غلظت آب ژاول و واحدهای اندازه گیری آن

مقدمه

آب ژاول یکی از پرکاربردترین محلول های حاوی کلر در مصارف خانگی، صنعتی، تصفیه آب، گندزدایی، صنایع غذایی و فرایندهای شیمیایی است. ماده فعال اصلی این محلول، هیپوکلریت سدیم با فرمول NaOCl است. با وجود شناخته شده بودن این ماده، مفهوم غلظت آب ژاول همیشه به سادگی یک عدد درصدی نیست. روی مشخصات فنی یک محصول ممکن است عبارت هایی مانند 5 درصد هیپوکلریت سدیم، 12 درصد کلر فعال، 120 گرم بر لیتر کلر فعال، 120000 ppm یا حتی درصد تجاری دیده شود. اگر مبنای این اعداد مشخص نباشد، مقایسه دو محصول می تواند اشتباه باشد. به همین دلیل در زمان بررسی مشخصات محصول و حتی هنگام خرید آب ژاول قم، توجه به نوع واحد اندازه گیری و غلظت واقعی محلول اهمیت زیادی دارد.

در بسیاری از کاربردها چیزی که اهمیت عملی بیشتری دارد، مقدار ماده اکسید کننده قابل استفاده در محلول است. به همین دلیل در کنار درصد هیپوکلریت سدیم از مفاهیمی مانند کلر فعال، کلر قابل دسترس و کلر آزاد نیز استفاده می شود. این اصطلاحات به هم مرتبط هستند، اما دقیقا یک معنی ندارند.

موضوع زمانی پیچیده تر می شود که چگالی محلول نیز وارد محاسبات شود. تبدیل درصد وزنی به گرم بر لیتر بدون دانستن چگالی دقیق همیشه امکان پذیر نیست. از طرف دیگر، افزایش دما، نور، طولانی شدن زمان نگهداری و وجود بعضی ناخالصی ها می تواند مقدار هیپوکلریت موثر را کاهش دهد. بنابراین غلظتی که هنگام تولید اعلام شده است ممکن است پس از چند ماه دقیقا همان مقدار اولیه نباشد.

غلظت آب ژاول دقیقا به چه معناست؟

وقتی درباره غلظت آب ژاول صحبت می شود، نخست باید مشخص کرد که غلظت کدام جزء مورد نظر است. آب ژاول یک ماده خالص نیست، بلکه محلولی آبی است که هیپوکلریت سدیم جزء فعال اصلی آن محسوب می شود. علاوه بر NaOCl، ممکن است مقدار مشخصی سدیم کلرید، سدیم هیدروکسید، کلرات و ترکیبات حاصل از تجزیه نیز در محلول وجود داشته باشد.

یکی از ساده ترین روش ها برای بیان قدرت آب ژاول، مشخص کردن مقدار واقعی NaOCl موجود در آن است. برای مثال اگر محصولی دارای 10 درصد وزنی هیپوکلریت سدیم باشد، در هر 100 کیلوگرم از محلول تقریبا 10 کیلوگرم NaOCl وجود دارد.

با این حال، در بسیاری از فرایندهای گندزدایی و تصفیه آب، مقدار هیپوکلریت سدیم به تنهایی شاخص اصلی نیست. قدرت اکسید کنندگی محلول اغلب بر اساس «کلر فعال» بیان می شود. این عدد نشان می دهد قدرت اکسید کنندگی محصول معادل چه مقدار کلر مولکولی است.

به همین دلیل دو عبارت «10 درصد هیپوکلریت سدیم» و «10 درصد کلر فعال» از نظر علمی کاملا یکسان نیستند. تشخیص همین تفاوت یکی از مهم ترین مراحل خواندن مشخصات یک محصول حاوی هیپوکلریت است.

چرا نوشتن فقط یک عدد درصد برای آب ژاول کافی نیست؟

عبارتی مانند «آب ژاول 12 درصد» در مکالمات تجاری بسیار رایج است، اما از دید فنی کامل نیست. باید مشخص شود این عدد بر چه مبنایی محاسبه شده است. ممکن است منظور درصد وزنی NaOCl، درصد وزنی کلر فعال یا یک شاخص تجاری مبتنی بر جرم کلر فعال در حجم محلول باشد.

