درصد وزنی-حجمی (%w/v) هیپوکلریت سدیم در محلول آب ژاول

مقدمه

آب ژاول یکی از شناخته شده ترین محلول های شیمیایی مورد استفاده در ضدعفونی، تصفیه آب، صنایع غذایی، نساجی، کاغذ، شستشوی صنعتی و بسیاری از فرایندهای تولیدی است. ماده موثر اصلی این محلول هیپوکلریت سدیم با فرمول NaOCl است. با وجود استفاده گسترده از آب ژاول، بیان غلظت آن همیشه به یک روش انجام نمی شود و همین موضوع می تواند هنگام خرید، فروش، آزمایش یا رقیق سازی محلول باعث سردرگمی شود.

ممکن است روی یک برگه آنالیز عبارت 12.5 درصد وزنی دیده شود، در برگه دیگری غلظت بر حسب گرم در لیتر نوشته شده باشد و در یک محصول دیگر عددی مانند 15 درصد حجمی یا Trade Percent درج شود. در کنار این موارد اصطلاحاتی مانند کلر فعال، کلر قابل دسترس و Available Chlorine نیز وجود دارند که الزاما همان درصد هیپوکلریت سدیم نیستند.

یکی از واحدهای مهم برای بیان غلظت، درصد وزنی-حجمی یا %w/v است. این واحد مشخص می کند در هر 100 میلی لیتر محلول نهایی چه مقدار از ماده مورد نظر، بر حسب گرم، وجود دارد. مفهوم آن ساده است، اما زمانی که درباره آب ژاول صحبت می کنیم باید چگالی محلول، درصد وزنی، کلر فعال، دمای اندازه گیری و نوع روش آزمایش نیز مورد توجه قرار گیرند.

شناخت دقیق درصد وزنی-حجمی هیپوکلریت سدیم کمک می کند مقدار واقعی ماده موثر در یک لیتر محلول مشخص شود، محلول های مختلف به درستی مقایسه شوند و محاسبات رقیق سازی با خطای کمتری انجام گیرد.

درصد وزنی-حجمی یا %w/v دقیقا به چه معناست؟

درصد وزنی-حجمی روشی برای بیان غلظت یک ماده در محلول است که جرم ماده حل شده را نسبت به حجم نهایی محلول بیان می کند. در این شیوه، واحد جرم معمولا گرم و واحد حجم میلی لیتر در نظر گرفته می شود.

فرمول اصلی آن به صورت زیر است:

%w/v = جرم ماده حل شده بر حسب گرم ÷ حجم نهایی محلول بر حسب میلی لیتر × 100

بنابراین اگر گفته شود محلولی حاوی 10 درصد w/v هیپوکلریت سدیم است، مفهوم آن این است که در هر 100 میلی لیتر از محلول نهایی، 10 گرم NaOCl وجود دارد.

از همین تعریف می توان نتیجه گرفت:

10% w/v NaOCl = 100 گرم NaOCl در یک لیتر محلول

زیرا یک لیتر برابر 1000 میلی لیتر است.

به همین ترتیب:

5% w/v = 50 g/L

12% w/v = 120 g/L

15% w/v = 150 g/L

18% w/v = 180 g/L

نکته مهم این است که در تعریف w/v درباره حجم «محلول نهایی» صحبت می کنیم، نه حجم آب مصرف شده برای تهیه محلول. برای مثال اگر 10 گرم ماده به مقداری آب اضافه شود و حجم نهایی به 100 میلی لیتر رسانده شود، محلول 10 درصد w/v به دست می آید.

این تفاوت در محلول های صنعتی اهمیت زیادی دارد، زیرا افزودن یک ماده به آب همیشه به این معنا نیست که حجم نهایی دقیقا برابر مجموع حجم اولیه اجزا باشد.

آب ژاول چیست و هیپوکلریت سدیم چه نقشی در آن دارد؟

آب ژاول یک محلول آبی حاوی هیپوکلریت سدیم است. هیپوکلریت سدیم ماده ای اکسید کننده است که در آب رفتار شیمیایی آن به شرایطی مانند pH، دما و غلظت بستگی دارد.

