فلزات سنگین در آب، پساب و خاک

فلزات سنگین در محیط زیست

آلودگی ناشی از فلزات سنگین یکی از انواع آلودگی‌های محیط زیست به شمار می‌رود. با پیشرفت صنایع، میزان ورود آلودگی‌ها به اکوسیستم افزایش می‌یابد. البته آلودگی‌های ناشی از فلزات سنگین فقط مختص فعالیت‌های انسان نیست و مناطق زیادی در جهان وجود دارد که بصورت طبیعی دارای مقادیر زیادی فلزات سنگین هستند و با ورود فلزات سنگین به بدن جانوران در بافت‌های چربی و استخوان رسوب میشود و باعث آلوده شدن و بیماری آن جاندار می‌شود و همچنین ورود فلزات سنگین به بدن انسان نیز باعث بروز سرطان و اختلالات عصبی می‌شود.

فلزات سنگین چیست؟

در تعریف فلزات سنگین می توان گفت که این نوع فلز وزن بالای ۶ گرم بر سانتیمتر مکعب یا جرم اتمی بیشتر از ۵۰ را دارا می باشد. این نوع فلزها، اثرات زیست‌محیطی مخربی دارند. معمولا تجزیه نمی شوند و به‌شدت سمی هستند و همانطور که در بالاتر بیان شد، به  مرور از محیط زیست وارد بدن انسان ها می شود. آلودگی ناشی از فلزات سنگین به راحتی در زنجیره‌ی غذایی انسان با ورود به بافت گیاهان و یا حیوانات نظیر ماهی و دام‌ها می‌تواند جای گیرد. البته باید ذکر کرد که برخی فلزات سمی نیستند و ورود آن‌ها به بدن نیاز است ولی با این حال این عناصر نباید بیشتر از حد مجاز وارد بدن جانداران شود.  

انواع فلزات سنگین شامل چیست ؟

بنابراین یکی از آلاینده‌های مهم در محیط زیست خصوصا آب، خاک و گیاه، وجود عناصر سنگین می‌باشد. این عناصر بر حسب نوع می‌توانند در محیط‌های مختلف قرار گرفته به سایر محیط‌ها منتقل شوند. از این رو لازم است میزان غلظت و حد مجاز عناصر سنگین در آب، خاک و گیاه توسط آزمایشگاه آب و پساب تشخیص داده شده تا از انتقال آن به سایر موجودات از جمله انسان تحت کنترل درآید. در آزمایشگاه معتمد محیط زیست جهت آشنایی با انواع عناصر و اثرات آن‌ها مطالعه شده و  مطالب زیر مفید خواهد بود.

آلودگی با فلزات سنگین سرب

سرب فلزی سنگین است که امروزه، همراه با دیگر فلزات، مصارفی فراوان در کشاورزی (استفاده در سموم) پیدا کرده است. منبع سرب عمدتا ازسوخت خودروهای بنزینی است. هر ماشین بنزینی با پیمودن یک کیلومتر راه متجاوز از ۵۰ میلی گرم سرب ازراه دودکش به بیرون می‌فرستد. افزون بر آن، مقداری نیز از طریق مصرف کودهای شیمیایی و خوردگی لوله‌های آهن سفیدی که در لوله کشی آب شهری به کار میروند، و یا از حل شدن لعاب روی ظروف سفالی وارد زنجیره غذایی دام و انسان می‌گردد. سرب ابتدا هوا را آلوده نموده، سپس با آب باران به خاک انتقال می‌یابد. سرب عنصری غیر پویا است و بنابراین انتقال آن در خاک و اندامهای گیاهی بسیار ناچیز می‌باشد.

آلودگی با فلزات سنگین روی، مس، جیوه و نیکل

مهمترین کاربرد عنصر روی در پوشش لوله‌های آبرسانی، صنایع رنگ، لاستیک، جوهر، کفپوش‌ها و لوازم بهداشتی است. به همین دلیل مقدار زیاد روی در کودهای حاصل از فاضلاب شهری و صنعتی مساله ساز است. 