این تفاوت به خصوص هنگام خرید محصول، طراحی سیستم تزریق و رقیق سازی اهمیت پیدا می کند. اگر اپراتور تصور کند 12 درصد اعلام شده به معنی 12 درصد وزنی NaOCl است، در حالی که تولیدکننده آن را بر اساس کلر فعال بیان کرده باشد، مقدار واقعی ماده موثر در محاسبه متفاوت خواهد بود.

همچنین نباید تصور کرد که تمام درصدهای ذکر شده در برگه های مشخصات فنی از یک استاندارد واحد پیروی می کنند. نحوه گزارش غلظت می تواند با توجه به کشور، صنعت، روش آزمایش و تولیدکننده متفاوت باشد.

بنابراین هنگام ارزیابی غلظت آب ژاول بهتر است همراه عدد درصد، عبارت هایی مانند wt% NaOCl، available chlorine، g/L یا مشخصات دقیق روش گزارش نیز بررسی شود. عددی که مبنای آن مشخص نیست برای محاسبات دقیق صنعتی قابل اتکا نخواهد بود.

درصد وزنی هیپوکلریت سدیم یا wt% NaOCl

درصد وزنی یکی از روشن ترین روش های بیان غلظت آب ژاول است. در این روش، جرم هیپوکلریت سدیم نسبت به جرم کل محلول محاسبه می شود.

فرمول ساده آن به شکل زیر است:

درصد وزنی NaOCl = جرم هیپوکلریت سدیم ÷ جرم کل محلول × 100

برای نمونه، اگر 100 کیلوگرم محلول دارای 12 کیلوگرم هیپوکلریت سدیم باشد، غلظت آن برابر با 12 درصد وزنی NaOCl است. در این تعریف، حجم محصول نقشی در محاسبه ندارد و همه چیز بر اساس جرم انجام می شود.

مزیت این واحد آن است که تغییرات دمایی حجم تاثیر مستقیمی بر نسبت جرمی ندارد. به همین دلیل درصد وزنی برای فرمولاسیون و کنترل مواد اولیه بسیار مناسب است.

درصد وزنی را نباید بدون محاسبه به گرم بر لیتر تبدیل کرد، زیرا برای این تبدیل دانستن چگالی لازم است. یک لیتر محلول غلیظ آب ژاول بیش از یک کیلوگرم جرم دارد. در نتیجه 10 درصد وزنی در محلولی با چگالی 1.15 گرم بر میلی لیتر با 100 گرم در لیتر یکسان نخواهد بود و مقدار واقعی NaOCl در هر لیتر بیشتر است.

درصد وزنی حجمی و تفاوت آن با درصد وزنی

در بعضی دستورالعمل ها غلظت بر اساس درصد وزنی حجمی یا w/v بیان می شود. این واحد نشان می دهد در هر 100 میلی لیتر محلول چه تعداد گرم از ماده مورد نظر وجود دارد.

برای مثال، عبارت 5 درصد w/v از یک ماده به معنی وجود 5 گرم آن ماده در 100 میلی لیتر محلول است. بنابراین چنین محلولی از نظر عددی دارای 50 گرم ماده در هر لیتر خواهد بود.

درصد وزنی حجمی با درصد وزنی متفاوت است. در درصد وزنی، صورت و مخرج هر دو جرم هستند، اما در درصد وزنی حجمی جرم ماده نسبت به حجم نهایی محلول سنجیده می شود.

در مورد آب ژاول تجاری، استفاده مبهم از کلمه «درصد» می تواند سبب اشتباه میان این دو مبنا شود. این مسئله در غلظت های بالا اهمیت بیشتری دارد، زیرا چگالی محلول با آب خالص تفاوت قابل توجهی پیدا می کند.

به همین دلیل در محاسبات صنعتی بهتر است علامت w/w یا w/v همراه درصد نوشته شود. این کار از برداشت اشتباه جلوگیری کرده و امکان تبدیل دقیق تر واحدها را فراهم می کند.