زمانی که NaOCl در آب قرار می گیرد، گونه های شیمیایی مرتبط با هیپوکلریت و اسید هیپوکلروس در تعادل قرار می گیرند. همین ترکیبات مسئول بخش عمده خاصیت ضدعفونی کنندگی و سفید کنندگی آب ژاول هستند.

محلول تجاری تنها از آب و NaOCl تشکیل نشده است. بسته به روش تولید ممکن است مقادیری سدیم کلرید، سدیم هیدروکسید و مواد جانبی دیگر نیز وجود داشته باشند. سدیم هیدروکسید معمولا به حفظ محیط قلیایی کمک می کند، زیرا پایداری هیپوکلریت سدیم در شرایط قلیایی بیشتر است.

بنابراین وقتی از درصد آب ژاول صحبت می شود باید دقیقا مشخص باشد که عدد مورد نظر مربوط به کدام پارامتر است. «12 درصد هیپوکلریت سدیم» لزوما دقیقا همان مفهوم «12 درصد کلر فعال» را ندارد.

در بعضی از محصولات خانگی غلظت NaOCl ممکن است چند درصد باشد، در حالی که محصولات صنعتی معمولا با غلظت بالاتری تولید و عرضه می شوند. هرچه غلظت افزایش پیدا کند، اهمیت کنترل شرایط نگهداری، دما و مدت ذخیره سازی نیز بیشتر می شود.

چرا درصد وزنی-حجمی هیپوکلریت سدیم اهمیت دارد؟

استفاده از %w/v یک مزیت کاربردی مهم دارد: این عدد مستقیما مقدار NaOCl موجود در حجم مشخصی از محلول را نشان می دهد.

فرض کنید یک مخزن حاوی محلولی با غلظت 14 درصد w/v NaOCl باشد. در این حالت هر لیتر محلول تقریبا حاوی:

14 × 10 = 140 گرم NaOCl خواهد بود.

اگر مخزن 1000 لیتر محلول داشته باشد، مقدار اسمی NaOCl موجود در آن حدود 140 کیلوگرم خواهد بود.

این شکل بیان برای سیستم هایی که مواد شیمیایی را با پمپ حجمی تزریق می کنند بسیار قابل استفاده است. اپراتور معمولا حجم مشخصی از آب ژاول را در ساعت یا در روز وارد خط می کند. اگر مقدار ماده موثر در هر لیتر معلوم باشد، تبدیل حجم تزریق شده به جرم NaOCl ساده خواهد شد.

در آزمایشگاه نیز %w/v می تواند برای تهیه محلول های استاندارد، مقایسه نمونه ها و محاسبه رقیق سازی مناسب باشد.

با این حال نباید تصور کرد هر عدد درصدی که روی بشکه یا برگه آنالیز آب ژاول نوشته شده است، خود به خود w/v است. نوع درصد باید کنار عدد مشخص شود.

تفاوت درصد وزنی-حجمی %w/v با درصد وزنی %w/w

درصد وزنی یا %w/w یکی از رایج ترین روش های بیان غلظت هیپوکلریت سدیم تجاری است.

در این روش داریم:

%w/w = جرم NaOCl ÷ جرم کل محلول × 100

بنابراین محلول 12.5 درصد w/w به این معنی است که در هر 100 کیلوگرم محلول، 12.5 کیلوگرم NaOCl وجود دارد.

اما در %w/v، مبنا حجم است:

12.5% w/v = 12.5 گرم NaOCl در 100 میلی لیتر محلول

این دو عدد تنها زمانی تقریبا مشابه می شوند که چگالی محلول نزدیک 1 گرم بر میلی لیتر باشد.

آب ژاول غلیظ چگالی بالاتر از آب دارد. به همین دلیل یک لیتر آب ژاول غلیظ بیش از یک کیلوگرم وزن دارد. در نتیجه مقدار NaOCl موجود در 100 میلی لیتر چنین محلولی نیز بیشتر از چیزی است که با فرض چگالی یک محاسبه می شود.

برای مثال اگر محلولی 12.5 درصد وزنی NaOCl داشته باشد و چگالی آن حدود 1.19 g/mL باشد، غلظت وزنی-حجمی آن تقریبا برابر است با:

12.5 × 1.19 = 14.88% w/v

پس 12.5 درصد w/w و 12.5 درصد w/v یک محلول یکسان نیستند.

