کاربرد پرتوهای فرا بنفش در گندزدایی آب
ارسال شده: 19 اکتبر 2010 11:48
كاربرد پرتوهاي فرا بنفش در گندزدايي آب :
تامين آب آشاميدني سالم :
آب سالم بايد زلال‘ خنك ‘ بي رنگ ‘ بي بو‘ بدون مزه خاص و عاري از عوامل بيماريزا و سمي باشد .
آبهاي سطحي يا زير زميني اغلب حاوي ناخالصي هايي بوده و يا مشخصات نامطلوب دارند.
روشهايي با نام تصفيه مقدماتي‘ براي كاهش ناخالصي ها و يا تغيير مشخصات نامطلوب آب قبل از رسيدن به تصفيه خانه وجود دارد كه شامل فرايند هاي هوادي ‘ انعقاد‘ ته نشيني‘ صاف كردن و ... مي باشد . و در نهايت مرحله گندزدايي است كه در اين مرحله عوامل ميكروبي بيماريزا و مضر با روشهاي مختلف گندزدايي از بين مي روند.
در گذشته عمل تصفيه آب تنها به منظور بهبود خواص ظاهري و طعم آب انجام مي شد . اما امروزه استاندارد هاي جديدي در مورد كيفيت آب آشاميدني چه از نظر راديولوژيكي و چه از نظر بيولوژيكي بدنبال ساخت و توسعه ابزارهاي دقيقتر سنجش كمي و كيفي مواد وضع شده است.
روشهاي مختلف گندزدايي:
گندزدايي آب فرايندي است كه طي آن ميكروارگانيسم هاي بيماريزاي موجود در آب غير فعال مي گردند .
يك گندزداي خوب بايد به سرعت عمل كرده و در دز مصرفي براي غير فعال كردن ميكروارگانيسم ها‘ براي انسان و ساير جانوران بي اثر باشد .
براي تامين اين هدف از مواد گندزداي مختلفي استفاده شده است كه با فرايند هاي زير همراه است :
1- كلر زني كه تركيبات آن به فرم هاي CL2 ‘ CLO2 ‘ NaCL و Ca(OCL)2 مي باشد.
2-
عوارض و فراورده هاي جانبي استفاده از كلر:
هنگام استفاده از كلر به عنوان يك ضد عفوني كننده در تصفيه آب ‘ تركيبات آلي كلر دار در اثر تركيب كلر با مواد آلي تشكيل مي شود كه دسته اي از اين تركيبات كه اخيرا مورد توجه است ‘ تري هالو متان ها مي باشند . اين تركيبات از تركيب كلر با مواد اصلي آب مثل اسيد فوليك و اسيد هيوميك كه در آبهاي رنگي يافت مي شوند بوجود مي آيند .
تري هالو متان هاي اصلي عبارتند از :
كلروفرم ‘ برمو دي كلرو متان و برموفرم مي باشند . كه براساس شواهدي اين تركيبات سرطانزا است .
موثرترين روش كاهش تري هالو متان ها در آب هاي آشاميدني كاستن غلظت مواد آلي موجود در آب قبل از ضد عفوني با كلر است . و نيز يكي از مناسبترين روشها جهت حذف تري هالو متان ها جانشيني اشعه ماوراء بنفش به جاي تركيبات كلر دار در مرحله گندزدايي است . اما اشكالي كه باز در اينجا متوجه آن هستيم آن است كه در استفاده از UV اثر ابقايي نداريم ولي كلر اثر ابقايي دارد .
3- ازن زني :
اوزن (O3 ) شكل آلوتروپيكي اكسيژك است كه با عبور هواي خشك از ميان الكترودهاي تخليه الكتريكي در ولتاژ 20000-5000 ولت و فركانس 500-50 هرتز توليد مي شود.
اوزن گازي است آبي رنگ ‘ ناپايدار ‘ به شدت سمي با بويي تند و زننده شبيه بوي علف خشك تازه و خرد شده .
ميزان مصرف آن در حدود يك تا 3/5 كيلو گرم براي هر مر مكعب آب مي باشد . توان مصرفي براي توليد يك كيلو گرم اوزن 25 كيلوات ساعت بوده و مقدار اوزن باقي مانده بعد از 4 دقيقه بايد در حدود 4/0 ميلي گرم در ليتر باشد.