روی در تغذیه دام و انسان دارای اهمیت بوده و بیش از ۲۰۰ آنزیم را در گیاه و انسان فعال نموده و به نام پلیس راهنمای بدن مشهور می‌باشد. روی (ZN)  در آنزیم‌های پیتیداز و دی هیدروژناز گیاهان یافت میشود. لجن و فاضلاب کارخانه‌ها می‌توانند تا پنج درصد روی داشته باشند. این موارد در صورتی به خاک اضافه گردند، تعادل و توازن یونها را به هم زده و از جذب عناصردیگرجلوگیری می‌کنند. علائم مسمومیت روی در مقادیری بیش از ۴۰۰ میکرو گرم در هر کیلوگرم ماده خشک گیاهی ظاهر می‌شود. چنانچه غلظت روی در خوراک دام‌ها از ۱٪ فراتر رود، ایجاد مسمومیت می‌کند. بنابراین گیاهان نسبت به روی حساسیتی بیشتر از دام‌ها نشان میدهند و علوفه‌ای که در معرض چنین انباشتگی قرار گیرد، از حیز انتفاع ساقط می‌شود. میانگین غلظت روی در خاک‌ها ۵/۰ تا ۲ میلی گرم در هر کیلوگرم خاک گزارش گردیده است. این مقدار در خاکهای جنوب تهران که با فاضلاب شهری آبیاری می‌شوند بیشتر است. 

از آنجا که روی همانند کلسیم و منیزیم، دو ظرفیتی است، این عنصر در سطوح تبادلی رها نگه داشته شده، منت‌ها نمی‌تواند بیش از ۵٪ ظرفیت تبادل کاتیونی خاک را اشغال نماید. کاربرد عمده مس برای ساختن مفتول و نیز به منظورتولید سولفات مس در قارچ کش‌ها می‌باشد و وجود مس فراوان در خاک سبب بروز نشانه‌های کمبود جذب آهن و مولیبدن می‌گردد. زیادی مس برای ریزسازداره‌ها مضر بوده و فرآیند‌های تجزیه و فساد را که بوسیله موجودات ذره بینی صورت می‌گیرد متوقف میکند. میانگین غلظت مس در خاک ۱ میلی گرم درکیلوگرم بوده که تحرک و جابجایی آن در خاک بسیار ناچیز است، این جابجایی از طریق جذب شدید مس بوسیله مواد آلی و رس‌ها تحقق می‌بابد. 

جیوه معمولا در صنایع پلاستیکی و کشاورزی (قارچ کش‌ها و مواد ضدعفونی کننده بذر) بکار رفته و منشا اصلی آن از ذغال سنگ، نفت و مشتقات آن‌ها می‌باشد. از تخریب فیزیکی و شیمیایی سنگ‌ها سالیانه حدود ۲۳۰تن جیوه به دریاها و اقیانوس‌ها افزوده می‌شود. سمیت جیوه در انسان و دام فر ایندهای تنفسی را مختل میکند. 

نیکل از عناصری است که در صنایع فولاد-رنگ- لوازم آرایشی و وسایل برقی مصرف می‌شود. سمیت حاصل از نیکل در خاک‌ها شدید‌تر از روی است. حد مجاز نیکل در خاک ۵/۰میلی گرم در کیلوگرم می‌باشد. بدلیل اشکال ترکیبی نیکل با سیلیکاتها-خاک‌ها می‌توانند نیکل زیادی را بصورت سیلیکاتهای نیکل نگه دارند. نیکل نیز مانند مس و کادمیوم بصورت ترکیبات چنگالی درآمده و در خاک جابجا می‌شوند.

آلودگی با آرسنیک ، کادمیم ،کبالت ، کرم و سلنیوم

ارسنیک(AS) در صنایع نساجی ،رنگرزی، دباغی و همچنین پودر رختشویی و پاک کننده ها بکار رفته و چون سمیتی فوق العاده دارد ،بنابراین به مقدار کم نیز در قارچ کشها ،حشره کشها و علف کشها مصرف می گردد.در خاک هایی که با آب ارسنیک دار آبیاری می شوند ،حتی چند سال پس ازتوقف آبیاری با این گونه آب ،غلظت ارسنیک درپوست سیب زمینی و کشت های غده ای از حد مجاز (6/2 میلی گرم در کیلوگرم)فراتر میرود.رفتار ارسنیک فسفر در خاک مشابه بوده و به همین سبب آهن،الومینیم و کلسیم سبب تثبیت عنصرمزبور در خاک می گردند.