این اختلاف در نگاه اول کوچک به نظر می رسد، ولی در مصرف چند هزار لیتر میتواند قابل توجه باشد.

تفاوت درصد هیپوکلریت سدیم با درصد کلر فعال

یکی از مهم ترین منابع اشتباه در مورد آب ژاول، یکسان در نظر گرفتن NaOCl و کلر فعال است.

هیپوکلریت سدیم با فرمول NaOCl یک ترکیب شیمیایی مشخص است. جرم مولی آن تقریبا 74.44 گرم بر مول است. در مقابل، کلر فعال معمولا بر اساس قدرت اکسیدکنندگی محلول و به صورت معادل Cl2 بیان می شود.

به همین علت جرم معادل کلر فعال NaOCl کمی کمتر از جرم خود هیپوکلریت سدیم است.

نسبت نظری تقریبی عبارت است از:

کلر فعال معادل ≈ NaOCl × 0.953

بنابراین اگر یک محلول دقیقا 100 گرم NaOCl در لیتر داشته باشد، ظرفیت نظری آن بر حسب کلر فعال معادل حدود:

95.3 گرم در لیتر خواهد بود.

مثلا:

12.5% w/v NaOCl

تقریبا معادل 11.9% w/v کلر فعال نظری است.

اما در محصولات واقعی بهتر است کلر فعال با روش آزمایشگاهی اندازه گیری شود، زیرا سن محلول، تجزیه تدریجی هیپوکلریت، شرایط نگهداری و ناخالصی ها می توانند باعث شوند مقدار اندازه گیری شده با مقدار نظری کاملا یکسان نباشد.

به همین دلیل هنگام مقایسه دو آب ژاول باید ابتدا بررسی کرد عدد درج شده «NaOCl» است یا «Available Chlorine».

چگالی آب ژاول چه تاثیری بر درصد w/v دارد؟

چگالی پل ارتباطی میان درصد وزنی و درصد وزنی-حجمی است.

چگالی مشخص می کند هر میلی لیتر یا هر لیتر از محلول چه جرمی دارد. آب خالص در دمای معمول چگالی نزدیک به 1 دارد، اما افزودن هیپوکلریت سدیم و سایر نمک ها باعث افزایش جرم واحد حجم محلول می شود.

برای نمونه، 100 میلی لیتر محلولی با چگالی 1.20 g/mL دارای جرم:

100 × 1.20 = 120 گرم است.

اگر همین محلول 10 درصد وزنی NaOCl داشته باشد، مقدار NaOCl موجود در این 120 گرم برابر خواهد بود با:

120 × 0.10 = 12 گرم

در نتیجه غلظت محلول:

12 گرم در 100 میلی لیتر

یا:

12% w/v خواهد بود.

هرچه چگالی افزایش یابد، اختلاف میان %w/w و %w/v بیشتر می شود.

البته چگالی تنها تابع مقدار NaOCl نیست. نمک، سدیم هیدروکسید، روش تولید، دما و ترکیب کلی محلول نیز روی آن اثر دارند. به همین دلیل استفاده از چگالی واقعی نمونه بهتر از استفاده از یک عدد عمومی است.

روش محاسبه درصد وزنی-حجمی آب ژاول از درصد وزنی

یکی از کاربردی ترین محاسبات در صنعت آب ژاول تبدیل درصد وزنی NaOCl به درصد وزنی-حجمی آن است.

اگر درصد وزنی و چگالی محلول مشخص باشند، رابطه بسیار ساده است:

%w/v NaOCl = %w/w NaOCl × چگالی محلول بر حسب g/mL

برای درک دلیل این رابطه، محلولی با 12 درصد w/w و چگالی 1.183 g/mL را در نظر بگیریم.

جرم 100 میلی لیتر محلول برابر است با:

100 × 1.183 = 118.3 گرم

12 درصد از این جرم NaOCl است:

118.3 × 0.12 = 14.196 گرم

پس در هر 100 میلی لیتر تقریبا 14.2 گرم NaOCl وجود دارد و غلظت محلول حدود:

14.2% w/v است.

