اثر ناخالصی محتوا بر ساختار آب زنده آرشیو مقالات

این نوشتار یک مقاله تخصصی در زمینه آب و تصفیه آب است.

چکیده

به منظور بررسی اثر ناخالصی‌ها و آلاینده ها بر ساختار آب، از طیف رامان Raman استفاده شد و درجه قطبش زدایی آب‌های زنده مختلف بوسیله طیف‌سنجی رامان اندازه‌گیری گردید. سپس اطلاعات بدست آمده از ارتعاشات توسط کامپیوتر، ساده‌سازی شده و در انتها رابطه بین نرخ قطبش زدایی و ناخالصی های آب شرب تحلیل شد.

نتایج نشان داد که شدت ارتعاش‌های خمشی مختلف، تقریبا یکسان است اما شدت کشیدن ارتعاش، متفاوت بوده و بازتاب دهنده محتوای مختلف ناخالصی در آب است. محاسبه قطبش زدایی مولکول‌های آب نشان داد که کشیدن ارتعاش قوی‌تر از خم کردن ارتعاش است.

تعامل یون‌های ناخالصی و مولکول‌های آب باعث بهبود نرخ ارتعاش مولکول‌های آب شده، تقارن کشیدن ارتعاش کاهش یافته و منجر به افزایش نرخ قطبش زدایی می‌شود. بنابراین، محتوای ناخالصی‌ها را می‌توان از شدت نسبی پیک‌‌های خصوصیات رامان و درجه قطبش زدایی تعیین کرد.

پیش‌گفتار

بسیاری از خصوصیات منحصر بفرد آب با ساختار ریز آب ارتباط دارند. پیوند مولکولی آب با اندازه مختلف توسط اتصال‌های هیدروژن بین مولکول‌های آب شکل گرفته است. درجه پیوند مولکولی آب نه تنها تحت تاثیر دما، بلکه تحت تاثیر ماده‌های دیگر حل شده در آب مانند یون‌های مختلف و عوامل دیگر است. طیف‌سنجی رامان وسیله موثری برای بررسی آب و محلول‌های آبی است.

هرچند به علت همپوشانی حالت‌های ارتعاش رامان، ممکن است مشکلاتی برای تحلیل تغییرات ساختار آب با استفاده از طیف رامان وجود داشته باشد. سنجش درجه قطبش زدایی و پردازش چند قله‌ای تفکیک می‌تواند بطور موثری این مساله را حل کند.

در این مقاله، طیف سنجی رامان و پردازش چند قله‌ای تفکیک، برای بررسی تاثیرپذیری از ناخالصی‌های موجود در ریز ساختار آب و ارائه روشی جایگزین برای شناسایی غلظت ناخالصی در آب آشامیدنی با استفاده از طیف سنجی رامان استفاده شده است. 

نتایج تجربی

در این مقاله، طیف رامان با استفاده از طیف سنج رامان لیز LRS-III (ساخت شرکت تیانجین پورت ایست چین) بررسی شد با فرکانس YVO3 : لیزر Nd به عنوان منبع نور، طول موج محرک 532.0  نانومتر و محدوده طیفی از 200 تا 800 نانومتر بود. از فیلتر تداخل نور استفاده شد. طیف با استفاده از منشور پولاریزاسیون و یک صفحه λ/2  در پولاریزاسیون‌های II و III بدست آمد. کنترل خودکار و کسب سیگنال خودکار با کامپیوتر بدست آمد و پردازش داده‌ها با نرم‌افزار اصلی تحلیل شد.

طیف رامان آب مختلف (آب تصفیه شده و آب جاری) سنجیده شدند، با مقایسه تراکم طیف آب مختلف و تحلیل روابط بین شدت پیک و ناخالصی در آب. درجه قطبش زدایی طیف رامان مختلف آب با استفاده از نرم‌افزار پیک فیت بررسی شد که با آن کشش طیف ارتعاش به دو پیک (طیف فرکانسی بالا و پایین) تقسیم شده و درجه قطبش زدایی پیک فرکانس پایین بوجود آمده توسط پیوندهای هیدروژن و پیک ارتعاش OH بین مولکولی به ترتیب محاسبه شده‌اند. رابطه بین محتوای ناخالصی در آب زنه و نرخ قطبش زدایی تحلیل شده است.

