیزات اولیه آزمایشگاهی مانند اسپکتروفتومتر انجام داد، که آن را برای نظارت معمولی مناسب می کند.
- هزینه-موثر:در مقایسه با روش‌های پیچیده کروماتوگرافی، این روش از مواد نسبتاً ارزان‌تری استفاده می‌کند و هزینه‌های عملیاتی کمتری دارد.
- بسیار حساس:اندازه‌گیری‌های دقیق را در سطوح بسیار پایین‌تر از استاندارد لازم ارائه می‌کند و کیفیت آب را تضمین می‌کند.
- قوی:در انواع مختلف آب عملکرد خوبی داشت که نشان می دهد می تواند روشی قابل اعتماد در سناریوهای مختلف تصفیه باشد.
با فعال کردن نظارت دقیق بر باقیمانده های PD، گیاهان می توانند دوز منعقد کننده خود را بهینه کنند. این کار خطرات رسوب غشاء و مضرات ناشی از تشکیل محصول را به حداقل می‌رساند و در عین حال از رعایت مقررات و حفاظت از سلامت عمومی اطمینان می‌دهد.
نتیجه گیری
توسعه این روش کمی رنگ سنجی گامی رو به جلو برای تصفیه آب است. با استفاده از رنگ آمیزی ساده Fast Green، اپراتورها اکنون می توانند به سرعت و با دقت بقایای Poly-DADMAC را در سطوح ردیابی اندازه گیری کنند که بسیار فراتر از الزامات قانونی است. این ابزار کاربردی و حساس به تاسیسات آب برای کنترل بهتر فرآیندهای انعقاد، کاهش هزینه های عملیاتی مرتبط با رسوب غشایی، و از همه مهمتر، افزایش ایمنی و کیفیت آبی که به مردم تحویل می دهند، قدرت می دهد. این تحقیق مسیر روشنی را برای مدیریت کیفیت آب کارآمدتر و مؤثرتر ارائه می دهد.