برای تبدیل همین عدد به گرم بر لیتر کافی است آن را در 10 ضرب کنیم:

14.2 × 10 = 142 g/L NaOCl

این رابطه برای محاسبات خرید و فروش بسیار مفید است. فرض کنید دو فروشنده محصول خود را با دو واحد متفاوت معرفی کنند. فروشنده اول محصولی با 12.5 درصد w/w عرضه می کند و فروشنده دوم مقدار NaOCl را 149 g/L اعلام می کند. بدون تبدیل واحد نمی توان درباره نزدیک بودن این دو محصول قضاوت کرد.

اگر چگالی محصول اول 1.191 باشد:

12.5 × 1.191 = 14.89% w/v

و:

14.89 × 10 = 148.9 g/L

بنابراین از نظر مقدار اسمی NaOCl در واحد حجم، دو عدد تقریبا یک مقدار را بیان می کنند.

موضوع دیگری که باید در نظر گرفت دمای اندازه گیری چگالی است. حجم مایعات با دما تغییر می کند و در نتیجه چگالی نیز ثابت مطلق نیست. اگر قرار است محاسبات دقیق کنترل کیفیت انجام شود، بهتر است درصد و چگالی در یک دمای مشخص، برای مثال حدود 20 یا 25 درجه سانتی گراد، گزارش شوند.

در جدول زیر چند نمونه محاسباتی آورده شده است. چگالی ها مقادیر تقریبی متداول برای محلول های معمولی هستند و ممکن است در محصول واقعی به دلیل میزان نمک، قلیا و روش تولید کمی متفاوت باشند.

این جدول یک نکته بسیار مهم را نشان می دهد. یک آب ژاول 15 درصد وزنی NaOCl می تواند نزدیک 18.5 درصد w/v NaOCl داشته باشد. بنابراین مشاهده عددی بالاتر از 15 در واحد وزنی-حجمی به معنای غیرعادی بودن محصول نیست.

همچنین ستون کلر فعال نشان می دهد مقدار «کلر فعال معادل» از مقدار NaOCl کمتر است. اگر نوع واحد کنار عدد نوشته نشود، احتمال اشتباه بسیار زیاد خواهد بود. در بسیاری از برگه ها این عدد بدون توضیح کافی نوشته میشوند و همین موضوع مقایسه محصولات را دشوار می کند.

چگونه درصد واقعی هیپوکلریت سدیم آب ژاول اندازه گیری می شود؟

محاسبه از روی چگالی می تواند برای تبدیل واحد مفید باشد، اما چگالی به تنهایی روش مناسبی برای تعیین دقیق درصد NaOCl نیست.

دلیل آن این است که مواد دیگری مانند NaCl و NaOH نیز در محلول وجود دارند و روی چگالی تاثیر می گذارند. همچنین هیپوکلریت سدیم با گذشت زمان تجزیه می شود و ممکن است چگالی تغییر بسیار کوچکی داشته باشد، در حالی که کلر فعال به مقدار قابل توجهی کاهش پیدا کرده باشد.

یکی از روش های متداول آزمایشگاهی برای تعیین قدرت آب ژاول، تیتراسیون یدومتری است. در این روش خاصیت اکسید کنندگی هیپوکلریت برای آزاد کردن ید از یدید مورد استفاده قرار می گیرد و سپس ید آزاد شده با محلول استاندارد تیوسولفات سدیم تیتر می شود.

از مقدار محلول تیترکننده مصرف شده می توان میزان کلر فعال یا معادل هیپوکلریت سدیم را محاسبه کرد. در آزمایش دقیق باید حجم یا جرم نمونه، غلظت محلول استاندارد، ضریب رقیق سازی و واحد نتیجه مشخص باشد.

در کاربردهای کنترل کیفیت صنعتی بهتر است علاوه بر درصد NaOCl، چگالی، قلیائیت آزاد و در صورت اهمیت فرایندی بعضی ناخالصی ها نیز بررسی شوند.

بنابراین هیدرومتر یا چگالی سنج می تواند ابزار کنترل سریع باشد، اما برای صدور آنالیز دقیق محصول، استفاده از روش شیمیایی استاندارد اهمیت بیشتری دارد.

اثر دما، نور و زمان نگهداری بر درصد آب ژاول

هیپوکلریت سدیم ماده ای کاملا پایدار برای مدت نامحدود نیست. محلول به مرور زمان بخشی از قدرت خود را از دست می دهد و سرعت این فرایند به شرایط نگهداری وابسته است.