نتایج و بحث

ساختار، حالت‌های ارتعاش و طیف‌سنجی رامان مولکول‌های آب

مولکول آب (H2O) یک مولکول غیرخطی است که از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن ساخته شده است. مولکول آب سه حالت ارتعاش نرمال دارد که متعلق به سه نوع ارتعاش مختلف است: ارتعاش با تغییر طول پیوند OH که به کشش ارتعاش شناخته شده و با توجه به تقارن معکوس می تواند به کشش ارتعاش نامتقارن (ν3) و کشش ارتعاش متقارن (ν1) تقسیم شود، ارتعاشی که زاویه پیوند آندر حال تغییر است ارتعاش خمشی یا تغییر شکل ارتعاش (ν2) نامیده شده، متناظر با این سه شکل حالت ارتعاش، تغییر رامان مولکول‌های آب از این قرارند

 3756 ,  3652 ,  1595     cm^-1

شکل 1a طیف رامان سنجیده شده آب را نشان می‌دهد. چون مولکول‌های آب پراکندگی‌های ضعیف رامان هستند، نتیجه  3756   cm^-1  نمایان نمی‌شود. در  1630   cm^-1  پیک نسبتا ضعیفی وجود دارد (متناظر با ارتعاش خمشی). از 3200 تا 3400   cm^-1  باند رامان نسبتا قوی وجود دارد که پیک آن باید به علت ارتعاش کششی OH باشد.

شکل b1 نشان می‌دهد که ارتعاش کششی متقارن آب پیک تندی ندارد اما یک پیک گسترده با عرض خاص (3100 - 3700  cm^-1) است. چون ارتعاش کششی OH مولکول‌های آب دارای حالت‌های ارتعاش بین مولکولی و درون مولکولی است، پیوندهای هیدروژن حالت بین مولکولی هستند و قدرت پیوند آنها ضعیف‌تر از قدرت پیوند درون مولکولی OH است، پس فرکانس ارتعاش مولکول OH بوجود آمده توسط پیوندهای هیدروژن نیز پایین‌تر از فرکانس ارتعاش OH است. کوپلینگ دو ارتعاش منجر به عرض نسبتا بزرگ (توده شدن با هم) در پیک‌های رامان می‌شود. 

تحلیل مقایسه‌ای تراکم طیف‌های رامان آب زنده مختلف

طیف‌های رامان آب تصفیه شده (آب فیلترشده توسط دستگاه تصفیه آب پنج مرحله Qinyuan RO-185) و آب جاری در شکل b1 نشان داده شده‌اند. که در آن پیک قوی آب تصفیه شده و پیک با شدت پایین آب جاری است. چون نمونه‌های مختلف آب حاوی غلظت‌های متفاوتی از ناخالصی هستند. وقتی آب حاوی ناخالصی باشد، یون‌های ناخالصی با مولکول‌های آب تعامل کرده، سمت هیدروژن مولکول‌های آب بر ناخالصی آنیون‌ها اثر گذاشته و سمت اکسیژن با ناخالص‌های کاتیون تعامل می‌کند و اتم‌های هیدروژن که با آنیون‌ مولکول آب تعامل می‌کنند، دیگر نمی‌توانند پیوندهای هیدروژن را با سایر مولکول‌ها حفظ کنند ، در نتیجه پیوندهای هیدروژن بین مولکول‌های آب ضعیف می‌شوند.

هرچه غلظت ناخالصی‌ها در آب بیشتر باشد، کاهش اثر پیوندهای هیدروژن بین ملوکول‌های آب قوی‌تر بوده، شدت پیک ارتعاش OH کاهش می‌یابد. نتایج بالا بر نرخ ارتعاش خمشی و شدت پیک ارتعاش کششی مولکول‌های آب تاثیر گذاشته، از آنجایی که شدت طیف ارتعاش خمشی تمام آب‌ها یکسان است، شدت ارتعاش کششی (شدت می‌تواند متوسط باشد) می‌تواند بر محتوای ناخالصی‌ها در آب اثر بگذارد. هرچه شدت ارتعاش کششی بیشتر باشد، آب دارای ناخالصی کمتری است. 

شکل 1. طیف‌های رامان آب (a) و آب مختلف    (b)  .

تحلیل قطبش زدایی آب‌های زنده مختلف

مقدار نرخ قطبش زدایی یک باند رامان به تقارن مولکول و حالت ارتعاشی نرمال بستگی دارد. در تقریب قطبش‌پذیری پلازک، مشخص شده که نرخ قطبش زدایی یک حالت ارتعاشی کاملا متقارن کمتر از 0.75 و سایر حالت‌ها معادل 0.75 است. باند رامانی که نرخ قطبش زدایی آن کمتر از 0.75 است یک باند قطبی شده نامیده شده و باندی با نرخ قطبش زدایی 0.75 باند قطب زدایی نامیده شده است.

وقتی نور ضمنی بصورت خطی قطبی شده باشد، طیف های قطبش زدایی شده رامان به ترتیب برای آب تصفیه شده و آب جاری سنجیده شده‌اند. طیف‌های قطبش زدایی رامان آب تصفیه شده و آب جاری در شکل b2 و a2 نشان داده شده‌اند. نرخ قطبش زدایی ارتعاش خمشی (-1630  cm^-1)  و ارتعاش کششی (3200 - 3400 cm^-1)  برای آب تصفیه شده توسط دستگاه تصفیه آب و آب جاری محاسبه شده در جدول 1 نشان داده شده‌اند.