کلر فعال چیست و چه تفاوتی با درصد NaOCl دارد؟

کلر فعال یا available chlorine یکی از مهم ترین مفاهیم برای درک قدرت آب ژاول است. این مقدار بیان کننده ظرفیت اکسید کنندگی یک ترکیب کلردار نسبت به کلر مولکولی است و به همین دلیل لزوما برابر با جرم خود هیپوکلریت سدیم نیست.

جرم مولی NaOCl حدود 74.44 گرم بر مول است، در حالی که جرم مولی Cl2 نزدیک به 70.90 گرم بر مول است. از نظر ظرفیت اکسید کنندگی، یک مول هیپوکلریت سدیم تقریبا معادل یک مول کلر مولکولی در تعریف کلر فعال در نظر گرفته می شود.

به صورت تقریبی:

درصد وزنی کلر فعال ≈ درصد وزنی NaOCl × 0.952

و برعکس:

درصد وزنی NaOCl ≈ درصد وزنی کلر فعال × 1.05

در نتیجه محلولی که دقیقا 10 درصد وزنی NaOCl داشته باشد، از دید محاسبات نظری حدود 9.52 درصد وزنی کلر فعال دارد.

نباید کلر فعال را با وجود گاز کلر در بطری اشتباه گرفت. محلول هیپوکلریت سدیم به طور معمول حاوی این مقدار گاز Cl2 حل شده نیست؛ کلر فعال یک روش بیان ظرفیت اکسید کنندگی است.

واحد گرم بر لیتر و میلی گرم بر لیتر

در صنایع آب، فاضلاب و سیستم های تزریق شیمیایی، واحد گرم بر لیتر یا g/L بسیار کاربردی است. این واحد به اپراتور می گوید در یک لیتر محصول چه مقدار ماده یا کلر فعال وجود دارد.

برای مثال، اگر مشخصات آب ژاول 120 g/L available chlorine باشد، یعنی هر لیتر از محصول در زمان اندازه گیری دارای قدرت اکسید کنندگی معادل حدود 120 گرم کلر است.

برای تبدیل گرم بر لیتر به میلی گرم بر لیتر کافی است عدد در 1000 ضرب شود:

1 g/L = 1000 mg/L

بنابراین:

120 g/L = 120000 mg/L

در محلول های رقیق، میلی گرم بر لیتر واحد بسیار مناسب تری است. برای مثال کلر باقی مانده در آب آشامیدنی یا آب فرایندی معمولا در محدوده چند میلی گرم بر لیتر بررسی می شود، نه ده ها گرم بر لیتر.

یکی از مزایای g/L این است که در طراحی پمپ های تزریق که دبی آنها بر اساس لیتر بر ساعت تعریف شده، محاسبات ساده تر می شود. با این حال غلظت بر حسب گرم بر لیتر با تغییر چگالی و حجم محلول ارتباط دارد و باید دمای مرجع نیز در اندازه گیری های بسیار دقیق مورد توجه قرار گیرد.

ppm در اندازه گیری غلظت آب ژاول

ppm مخفف parts per million یا قسمت در میلیون است. این واحد در اندازه گیری غلظت های پایین بسیار رایج بوده و در تصفیه آب، استخر، صنایع غذایی و محلول های گندزدایی کاربرد زیادی دارد.

در محلول های آبی رقیق که چگالی آنها نزدیک به یک کیلوگرم بر لیتر است، می توان با تقریب مناسب گفت:

1 ppm ≈ 1 mg/L

در نتیجه 100 ppm کلر تقریبا معادل 100 میلی گرم کلر در هر لیتر محلول رقیق است و 1000 ppm تقریبا برابر با 1 گرم بر لیتر خواهد بود.

همچنین در بسیاری از محاسبات ساده رقیق سازی:

1 درصد = 10000 ppm

بر این اساس 0.1 درصد برابر با حدود 1000 ppm و 0.05 درصد برابر با حدود 500 ppm است، مشروط بر اینکه هر دو عدد دقیقا برای یک کمیت و با یک مبنای غلظت تعریف شده باشند.