4- يد زني :
يد عنصري است جامد با رنگ آبي مايل به سياه كه وزن مخصوص آن 5 برابر وزن مخصوص آب بوده و بويي شبيه كلر دارد .
يد تنها هالوژني است كه در دماي اتاق جامد است . يد به شكل اسيد هيوپو يدو و يون هيپويديد گندزداي مناسبي مي باشد . و در محدوده وسيعي از pH قليايي موثر است. نگهدار باقيمانده يد آسانتر از كلر است چون با تركيبات آلي واكنش نمي دهد . غلظت 5/0 – 1 ميلي گرم در ليتر از اين گندزدا با حداقل زمان تماس 15 دقيقه اي براي نابودي باكتريها و ويروسها مناسب است . مصرف دراز مدت يد را به علت احتمالي اثرات مضر بر سلامتي انسان براي گندزدايي هميشگي منابع آب توصيه نمي شود.
5- برم زني :
قدرت گندزدايي برم باقيمانده درآب معادل قدرت گندزدايي كلر است ولي ثبات كلر باقيمانده را ندارد . بنابراين برحسب تركيبات آبي كه بايد تصفيه شود ممكن است لازم شود مقدار برم دو تا سه برابر مقدار كلر به كار رود پس به علت گراني قيمت و مشكلات حمل و نقل براي گندزدايي منابع آب استفاده نمي شود .
6- نقره زني :
روميها جهت حفظ كيفيت آب در كوزه ها از تركيبات كلوئيدي نقره استفاده مي كردند . غلظت 05/0 ميلي گرم در ليتر نقره براي اكثر ميكروارگانيسم ها سمي مي باشد . اين ماده جهت ضد عفوني واحد هاي كوچك و آبي كه قبلا توسط فيلتر هاي شني كدورت آن حذف شده باشد به كار مي رود . هزينه ضد عفوني با نقره بالا بوده و جهت گندزدايي آب استفاده نمي شود.
7- استفاده از حرارت يا جوشاندن :
احتمالا حرارت دادن اولين روش گندزدايي آبهاي مشروب بوده و در حجم كم آب هنوز هم در مواقع ضروري روش مناسبي براي گندزدايي آب است . آب را به مدت 5 تا 20 دقيقه مي جوشانند كه اين مدت به ازتفاع محل بستگي دارد و در ارتفاعات بالاتر مدت زمان بيشتري به سبب پايين تر بودن نقطه جوش آب براي جوشاندن لازم است . اما جوشاندن با كم كردن DO آب و ته نشيني املاح باعث كاهش گوارايي آب مي شود . از اين روش در اردوگاهها يا مواقعي كه اشكالي در سيستم توزيع آب شهري پيش مي آيد در منازل استفاده مي شود.
8- استفاده از اشعه ماوراء بنفش :
از انواع مختلف تابش ها كه جهت گندزدايي استفاده مي شوند ‘ استفاده از اشعه ماوراء بنفش طيفي از امواج الكترو مغناطيسي مي باشد كه برا گندزدايي آب كار برد فراواني پيدا كرده است.
طول موج 254 نانومتر موثرترين طول موج مي باشد ‘ آبي كه بايد گندزدايي شود از ميان لامپ تخليه الكتريكي محتوي بخار جيوه با فشار پايين و جدار منعكس كننده تابش عبور كرده و بدين ترتيب به سپري شدن زمان مورد نياز گندزدايي موثر و مطمئن تامين مي گردد . توان مصرفي در اين سيستم در حدود 10 تا 20 وات براي هر متر مكعب آب در ساعت است.
اصول فيزيكي:
تابشهاي ماوراء بنفش طيفي از امواج الكترومغناطيسي هستند كه در محدوده پرتوهاي يون ساز ملايم و پرتوهاي مرئي قرار دارند . با توجه به نوع كاربرد اين پرتوها ‘ از نظر طول موج 4 ناحيه تشخيص داده شده است.
1) UV-A : با طول موج بين 315 تا 400 نانومتر كه به نور يا تابش سياه موسوم است.