جدول 1. نرخ قطبش زدایی آب مختلف و حالت ارتعاش مختلف

داده‌های جمع‌آوری شده از جدول 1 نشان می‌دهند که برای همان نوع آب نرخ قطبش زدایی ارتعاش کششی کمتر از ارتعاش خمشی است که نشان می‌دهد ارتعاش کششی متقارن مولکول‌های آب قوی‌تر از ارتعاش خمشی است. از آنجایی که ناخالصی بیشتر در آب جاری حرکت براونی دارد، تعامل یون‌های ناخالصی و مولکول‌های آب باعث بهبود نرخ ارتعاش مولکول‌های آب شده، تقارن مولکول‌های آب را کاهش داده و نرخ قطبش زدایی آنها را افزایش می‌دهد. کل نتایج نشان می‌دهند که نرخ قطبش زدایی آب تصفیه شده اندکی کمتر از آب جاری است. 

شکل 2. طیف‌های قطبش‌زدایی رامان آب تصفیه شده (a) و آب جاری (b)

گسترده‌شدن ارتعاش کششی مولکول‌های آب واقع در 3100-3700  cm^-1 به علت وجود پیوندهای هیدروژن است. ارتعاش کششی به دو بخش تقسیم شد (فرکانس‌های بالا و پایین) با استفاده از نرم‌افزار پیک فیت، بصورت نشان داده شده در شکل 3. جدول 2 محاسبات متناظر نتایج قطبش زدایی را نشان می‌دهد.

جدول 2 . نرخ قطبش زدایی ارتعاش کششی

داده‌های جدول 2 نشان می دهد که بخش فرکانس پایین ارتعاش کششی آب تصفیه شده بسیار کمتر از آب جاری است. بخش فرکانس پایین به علت پیوند هیدروژنی ارتعاش OH است. برای مثال، ناخالصی‌های معدنی حل شده در آب عاملی معمول تاثیرگذاری بر هیدورن هستند. ناخالصی‌های بیشتری در آب جاری وجود دارد تا آب تصفیه شده، که نتیجه آن افزایش مولفه‌های ارتعاش غیرمتقارن است و باعث کاهش نرخ قطبش زدایی می‌شود. بخش فرکانس بالا پیک ارتعاش OH بین مولکولی است که کمتر تحت تاثیر ناخالصی‌های آب است، پس نرخ قطبش زدایی کمی تغییر می‌کند. برهمین اساس، نرخ قطبش زدایی می‌تواند محتوای نسبی ناخالصی در آب مختلف را تعیین کند.

شکل 3. طیف‌های رامان دکانولوشن گاوسی آب تصفیه شده با فرکانس بالا (a) و فرکانس پایین (b)

شکل 4. طیف‌های رامان دکانولوشن گاوسی آب تصفیه شده با فرکانس بالا (a) و فرکانس پایین (b)

نتیجه‌گیری

مولکول آب دارای پیک رامان نسبتا ضعیف (متناظر با ارتعاش خمشی) با شماره موج 1630  cm^-1  و باندهای طیفی نسبتا قوی رامان (متناظر با ارتعاش کششی OH) با شماره موج‌های 3200 - 3400  cm^-1 می‌باشد. نرخ قطبش زدایی ارتعاش کششی کمتر از ارتعاش خمشی است، نشان دهنده اینکه تقارن ارتعاش کششی مولکول‌های آب قویتر از ارتعاش خمشی است.

شدت ارتعاش خمشی آب‌های زنده مختلف تقریبا یکسان است، هرچه شدت ارتعاش کششی بیشتر باشد، ناخالصی‌های آب کمتر است.

نرخ قطبش زدایی برای آب‌های مختلف متفاوت است. ناخالصی‌های معدنی حل شده در آب عامل معمول اثرگذار بر پیوند هیدروژن است و تعامل ناخالصی‌های یونی در آب با مولکول‌های آب باعث بهبود نرخ ارتعاش مولکول‌های آب شده، تقارن ارتعاش کششی مولکول‌های آب را کاهش داده بدینوسیله منجر به افزایش درجه قطبش زدایی آنها می‌شود.

بنابراین، براساس شدت نسبی پیک‌های خصوصیات رامان و نرخ قطبش زدایی برحسب همان پیک‌های خصوصیات، محتوای ناخالصی‌های نسبی در آب زنده را می‌‌توان تعیین کرد. 

در این سایت مقالات تخصصی در خصوص آب، تصفیه آب و دستگاه تصفیه آب ارائه می شود.

*ن