اشتباه رایج این است که درصد NaOCl روی محصول مستقیما به ppm کلر آزاد در آب تبدیل شود. پس از تزریق، واکنش با مواد آلی، آمونیاک، آهن، منگنز و دیگر مواد می تواند بخشی از کلر را مصرف کند. بنابراین غلظت نظری تزریق شده با کلر باقی مانده قابل اندازه گیری در آب الزاما برابر نیست.

مولاریته و کاربرد آن در محاسبات شیمیایی

مولاریته بیشتر در محیط های آزمایشگاهی و محاسبات واکنش های شیمیایی کاربرد دارد. مولاریته نشان دهنده تعداد مول های ماده حل شده در هر لیتر محلول است و واحد آن mol/L یا M است.

برای تبدیل غلظت جرمی NaOCl به مولاریته می توان مقدار گرم هیپوکلریت سدیم در هر لیتر را بر جرم مولی 74.44 گرم بر مول تقسیم کرد.

برای نمونه، اگر محلولی 100 گرم NaOCl در هر لیتر داشته باشد:

M = 100 ÷ 74.44 ≈ 1.34 mol/L

در صورتی که فقط درصد وزنی مشخص باشد، ابتدا باید با استفاده از چگالی مقدار NaOCl موجود در هر لیتر محاسبه شود.

فرمول تقریبی برای این تبدیل چنین است:

مولاریته NaOCl = درصد وزنی NaOCl × چگالی × 10 ÷ 74.44

در این فرمول، درصد به صورت عدد معمولی مثلا 10 برای 10 درصد و چگالی بر حسب گرم بر میلی لیتر وارد می شود.

مولاریته برای مصرف کننده عادی آب ژاول چندان ضروری نیست، اما در محاسبات استوکیومتری، تعیین مقدار واکنش دهنده ها و مطالعات آزمایشگاهی اهمیت زیادی دارد.

مهم ترین واحدهای اندازه گیری غلظت آب ژاول و نحوه ارتباط آنها

وجود چند سیستم مختلف برای گزارش غلظت یکی از دلایل اصلی سردرگمی هنگام مقایسه انواع آب ژاول است. برای استفاده صحیح از اطلاعات روی برگه آنالیز باید مشخص شود هر عدد چه چیزی را اندازه گیری می کند.

برای مثال «درصد تجاری کلر فعال» که در بعضی مشخصات صنعتی دیده می شود، با درصد وزنی کلر فعال یکی نیست. درصد تجاری معمولا از مقدار گرم کلر فعال در یک لیتر محلول به دست می آید؛ به طوری که 120 گرم بر لیتر کلر فعال معادل 12 درصد تجاری است.

چگالی در تبدیل درصد تجاری به درصد وزنی نقش مهمی دارد. اگر یک محصول 120 گرم بر لیتر کلر فعال و چگالی 1.16 کیلوگرم بر لیتر داشته باشد، هر لیتر آن 1160 گرم جرم دارد. بنابراین درصد وزنی کلر فعال تقریبا برابر است با:

120 ÷ 1160 × 100 ≈ 10.34 درصد

این مثال به خوبی نشان می دهد که عدد 12 درصد تجاری لزوما به معنی 12 درصد وزنی نیست.

درجه بومه نیز گاهی در صنعت دیده می شود. بومه در اصل شاخصی مرتبط با چگالی است و نباید آن را بدون جدول یا رابطه مناسب به عنوان درصد هیپوکلریت تفسیر کرد. ترکیباتی مانند نمک، سود آزاد و کلرات می توانند روی چگالی اثر بگذارند؛ بنابراین دو محلول با چگالی مشابه لزوما قدرت اکسید کنندگی کاملا یکسان ندارند.

جدول زیر مهم ترین روش های بیان غلظت آب ژاول را به صورت خلاصه مقایسه می کند:

این جدول نشان می دهد که قبل از تبدیل دو عدد به یکدیگر باید ابتدا نوع واحد مشخص شود. تبدیل کورکورانه درصد، ppm و گرم بر لیتر یکی از خطاهای متداول در محاسبات مربوط به هیپوکلریت سدیم است.