 منشا کادمیم در خاک عمدتا فاضلاب شهری و کودهای فسفاتی و سولفات روی است.در اراضی زراعی اروپا 5 درصد کادمیم از فاضلاب و 10درصد از مصرف کودهای فسفاتی حاصل می گردد.کادمیم در خاکهای اهک غیرپویاست،بنابراین در خاک سطح الرضی تجمع می یابد.مصرف 376 کیلوگرم سوپر فسفات در مراتع در هر هکتار در سال در زلاند نو برای 27 سال مداوم ،سبب افزایش کادمیم از 83/0 به 68/1 میلی گرم درخاک گردیده است . از آنجا که گیاهان برای گیاهان سمی نیست ،بنابراین می تواند بدون نشان دادن آثار مسمومیت در گیاه تجمع یابد ،لیکن وجود عنصر مزبور در زنجیره غذایی انسان بسیارخطرناک بوده، و در بدن انسان سبب عوارض کلیوی و ناراحتی های دیگر میشود. به همین دلیل مسوولین بهداشت جهانی حد مجاز آنرا در جیره غذایی انسان خیلی پائین، یعنی فقط یک میکروگرم در گرم ماده خشک تعیین کرده اند.

کبالت(CO) در تولید آلیاژها ،رنگها ،لعابها،روکش ها و جوهر های نوشتنی بکار میرود. نقش کبالت در تغذیه انسان و دام شناخته شده است.همچنین کبالت جزئی از ساختمان B12 می باشد.غلظت کبالت در گیاهان کمتر از 1/0 میکروگرم در گرم ماده خشک بوده ،و اگر مقدار آن بیشتر شود ،نشانه های کمبودآهن ظاهر می گردد.مقدار کبالت خاک از 10  میلی گرم در کیلوگرم تجاوز نمی کند .کبالت  نیز مانند کاتیونهای دیگر،جذب سطحی رس شده و بامس و روی مبادله می گردد. چون غلظت کبالت در خاک ،و حتی پساب کارخانه ها کمتر از حد طبیعی است بنابراین تاکنون هیچ گونه آلودگی ناشی از زیادی کبالت مشاهده نشده است.

کرم(Cr) بصورت کرومات برای جلوگیری از خوردگی فلزات بکار رفته و روکشی از آن سبب دوام بیشتر فر آورده های فلزی می گردد. کروم برای تندرستی دام وانسان اهمیتی فراوان داشته ،و موجب می شود که گلوکز اضافی در خون به مقداری متعارف  کاهش یابد.زیادی جذب کروم را میتوان با نوشیدن آب فراوان برطرف نمود.نظر به عدم تحرک ،و انتقال پذیری بسیار اندک در خاک ،تجمع کرم در گیاهان به آسانی مقدور نمی باشد .آلودگی کروم نیز در خاک گزارش شده است.

سلنیوم (Se) در صنایع الکترونیک ،آرایش و رنگ مصرف زیاد داشته ،و در تغذیه دامها نیزمورد نیاز است. کمبود این عنصر در دامها سفید شدن ماهیچه ها راسبب میشود .بروز بیماری در شرایطی که غلظت سلنیوم در خوراک دام 1/0 میکروگرم در گرم باشد.مشاهده می گردد.چنانچه غلظت این عنصر از   5 میکرو گرم در کیلوگرم ماده خشک گیاهی تجاوز نماید،مسمومیت ایجاد می شود .کمبود سلنیوم نیز سبب بروز عوارض قلبی در انسان می گردد. کمبود سلنیوم به دلیل انتقال آن به اعماق خاک ،در مناطقی که ارتفاع برف در آنها زیاد باشد مشاهده می شود.

     برای رفع کمبود سلنیوم در زنجیره غذایی انسان میتوان از املاح سلنیت (K2 SeO3) در علوفه دامها استفاده نمود. امروزه دانشمندان ویتامین های A,C,E  و از فلزات روی (Zn) و سلنیوم (Se) را جزو مواد انتی اکسیدانت معرفی نموده و حضور فعال و به مقدار متعادل آنها در دام و انسان الزامی دانسته اند.

روش اندازه گیری عناصر و فلزات سنگین کل در آب و پساب

1.هدف : بررسی میزان غلظت فلزات سنگین در آب و پساب

هدف از تدوین این سند تعیین روش اندازه گیری روی،سرب،کادمیم ،کبالت، کرم،مس،منگنز و نیکل در آب و پساب با بهره گیری ازروش جذب اتمی شعله ای می باشد.