2) UV-B : با طول موج بين 280 تا 315 نانومتر كه اين ناحيه باعث برنزه شدن پوست مي شود در واقع بخش اعظم فعاليتهاي بيولوژيكي و نيز آثار سوء بالقوه تابشهاي فرابنفش كه از خورشيد به زمين مي رسند مربوط به اين دامنه است.
3) UV-C با طول موج 200 تا 280 نانومتر است‘ UV-C به خصوص طول موج 7/253 نانومتر آن به ناحيه باكتري كشي موسوم است.
4) UV خلاء با طول موج 100 تا 200 نانومتر كه UV خلاء مي باشد كه توسط هوا جذب مي شود . لازم به ذكر است كه قسمت اعظم UV-C و UV-B نيز در اتمسفر جذب مي گردد.
اشعه ماوراء بنفش نيز همانند ساير انواع امواج الكترومغناطيسي نظير اشعه ايكس ‘ نور مرئي و امواج راديويي داراي مشخصه هاي فركانس (υ) ‘ برحسب هرتز كه تعداد نوسانات اواج در واحد زمان بوده و نيز طول موج است كه بر حسب متر اندازه گيري مي شود . در واقع طول موج نسبت سرعت نور در خلاء ( Co) به تواتر امواج (υ) است كه با رابطه زير مشخص مي شود :
جنس پرتوهاي فرابنفش از فوتون بوده و انرژي فوتون با افزايش تواتر و يا كاهش طول موج افزايش مي يابد.
يك مول فوتون در واقع معادل 1023 *02/6 فوتون مي باشد كه اين مقدار يك انيشتين ناميده مي شود.
براي طول موج 7/253 نانومتر پرتوهاي فرابنفش مي توان نوشت:
يك انيشتين = 908/130 وات ساعت انرژي
يك وات ساعت = 6389/7 انيشتين = 6389/7ميلي مول فوتون
يك ژول =6- 10*121/2 انيشتين = يك وات ثانيه = 121/2 ميكرومول فوتون
مكانيزم عمل :
غير فعال شدن باكتريها توسط پرتوهاي فرابنفش عمدتا مربوط به جذب تابش ها توسط رشته هاي DNA و دايمريزاسيون بنيانهاي تيمين است . تغيير در بنيانهاي تيمين سبب تغيير در آرايش رشته هاي مارپيچي DNA و رونوشت برداري طبيعي DNA مي گردد . تغيير در رشته RNA ويروسها به سبب تغيير بنيان اوراسي مي باشد .
به دليل اينكه بازهاي پريميدين نسبت به پورين به پرتوهاي فرابنفش حساس تر مي باشند ‘ اثرات عمده موتاژنيكي و كشندگي پرتو فرابنفش روي سيستمهاي بيولوژيكي ‘ به جابه جايي فوتوشيميايي بازهاي پريميدين كمك مي كند و مشخص مي كند كه استريليزاسيون با پرتو فرابنفش در بدو امر به وسيله ارتباط بين پريميدين هاي متوالي روي يك رشته DNA و به شكل ديميريزاسيون شكل زير عمل مي كند .
پديده ديميريزاسيون بازهاي تيمين در طول رشته DNA
ديميريزاسون = پديده اتصال بازهاي پريميدين (تيمين و سيتوزين ) مجاور همديگر در طول يك رشته از زنجيز DNA .