افزایش دما یکی از مهم ترین عوامل افزایش سرعت تجزیه آب ژاول است. به همین دلیل نگهداری محلول در محیط خنک معمولا موجب حفظ بهتر قدرت آن می شود.

نور نیز می تواند روند تخریب را تشدید کند. استفاده از مخازن مناسب و جلوگیری از تابش مستقیم آفتاب در ذخیره سازی صنعتی اهمیت زیادی دارد.

غلظت اولیه نیز تاثیرگذار است. محلول های بسیار غلیظ معمولا حساسیت بیشتری نسبت به شرایط نامناسب ذخیره سازی دارند. به همین علت خرید مقدار بسیار زیاد آب ژاول غلیظ و نگهداری طولانی آن همیشه بهترین تصمیم اقتصادی نیست.

وجود بعضی فلزات و ناخالصی ها نیز می تواند تجزیه هیپوکلریت را سریع تر کند. انتخاب تجهیزات، مخزن، لوله و اتصالات سازگار با آب ژاول از این نظر اهمیت دارد. بنابراین اگر یک محصول هنگام تولید دارای درصد مشخصی بوده است، نمی توان بدون آزمایش فرض کرد چند ماه بعد نیز دقیقا همان غلظت را دارد.

محاسبه رقیق سازی آب ژاول بر اساس %w/v

وقتی غلظت اولیه و غلظت مورد نظر هر دو با یک واحد بیان شوند، محاسبه رقیق سازی بسیار ساده است.

رابطه معروف زیر قابل استفاده است:

C1 × V1 = C2 × V2

در این رابطه:

C1 غلظت اولیه

V1 حجم محلول اولیه

C2 غلظت مورد نظر

V2 حجم نهایی است.

برای مثال فرض کنید آب ژاول 15 درصد w/v داریم و می خواهیم 100 لیتر محلول 5 درصد w/v تهیه کنیم.

V1 برابر خواهد بود با:

V1 = 5 × 100 ÷ 15

V1 = 33.3 لیتر

بنابراین حدود 33.3 لیتر از محلول اولیه برداشته می شود و حجم نهایی با آب به 100 لیتر رسانده می شود.

نکته کلیدی این است که غلظت ها باید بر اساس یک مفهوم یکسان باشند. نباید بدون تبدیل، عدد 12 درصد w/w را در یک طرف فرمول و 5 درصد w/v را در طرف دیگر قرار داد. در رقیق سازی های دقیق صنعتی، اگر حجم بسیار زیاد باشد یا اختلاف دما قابل توجه باشد، بهتر است محاسبه جرمی نیز کنترل شود.

کاربرد درصد w/v در تصفیه آب، ضدعفونی و صنایع

درصد وزنی-حجمی در سیستم هایی که تزریق ماده بر اساس حجم انجام می شود کاربرد زیادی دارد. پمپ های دوزینگ معمولا بر حسب لیتر در ساعت یا میلی لیتر در دقیقه تنظیم می شوند و دانستن جرم ماده موثر موجود در هر لیتر باعث ساده شدن محاسبات می شود.

فرض کنید آب ژاول حاوی 150 g/L NaOCl باشد و پمپ در هر ساعت 2 لیتر از آن تزریق کند. مقدار اسمی NaOCl ورودی برابر خواهد بود با:

150 × 2 = 300 گرم در ساعت.

اما در تصفیه آب، آنچه در نهایت بیشتر اهمیت پیدا می کند مقدار کلر فعال و کلر باقی مانده در آب است، نه فقط جرم NaOCl وارد شده.

مواد آلی، آهن، منگنز، آمونیاک و ترکیبات دیگر می توانند بخشی از کلر را مصرف کنند. به همین علت دوز تزریق شده و کلر باقی مانده دو مفهوم متفاوت هستند.

در صنایع نساجی و کاغذ نیز دانستن غلظت دقیق برای کنترل سفید کنندگی اهمیت دارد. در خطوط شستشو و ضدعفونی صنایع غذایی، غلظت باید متناسب با فرایند و دستورالعمل همان کاربرد انتخاب شود. در تامین محصول برای مصارف صنعتی نیز موضوع بسته بندی اهمیت دارد و هنگام خرید آب ژاول زرین الماس کیمیا قم مخزن IBC باید غلظت واقعی محلول، میزان کلر فعال، حجم بسته بندی و شرایط نگهداری محصول در کنار یکدیگر بررسی شوند.