2.اساس کار

عناصر مورد اندازه گیری در نمونه با مخلوطی از سه قسمت اسید هیدرو کلرید ریک و یک قسمت اسید نیتریک هضم و استخراج می شوند. بعد از افزودن اسید مخلوط یک شب در حرارت معمولی محیط قرار داده میشود تاواکنش اولیه انجام گیرد.روز بعد با قرار دادن شیشه ساعت یا قیف کوچک دردرب ارلن مایر برای بازگرداندن بخارات به آرامی حرارت داده می شود تا عصاره بیرنگ و کلیه املاح بصورت محلول در آید.

3.دامنه کاربرد 

این روش استاندارد برای هضم اسیدی عناصر فوق در پساب ،آب ،کود و خاک ،مورد استفاده قرار می گیرد.روش هضم با اسید نیتریک و اسید کلرید ریک (تیزاب سلطانی) در ارلن مایر با استفاده از اجاق برقی انجام می گیرد.

4. وسایل و تجهیزات مورد نیاز جهت اندازه گیری میزان فلزات سنگین در محیط

4-1- ارلن مایر 250 میلی لیتر

4-2-بالن ژوژه 50 میلی لیتر

4-3-قیف کوچک

4-4- شیشه ساعت

4-5- ساچمه های شیشه ای با ابعاد دو الی سه سانتی متر

4-6-کاغذ صافی مقاوم به اسید

4-7- اجاق برقی

4-8- دستگاه اتمیک ابزرویشن

5. مواد مورد نیاز 

5-1- اسید هیدرو کلرید ریک

5-2- اسید نیتریک غلیظ

5-3- اسید نیتریک رقیق 1%

5-4- اسید نیتریک رقیق 5%

5-5- تیزاب سلطانی

5-6- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 مس

5-7- تهیه محلول استاندارد ppm 1000نیکل

5-8- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 کادمیوم

5-9- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 روی

5-10- تهیه محلول استاندارد ppm 1000آهن

5-11- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 منگنز

5-12- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 کروم

5-13- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 کبالت

5-14- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 نقره

5-15- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 ارسنیک

5-16- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 سرب

5-17- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 آلومینیم

5-18- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 جیوه

5-19- تهیه محلول استاندارد ppm 1000 سلنیوم

6. شرایط محیطی

دمای 35-20 درجه سانتی گراد

رطوبت کمتر از 55%

7. شرایط کار 

7-1- اسید هیدرو کلریک غلیظ:وزن مخصوص تقریبی 19/1 گرم در میلی لیتر ،در حدود 36% جرمی یا تقریبا محلول 12مولار

7-2-اسید نیتریک غلیظ:وزن تقریبی 42/1 گرم درمیلی لیتر،در حدود 65% جرمی یا تقریبا محلول 15 مولار

7-3- اسید نیتریک رقیق 1% حجمی: (v/v) 1 میلی لیتر اسید نیتریک غلیظ راباآب مقطر به حجم 100 میلی لیتر برسانید.

7-4- اسید نیتریک رقیق 5% حجمی: (v/v) 5  میلی لیتر اسید نیتریک غلیظ راباآب مقطر به حجم 100 میلی لیتر برسانید.

7-5-تیزاب سلطانی :به سه حجم اسید هیدرو کلریک غلیظ به آرامی و در حال هم زدن یک حجم اسید نیتریک غلیظ اضافه نمایید این محلول را بلافاصله قبل ازاستفاده تهیه کنید.

7-6-تهیه محلول استاندارد : اگر محلولهای استاندارد اولیه به صورت تیترازول در اختیار نباشد باید اقدام به تهیه استاندارد طبق روش زیر نمود:

7-6-1- ppm 1000 نیکل: 1 گرم از فلز نیکل رادر 50 سی سی نیتریک اسید یک به یک (یک لیترآب مقطر+ یک حجم اسید)با دقت حل و سپس با آب مقطر به حجم 1 لیتر برسانید.

تذکر: بقیه فلزات نیز طبق روش بالا استاندارد p.p.m 1000 آن تهیه می شود.

7-7- روش آزمایش:5 میلی لیتر ازنمونه را برداشته به ارلن مایر 50 منتقل نمایید. همراه نمونه یک یا دو شاهد رانیز مطابق روش  تهیه کنید. 10 سیسی تیزاب سلطانی را قطره قطره به نمونه اضافه کنید.نمونه را یک شب در دمای اتاق قراردهید .روز بعد 4 عدد ساچمه شیشه ای به آن اضافه کرده و قیف کوچک یا شیشه ساعت رادر دهانه ارلن قراردهید . وتا 2 ساعت حدود 95 در جه سلسیوس حرارت دهید. ارلن مایر رااز اجاق بربداشته و بعد از خنک شدن قیف یا شیشه ساعت رابا اسید نیتریک یک درصد شسته و محلول را به ارلن منتقل کنید. محلول رادر داخل بالن ژوژه 50 میلی لیتری صاف کرده و کاغذ صافی و ارلن را با کمی اسید نیتریک یک درصد شستشو داده و به حجم برسانید.اکنون نمونه برای قرائت بادستگاه اتمیک آماده می باشد.