منابع توليد پرتوهاي فرابنفش :
مواد در دماي 2500 درجه كلوين يا بالاتر امكان انتشار فوتون ها در ناحيه پرتوهاي فرابنفش را دارند. به طور كلي منابع توليد مصنوعي پرتوهاي فرابنفش با توجه به مكانيسم تولي آن عبارتند از :
1- منابع روشنايي : لامپهاي هالوژنه تنگستن
2- منابع با تخليه گاز :
لامپهاي جيوه اي (فشار پايين و متوسط و بالا)
لامپهاي جيوه اي با هاليد هاي فلزي
لامپهاي هيدروژنه دوتريوم
3- لوله هاي فلاش
4- منابع با تخليه الكتريكي :
قوس هاي جوشكاري – قوس هاي كربن
5- لامپهاي فلوسنت :
لامپهاي روشنايي فلورسنت‘ لامپهاي فلورسنت مولد UV-B‘ لامپهاي فلورسنت مولد UV-A
6- منابع ليزر :
اكسيمرليز براي طول موجهاي مختلف – ليزر نيتروژن (337 نانومتر ) ليزرهاي UV قابل تنظيم – ليزرهاي هليوم – كادميوم (325نانومتر)
معمولا در تصفيه آب دو گروه عمده لامپها مصرف مي شوند ‘ لامپهاي كم فشار جيوه اي با بازدهي در حدود 90% براي طيف باكتري كشي و لامپهاي فشار متوسط و بالا و نيز لامپهاي پر فشار آنتيموان كه با بازدهي 6- 12 % براي طيف ذكر شده مي باشند . حصوصيات لامپهاي پر فشار و كم فشار به طور كلي به قرار ذيل مي باشند:
1-يك طيف مشخص از ناحيه UV را توليد مي كنند ( 90 % 7/253 نانومتر).
2-طول عمر زياد دارند .
3- معمولا در محدوده دمايي خاصي قابل بهره برداري هستند .
4- ميزان افت انرژي تابشي آنها با زمان ناچيز است .
5- توان خروجي برا هر سانتي متر از طول لامپ كم بوده و در حدود 5/0 وات براي هر سانتي متر از طول لامپ تعيين شده است.
لامپهاي فشار متوسط و فشار بالا :
1- توانايي طيف هاي مختلف UV را دارند .
2- توان خروجي براي هر سانتي متر از طول لامپ زياد بوده و در حدود 50 وات برا هر سانتي متر از طول لامپ تعيين شده است .
3- در دماهاي مختلف قابل بهره برداري است .
4- نياز به ولتاژ بالا جهت راه اندازي نداشته و با توجه به دماي زياد كاركرد احتياج به خنك كردن دارند.
5- ميزان افت توان تابش آنها با زمان بسيار سريع مي باشد.
6- طول عمر كوتاه دارند.
نصب و بهره برداري لامپهاي UV :
لامپهاي فشار پايين جيوه اي که در گندزدايي آب به کار مي روند از نظر بهره برداري مشابه لامپهاي فلورسنت مي باشند تنها تفاوت اين دو نوع يکي جنس لامپ UV است که از شيشه هاي مخصوص و يا کوارترز مي باشد و ديگر اينکه پوشش داخلي فلورسانس که در لامپهاي مهتابي وجود دارد در لامپهاي UV موجود نيست در اين لامپها در حدود 40 % از انرژي الکتريکي مصرفي به UV-C تبديل مي شود
در راه اندازي مدار لامپها وجود استارتر و نيز ترانس يا بالاست ( Ballast) کفايت مي کند
طرح ها و حالتهاي مخلتف قرار گرفتن لامپهاي UV در داخل محظه هاي گندزدايي به صورت ذيل طبقه بندي مي شوند :
1- لامپها به صورت معلق و خارج از آب وجود دارند
2- به صورت غوطه ور در آب و در داخل يک جدار پوششي نظير کوارترز قرار گرفته اند
3- در حالتيه آب توسط يک لوله (معمولا از جنس تفلون ) حمل مي شود ، لامپ ها در جدار خارجي لوله مزبور نصب مي گردند
در يک طبقه بندي نوع جريان آب نسبت به لامپها را ملاک تقسيم بندي قرار مي دهند :
1- در حالت اول: آب به موازات لامپها جريان دارد که به آن جريان موازي لامپ گويند
2- در حالت دوم: لامپها عمود بر جريان آب هستند
شدت و دز تابش هاي فرا بنفش :
دز تابش عبارت از مقدار انرژي اشعه ماورا بنفش است که بر واحد سطح مي رسد به عبارتي چنانچه E را ميزان تابش يا شدت تابش بناميم خواهيم داشت :
( سطح ÷ ميزان توانUV ) = شدت تابش دهي=E
و اگر دز تابش را ميزان انرژي رسيده به واحد سطح در نظر بگيريم مي توان نوشت :
) mw.s/cm2 = mj/cm2 سطح÷ انرژي UV ) =دز انرژي فرابنفش
در واقع دز عبارت از شدت پرتوهاي تابيده در زمان تابش دهي مي باشد .