به طور کلی %w/v برای محاسبات حجمی بسیار مناسب است، در حالی که در خرید عمده که ماده بر حسب کیلوگرم یا تن معامله می شود، %w/w نیز مزیت های خاص خود را دارد.

خطاهای رایج در خواندن آنالیز و خرید آب ژاول

یکی از رایج ترین خطاها این است که فروشنده یا خریدار فقط بگوید «آب ژاول 15 درصد» بدون اینکه نوع درصد را مشخص کند.

15 درصد w/w NaOCl، 15 درصد w/v NaOCl و 15 درصد w/v کلر فعال سه مقدار متفاوت هستند.

اشتباه دوم، استفاده از چگالی برای تعیین مستقیم درصد بدون توجه به سایر اجزای محلول است. چگالی می تواند یک شاخص سریع باشد، اما مقدار نمک و سود آزاد روی آن تاثیر دارد.

اشتباه سوم، مقایسه محصول تازه تولید شده با محصولی است که مدت زیادی در شرایط گرم نگهداری شده است. حتی اگر هر دو در ابتدا مشخصات یکسانی داشته باشند، قدرت واقعی آنها در زمان مصرف ممکن است متفاوت باشد.

اشتباه دیگر استفاده از عبارت «درصد حجمی هیپوکلریت سدیم» بدون تعریف دقیق آن است. NaOCl تجاری به صورت محلول وجود دارد و بیان مقدار آن بر اساس جرم ماده در حجم محلول معمولا مفهوم روشن تری دارد.

برای خرید صنعتی بهتر است حداقل این موارد مشخص شوند:

درصد NaOCl و نوع واحد آن، مقدار کلر فعال، چگالی و دمای مرجع، تاریخ تولید و در صورت نیاز مقدار قلیائیت آزاد.

همچنین نمونه گیری و آزمایش محموله می تواند اختلاف بین مشخصات اسمی و وضعیت واقعی محصول را آشکار کند. اگر دما و چگالی نادیده گرفته شوند، نتیجه محاسبه همیشه دقیق نیستند.

نتیجه گیری

درصد وزنی-حجمی یا %w/v هیپوکلریت سدیم یکی از روش های ساده و کاربردی بیان قدرت محلول آب ژاول است. این واحد نشان می دهد در هر 100 میلی لیتر محلول چند گرم NaOCl وجود دارد. بنابراین عدد آن به راحتی به گرم در لیتر تبدیل می شود و برای محاسبات مربوط به دوزینگ و رقیق سازی مناسب است.

با این حال مهم ترین نکته این است که %w/v با %w/w یکسان نیست. به دلیل چگالی بیشتر آب ژاول نسبت به آب، درصد وزنی-حجمی محلول های غلیظ معمولا عدد بزرگ تری از درصد وزنی همان محلول دارد. برای تبدیل این دو واحد باید چگالی محلول در نظر گرفته شود.

رابطه کاربردی:

%w/v = %w/w × چگالی

می تواند برای تبدیل سریع استفاده شود. برای نمونه، محلول 12.5 درصد وزنی NaOCl با چگالی تقریبی 1.19 حدود 14.9 درصد وزنی-حجمی NaOCl دارد.

از سوی دیگر، درصد NaOCl را نباید با درصد کلر فعال اشتباه گرفت. مقدار نظری کلر فعال معادل تقریبا 95.3 درصد جرم NaOCl است و در محصول واقعی بهتر است از طریق آزمایش مشخص شود.

در نهایت، برای شناخت واقعی کیفیت آب ژاول تنها نگاه کردن به یک عدد درصد کافی نیست. نوع واحد، چگالی، کلر فعال، دما، سن محصول و شرایط نگهداری باید در کنار یکدیگر بررسی شوند. مشخص کردن دقیق این پارامترها باعث می شود خرید، فروش، رقیق سازی و مصرف هیپوکلریت سدیم با دقت بسیار بیشتری انجام شود و از اختلاف های ناشی از برداشت متفاوت از مفهوم «درصد آب ژاول» جلوگیری گردد.