نقش چگالی در تبدیل واحدهای غلظت

چگالی حلقه ارتباط میان واحدهای جرمی و حجمی آب ژاول است. هر چه مقدار مواد محلول افزایش پیدا کند، چگالی محلول معمولا بیشتر می شود. برای نمونه، محلول های رقیق هیپوکلریت می توانند چگالی نزدیک به آب داشته باشند، در حالی که محصولات غلیظ صنعتی چگالی به طور محسوسی بالاتر از یک گرم بر میلی لیتر دارند.

فرض کنید یک آب ژاول دارای 12 درصد وزنی NaOCl و چگالی 1.20 کیلوگرم بر لیتر باشد. یک لیتر از این محصول 1.20 کیلوگرم یا 1200 گرم جرم دارد. مقدار NaOCl موجود در یک لیتر برابر خواهد بود با:

1200 × 0.12 = 144 گرم NaOCl در لیتر

بنابراین 12 درصد وزنی در این مثال معادل 120 گرم بر لیتر نیست، بلکه حدود 144 گرم NaOCl در لیتر است.

چگالی خود به دما وابسته است. به همین دلیل در کارهای دقیق باید دمای اندازه گیری مشخص باشد. علاوه بر آن، مقدار سدیم کلرید، سود آزاد و محصولات جانبی نیز می تواند چگالی را تغییر دهد.

اندازه گیری چگالی با هیدرومتر می تواند اطلاعات اولیه مفیدی ارائه کند، اما نباید جایگزین آنالیز واقعی کلر فعال شود. غلظت موثر بهتر است مستقما با روش مناسب آزمایشگاهی تعیین شود.

محاسبه رقیق سازی آب ژاول از یک غلظت به غلظت دیگر

یکی از رایج ترین کاربردهای اعداد غلظت، محاسبه رقیق سازی است. برای محلول هایی که غلظت آنها با یک مبنای یکسان بیان شده است می توان از رابطه ساده زیر استفاده کرد:

C1 × V1 = C2 × V2

در این رابطه C1 غلظت اولیه، V1 حجم محلول اولیه، C2 غلظت مورد نظر و V2 حجم نهایی است.

برای مثال اگر محلولی با 5 درصد کلر فعال داشته باشیم و بخواهیم 10 لیتر محلول 0.5 درصد تهیه کنیم:

V1 = 0.5 × 10 ÷ 5 = 1 لیتر

بنابراین از نظر محاسبات ایده آل، یک لیتر محلول اولیه باید تا حجم نهایی 10 لیتر رقیق شود.

اما این فرمول تنها زمانی قابل استفاده مستقیم است که C1 و C2 بر اساس یک واحد تعریف شده باشند. نمی توان درصد وزنی NaOCl را بدون تبدیل مناسب با درصد حجمی کلر فعال در یک معادله قرار داد.

برای رقیق سازی بر اساس جرم، استفاده از تراز جرمی دقیق تر است. این روش مخصوصا در کارخانه هایی که مواد اولیه با باسکول یا لودسل اندازه گیری می شوند مناسب است.

همچنین غلظت واقعی محصول اولیه بهتر است از آنالیز روز یا گواهی معتبر همان محموله بدست آید. استفاده از عدد اسمی یک محصول قدیمی می تواند سبب تولید محلولی ضعیف تر از مقدار محاسبه شده شود.

روش اندازه گیری غلظت و عواملی که عدد آب ژاول را تغییر می دهند

برای تعیین دقیق قدرت آب ژاول، اندازه گیری آزمایشگاهی از تکیه بر رنگ، بو یا چگالی قابل اعتمادتر است. یکی از روش های کلاسیک برای تعیین کلر فعال، تیتراسیون یدومتری است. در این روش ظرفیت اکسید کنندگی نمونه از طریق واکنش های شیمیایی مشخص و مقدار کلر فعال محاسبه می شود.

برای محلول های بسیار رقیق و اندازه گیری کلر آزاد یا کلر کل در آب، روش های رنگ سنجی مانند DPD کاربرد گسترده ای دارند. کیت ها، فتومترها و تجهیزات آنلاین نیز می توانند برای کنترل فرایند استفاده شوند. محدوده اندازه گیری دستگاه باید با غلظت نمونه متناسب باشد و نمونه های بسیار غلیظ معمولا پیش از آزمایش نیاز به رقیق سازی دقیق دارند.