زمان تابش * شدت Dose =
واحد هايي که جهت سنجش شدت اشعه ماوراء بنفش استفاده مي شوند عبارتند از :
وات بر متر مربع، ميلي وات بر سانتي متر مربع ، ميلي ژول بر سانتي متر مربع
و براي دز:
ميلي وات در ثانيه بر سانتي متر مربع و يا ميکرون در ثانيه بر سانتي متر مربع مي باشند .
غير فعال نمودن باکتريها توسط پرتوهاي UV با معادله درجه اول مطابقت دارد که با رابطه زير معين مي شود .
N –No exp[- Kit]
No = تعداد اوليه باكتريها ( بر حسب تعداد ارگانيسم ها بر هر سانتي متر مكعب )
N = تعداد باكتريها بعد از تماس با UV ( برحسب تعداد ارگانيسم ها برهرسانتي مترمكعب )
K = ثابت ميزان غير فعال شدن باكتريها ( بر حسب سانتي متر مربع بر ...)
I = شدت تابش پرتوهاي فرابنفش
t = زمان تماس يا تابش دهي ( ثانيه )
در روشهاي مختلف استريليزاسيون و همچنين روش استفاده از UV مقدار دز تابش مورد نياز جهت كاهش باكتريها تا 1/0 مقدار اوليه با مشخصه اي تحت عنوان ارزش D10 معين مي گردد.
در واقع اين مشخصه به مفهوم كاهش 90% تراكم ارگانيسم ها با دز معين اعمال شده مي باشد.
چنانچه كاهش هشت لگاريتمي از تراكم مورد نياز باشد (مثلا ---------------- عدد در ميلي ليتر)
براي سودموناس آئروژينوزا با D10 5/5 ميلي وات در ثانيه بر سانتي متر مربع دز مورد نياز عبارتند از :
( براي هشت لگاريتم كاهش ) D10 = 8* 5/5 = 44 m w . s / cm2
تامين آب آشاميدني سالم :
آب سالم بايد زلال‘ خنك ‘ بي رنگ ‘ بي بو‘ بدون مزه خاص و عاري از عوامل بيماريزا و سمي باشد .
آبهاي سطحي يا زير زميني اغلب حاوي ناخالصي هايي بوده و يا مشخصات نامطلوب دارند.
روشهايي با نام تصفيه مقدماتي‘ براي كاهش ناخالصي ها و يا تغيير مشخصات نامطلوب آب قبل از رسيدن به تصفيه خانه وجود دارد كه شامل فرايند هاي هوادي ‘ انعقاد‘ ته نشيني‘ صاف كردن و ... مي باشد . و در نهايت مرحله گندزدايي است كه در اين مرحله عوامل ميكروبي بيماريزا و مضر با روشهاي مختلف گندزدايي از بين مي روند.
در گذشته عمل تصفيه آب تنها به منظور بهبود خواص ظاهري و طعم آب انجام مي شد . اما امروزه استاندارد هاي جديدي در مورد كيفيت آب آشاميدني چه از نظر راديولوژيكي و چه از نظر بيولوژيكي بدنبال ساخت و توسعه ابزارهاي دقيقتر سنجش كمي و كيفي مواد وضع شده است.
روشهاي مختلف گندزدايي:
گندزدايي آب فرايندي است كه طي آن ميكروارگانيسم هاي بيماريزاي موجود در آب غير فعال مي گردند .
يك گندزداي خوب بايد به سرعت عمل كرده و در دز مصرفي براي غير فعال كردن ميكروارگانيسم ها‘ براي انسان و ساير جانوران بي اثر باشد .
براي تامين اين هدف از مواد گندزداي مختلفي استفاده شده است كه با فرايند هاي زير همراه است :
1- كلر زني كه تركيبات آن به فرم هاي CL2 ‘ CLO2 ‘ NaCL و Ca(OCL)2 مي باشد.