محاسبات:                                  

                                                     A= B×50

                                                        C

A:غلظت عنصر مورد نظر

B: عدد قرائت شده توسط دستگاه

C: حجم نمونه

8. بیان نتایج و گزارش آزمون

در آزمایشگاه محیط زیست اطلاعات نمونه در دفترثبت نمونه ها و شرایط محیطی و نتایج دردفتر ثبت نتایج آزمون تحویل می گردد.

9. مراجع و مستندات مرتبط

-دستورالعمل کاربادستگاه اتمیک ابزرویشن

- دستورالعمل کاربادستگاه اجاق هضم ازت 

دستورالعمل کار با دستگاه اتمی

1-هدف

هدف ازتدوین این دستور العمل چگونگی کار بادستگاه اتمیک ابزروشن می باشد.

2-دامنه کاربرد_:

این دستگاه جهت اندازه گیری میزان عناصر مثل Ni-Cr-Co-Zn-Cu-Mn-Fe-Ag-Cd-Pb-Mg-Ca-Mo- در عوامل مختلف مثل خاک و گیاه و آب و پساب و غیره کاربرد دارد.

3-معرفی تجهیز:

تعریف تجهیز: دستگاه اتمیک ابزروشن دستگاهی است که ازطریق جذب عصاره توسط نوبولایزر آن رابه طرف شعله (مخلوط هوا و گازاستیلن)هدایت می کند و آن را بصورت بخار در می آورد عناصرمختلف به صورت اتم در می آیند و اشعه منتشر شده ازلامپ هالو کاتد را جذب می نماید.

شرایط نگهداری و تجهیز واصول ایمنی :

•  در شرایط قطع فیوز ابتدا دستگاه را خاموش و بعد  فیوز را بزنید و مجددا اقدام به روشن کردن دستگاه کنید.
•  ابتدا عنصر مورد نظر را داخل نرم افزار مربو طه انتخاب دستگاه را روشن کنید.پمپ هوا را نیز همزمان روشن کنید.
•  قبل از خاموش کردن دستگاه ابتدا قسمت لامپ کارنت را صفر کنید بعد دستگاه را خاموش کنید.

_{4- شرح عملیات:}

روش راه اندازی تجهیز:

• لامپ هالوکاتد مربوط به عنصر مورد نظر را داخل دستگاه قرار دهید.
• ازداخل نرم افزار عنصر مورد نظر را انتخاب کنید.
• دستگاه را با کلید سبز رنگ روشن کنید.

روش کار با تجهیز:

• ابتدا 5دقیقه صبر کنید لامپ هالوکاتد گرم شود.
• پنجره پیک دستگاه که در قسمت سمت راست نرم افزار است با کلیک چپ باز کنید.
• عقربه پیک اگر نوسان داشته باشد با کمک دو دکمه که در محل استقرار لامپ وجود دارد عقربه پیک را تنظیم کرده سپس دستگاه رایک کنید چند لحظه صبر کنید تاعقربه دوباره شروع به حرکت کند بعد پنجره راببندید.
• پنجره Flam را باز کنید در این پنجره قسمت Optimizرا انتخاب کنید. دکمه مربوط به هوا و بلافاصله دکمه سوخت را بزنید شعله روشن می شود.
• دستگاه را صفرکنید و آخرین استاندارد عنصر را به دستگاه دهید بعد قرائت طول موج مورد نظر این پنجره را ببندید.
• پنجره Results را باز کنید و از نوار بالای استاندارد دکمه Start را بزنید.
• ابتدا دستگاه را با آب مقطر صفر کنید.
• Blank را به دستگاه دهید و Enter  کنید.
• استاندارد های مورد نیاز را از کمترین به بالا به دستگاه دهید.
• قرائت نمونه ها را انجام دهید.بعد از گرفتن پرینت نتایج دستگاه را صفر و بعد خاموش کنید.

مستندات مرتبط :

راهنمای کاربا دستگاه اتمیک ابزروشن

اندازه گیری فلزات سنگین در آب و پساب