چگالی، ضریب شکست و پتانسیل اکسایش و کاهش نیز می توانند برای پایش فرایند اطلاعات مفیدی ارائه دهند، اما هر کدام محدودیت دارند. برای مثال ORP مستقیما معادل ppm کلر نیست و تحت تاثیر pH، دما و ترکیب آب قرار می گیرد.

غلظت آب ژاول با گذشت زمان ثابت باقی نمی ماند. هیپوکلریت سدیم به تدریج تجزیه می شود و سرعت این فرایند با افزایش دما، نور، غلظت بالا و حضور بعضی فلزات بیشتر می شود. به همین علت محلولی که هنگام تولید دارای مقدار معینی کلر فعال بوده ممکن است پس از نگهداری طولانی قدرت کمتری داشته باشد.

شرایط نگهداری مناسب، استفاده از مخازن سازگار، جلوگیری از ورود آلودگی و کنترل دما برای حفظ کیفیت اهمیت دارد. محلول های رقیق شده نیز معمولا نسبت به محلول اولیه پایداری کمتری دارند و بهتر است متناسب با نیاز مصرف تهیه شوند.

از دید ایمنی نیز غلظت اهمیت زیادی دارد. آب ژاول غلیظ خورنده تر است و ترکیب آن با اسیدها می تواند گاز کلر آزاد کند. مخلوط کردن آن با آمونیاک یا بعضی پاک کننده ها نیز خطر تولید بخارات سمی را به همراه دارد. در نتیجه تعیین و کنترل غلظت فقط یک موضوع محاسباتی نمی باشد و بخشی از مدیریت ایمنی ماده است.

نتیجه گیری

غلظت آب ژاول مفهومی گسترده تر از یک عدد درصدی ساده است. یک محصول می تواند بر اساس درصد وزنی هیپوکلریت سدیم، درصد کلر فعال، گرم بر لیتر، میلی گرم بر لیتر، ppm، مولاریته یا درصد تجاری معرفی شود و هر کدام تعریف مشخصی دارند.

مهم ترین نکته هنگام مقایسه محصولات این است که ابتدا مبنای عدد مشخص شود. درصد NaOCl با درصد کلر فعال دقیقا یکسان نیست و درصد وزنی نیز بدون در نظر گرفتن چگالی مستقیما به گرم بر لیتر تبدیل نمی شود. در محلول های رقیق، ppm و mg/L معمولا اعداد تقریبا یکسانی ایجاد می کنند، اما این تقریب را نباید بدون توجه به نوع ماده و چگالی برای تمام محلول ها تعمیم داد.

در کاربردهای صنعتی، دانستن چگالی در کنار آنالیز کلر فعال امکان محاسبه دقیق تر مصرف، ظرفیت مخزن و دوز تزریق را فراهم می کند. در آزمایشگاه نیز تیتراسیون و روش های رنگ سنجی ابزارهای مناسب تری برای تعیین قدرت واقعی محلول نسبت به مشاهده رنگ یا اندازه گیری ساده چگالی هستند.

از سوی دیگر، غلظت آب ژاول عددی کاملا ثابت در طول زمان نیست. دما، نور، زمان نگهداری، آلودگی فلزی و شرایط ذخیره سازی می توانند باعث کاهش کلر فعال شوند. به همین دلیل در فرایندهای حساس، استفاده از مقدار واقعی اندازه گیری شده به جای اتکا به غلظت اولیه محصول اهمیت زیادی دارد.

شناخت صحیح واحدهای اندازه گیری آب ژاول باعث می شود مقایسه محصولات، رقیق سازی، طراحی سیستم تزریق و کنترل کیفیت با خطای بسیار کمتری انجام شود. در نهایت، هر عدد غلظت زمانی ارزش فنی واقعی دارد که واحد، مبنای اندازه گیری و شرایط نمونه نیز در کنار آن مشخص باشد.