2-
عوارض و فراورده هاي جانبي استفاده از كلر:
هنگام استفاده از كلر به عنوان يك ضد عفوني كننده در تصفيه آب ‘ تركيبات آلي كلر دار در اثر تركيب كلر با مواد آلي تشكيل مي شود كه دسته اي از اين تركيبات كه اخيرا مورد توجه است ‘ تري هالو متان ها مي باشند . اين تركيبات از تركيب كلر با مواد اصلي آب مثل اسيد فوليك و اسيد هيوميك كه در آبهاي رنگي يافت مي شوند بوجود مي آيند .
تري هالو متان هاي اصلي عبارتند از :
كلروفرم ‘ برمو دي كلرو متان و برموفرم مي باشند . كه براساس شواهدي اين تركيبات سرطانزا است .
موثرترين روش كاهش تري هالو متان ها در آب هاي آشاميدني كاستن غلظت مواد آلي موجود در آب قبل از ضد عفوني با كلر است . و نيز يكي از مناسبترين روشها جهت حذف تري هالو متان ها جانشيني اشعه ماوراء بنفش به جاي تركيبات كلر دار در مرحله گندزدايي است . اما اشكالي كه باز در اينجا متوجه آن هستيم آن است كه در استفاده از UV اثر ابقايي نداريم ولي كلر اثر ابقايي دارد .
3- ازن زني :
اوزن (O3 ) شكل آلوتروپيكي اكسيژك است كه با عبور هواي خشك از ميان الكترودهاي تخليه الكتريكي در ولتاژ 20000-5000 ولت و فركانس 500-50 هرتز توليد مي شود.
اوزن گازي است آبي رنگ ‘ ناپايدار ‘ به شدت سمي با بويي تند و زننده شبيه بوي علف خشك تازه و خرد شده .
ميزان مصرف آن در حدود يك تا 3/5 كيلو گرم براي هر مر مكعب آب مي باشد . توان مصرفي براي توليد يك كيلو گرم اوزن 25 كيلوات ساعت بوده و مقدار اوزن باقي مانده بعد از 4 دقيقه بايد در حدود 4/0 ميلي گرم در ليتر باشد.
4- يد زني :
يد عنصري است جامد با رنگ آبي مايل به سياه كه وزن مخصوص آن 5 برابر وزن مخصوص آب بوده و بويي شبيه كلر دارد .
يد تنها هالوژني است كه در دماي اتاق جامد است . يد به شكل اسيد هيوپو يدو و يون هيپويديد گندزداي مناسبي مي باشد . و در محدوده وسيعي از pH قليايي موثر است. نگهدار باقيمانده يد آسانتر از كلر است چون با تركيبات آلي واكنش نمي دهد . غلظت 5/0 – 1 ميلي گرم در ليتر از اين گندزدا با حداقل زمان تماس 15 دقيقه اي براي نابودي باكتريها و ويروسها مناسب است . مصرف دراز مدت يد را به علت احتمالي اثرات مضر بر سلامتي انسان براي گندزدايي هميشگي منابع آب توصيه نمي شود.
5- برم زني :
قدرت گندزدايي برم باقيمانده درآب معادل قدرت گندزدايي كلر است ولي ثبات كلر باقيمانده را ندارد . بنابراين برحسب تركيبات آبي كه بايد تصفيه شود ممكن است لازم شود مقدار برم دو تا سه برابر مقدار كلر به كار رود پس به علت گراني قيمت و مشكلات حمل و نقل براي گندزدايي منابع آب استفاده نمي شود .
6- نقره زني :
روميها جهت حفظ كيفيت آب در كوزه ها از تركيبات كلوئيدي نقره استفاده مي كردند . غلظت 05/0 ميلي گرم در ليتر نقره براي اكثر ميكروارگانيسم ها سمي مي باشد . اين ماده جهت ضد عفوني واحد هاي كوچك و آبي كه قبلا توسط فيلتر هاي شني كدورت آن حذف شده باشد به كار مي رود . هزينه ضد عفوني با نقره بالا بوده و جهت گندزدايي آب استفاده نمي شود.
7- استفاده از حرارت يا جوشاندن :
احتمالا حرارت دادن اولين روش گندزدايي آبهاي مشروب بوده و در حجم كم آب هنوز هم در مواقع ضروري روش مناسبي براي گندزدايي آب است . آب را به مدت 5 تا 20 دقيقه مي جوشانند كه اين مدت به ازتفاع محل بستگي دارد و در ارتفاعات بالاتر مدت زمان بيشتري به سبب پايين تر بودن نقطه جوش آب براي جوشاندن لازم است . اما جوشاندن با كم كردن DO آب و ته نشيني املاح باعث كاهش گوارايي آب مي شود . از اين روش در اردوگاهها يا مواقعي كه اشكالي در سيستم توزيع آب شهري پيش مي آيد در منازل استفاده مي شود.
8- استفاده از اشعه ماوراء بنفش :
از انواع مختلف تابش ها كه جهت گندزدايي استفاده مي شوند ‘ استفاده از اشعه ماوراء بنفش طيفي از امواج الكترو مغناطيسي مي باشد كه برا گندزدايي آب كار برد فراواني پيدا كرده است.
طول موج 254 نانومتر موثرترين طول موج مي باشد ‘ آبي كه بايد گندزدايي شود از ميان لامپ تخليه الكتريكي محتوي بخار جيوه با فشار پايين و جدار منعكس كننده تابش عبور كرده و بدين ترتيب به سپري شدن زمان مورد نياز گندزدايي موثر و مطمئن تامين مي گردد . توان مصرفي در اين سيستم در حدود 10 تا 20 وات براي هر متر مكعب آب در ساعت است.
اصول فيزيكي:
تابشهاي ماوراء بنفش طيفي از امواج الكترومغناطيسي هستند كه در محدوده پرتوهاي يون ساز ملايم و پرتوهاي مرئي قرار دارند . با توجه به نوع كاربرد اين پرتوها ‘ از نظر طول موج 4 ناحيه تشخيص داده شده است.
1) UV-A : با طول موج بين 315 تا 400 نانومتر كه به نور يا تابش سياه موسوم است.
2) UV-B : با طول موج بين 280 تا 315 نانومتر كه اين ناحيه باعث برنزه شدن پوست مي شود در واقع بخش اعظم فعاليتهاي بيولوژيكي و نيز آثار سوء بالقوه تابشهاي فرابنفش كه از خورشيد به زمين مي رسند مربوط به اين دامنه است.
3) UV-C با طول موج 200 تا 280 نانومتر است‘ UV-C به خصوص طول موج 7/253 نانومتر آن به ناحيه باكتري كشي موسوم است.
4) UV خلاء با طول موج 100 تا 200 نانومتر كه UV خلاء مي باشد كه توسط هوا جذب مي شود . لازم به ذكر است كه قسمت اعظم UV-C و UV-B نيز در اتمسفر جذب مي گردد.
اشعه ماوراء بنفش نيز همانند ساير انواع امواج الكترومغناطيسي نظير اشعه ايكس ‘ نور مرئي و امواج راديويي داراي مشخصه هاي فركانس (υ) ‘ برحسب هرتز كه تعداد نوسانات اواج در واحد زمان بوده و نيز طول موج است كه بر حسب متر اندازه گيري مي شود . در واقع طول موج نسبت سرعت نور در خلاء ( Co) به تواتر امواج (υ) است كه با رابطه زير مشخص مي شود :
جنس پرتوهاي فرابنفش از فوتون بوده و انرژي فوتون با افزايش تواتر و يا كاهش طول موج افزايش مي يابد.
يك مول فوتون در واقع معادل 1023 *02/6 فوتون مي باشد كه اين مقدار يك انيشتين ناميده مي شود.
براي طول موج 7/253 نانومتر پرتوهاي فرابنفش مي توان نوشت:
يك انيشتين = 908/130 وات ساعت انرژي
يك وات ساعت = 6389/7 انيشتين = 6389/7ميلي مول فوتون
يك ژول =6- 10*121/2 انيشتين = يك وات ثانيه = 121/2 ميكرومول فوتون
مكانيزم عمل :
غير فعال شدن باكتريها توسط پرتوهاي فرابنفش عمدتا مربوط به جذب تابش ها توسط رشته هاي DNA و دايمريزاسيون بنيانهاي تيمين است . تغيير در بنيانهاي تيمين سبب تغيير در آرايش رشته هاي مارپيچي DNA و رونوشت برداري طبيعي DNA مي گردد . تغيير در رشته RNA ويروسها به سبب تغيير بنيان اوراسي مي باشد .
به دليل اينكه بازهاي پريميدين نسبت به پورين به پرتوهاي فرابنفش حساس تر مي باشند ‘ اثرات عمده موتاژنيكي و كشندگي پرتو فرابنفش روي سيستمهاي بيولوژيكي ‘ به جابه جايي فوتوشيميايي بازهاي پريميدين كمك مي كند و مشخص مي كند كه استريليزاسيون با پرتو فرابنفش در بدو امر به وسيله ارتباط بين پريميدين هاي متوالي روي يك رشته DNA و به شكل ديميريزاسيون شكل زير عمل مي كند .
پديده ديميريزاسيون بازهاي تيمين در طول رشته DNA
ديميريزاسون = پديده اتصال بازهاي پريميدين (تيمين و سيتوزين ) مجاور همديگر در طول يك رشته از زنجيز DNA .
منابع توليد پرتوهاي فرابنفش :
مواد در دماي 2500 درجه كلوين يا بالاتر امكان انتشار فوتون ها در ناحيه پرتوهاي فرابنفش را دارند. به طور كلي منابع توليد مصنوعي پرتوهاي فرابنفش با توجه به مكانيسم تولي آن عبارتند از :
1- منابع روشنايي : لامپهاي هالوژنه تنگستن
2- منابع با تخليه گاز :
لامپهاي جيوه اي (فشار پايين و متوسط و بالا)
لامپهاي جيوه اي با هاليد هاي فلزي
لامپهاي هيدروژنه دوتريوم
3- لوله هاي فلاش
4- منابع با تخليه الكتريكي :
قوس هاي جوشكاري – قوس هاي كربن
5- لامپهاي فلوسنت :
لامپهاي روشنايي فلورسنت‘ لامپهاي فلورسنت مولد UV-B‘ لامپهاي فلورسنت مولد UV-A
6- منابع ليزر :
اكسيمرليز براي طول موجهاي مختلف – ليزر نيتروژن (337 نانومتر ) ليزرهاي UV قابل تنظيم – ليزرهاي هليوم – كادميوم (325نانومتر)
معمولا در تصفيه آب دو گروه عمده لامپها مصرف مي شوند ‘ لامپهاي كم فشار جيوه اي با بازدهي در حدود 90% براي طيف باكتري كشي و لامپهاي فشار متوسط و بالا و نيز لامپهاي پر فشار آنتيموان كه با بازدهي 6- 12 % براي طيف ذكر شده مي باشند . حصوصيات لامپهاي پر فشار و كم فشار به طور كلي به قرار ذيل مي باشند:
1-يك طيف مشخص از ناحيه UV را توليد مي كنند ( 90 % 7/253 نانومتر).
2-طول عمر زياد دارند .
3- معمولا در محدوده دمايي خاصي قابل بهره برداري هستند .
4- ميزان افت انرژي تابشي آنها با زمان ناچيز است .
5- توان خروجي برا هر سانتي متر از طول لامپ كم بوده و در حدود 5/0 وات براي هر سانتي متر از طول لامپ تعيين شده است.
لامپهاي فشار متوسط و فشار بالا :
1- توانايي طيف هاي مختلف UV را دارند .
2- توان خروجي براي هر سانتي متر از طول لامپ زياد بوده و در حدود 50 وات برا هر سانتي متر از طول لامپ تعيين شده است .
3- در دماهاي مختلف قابل بهره برداري است .
4- نياز به ولتاژ بالا جهت راه اندازي نداشته و با توجه به دماي زياد كاركرد احتياج به خنك كردن دارند.
5- ميزان افت توان تابش آنها با زمان بسيار سريع مي باشد.
6- طول عمر كوتاه دارند.
نصب و بهره برداري لامپهاي UV :
لامپهاي فشار پايين جيوه اي که در گندزدايي آب به کار مي روند از نظر بهره برداري مشابه لامپهاي فلورسنت مي باشند تنها تفاوت اين دو نوع يکي جنس لامپ UV است که از شيشه هاي مخصوص و يا کوارترز مي باشد و ديگر اينکه پوشش داخلي فلورسانس که در لامپهاي مهتابي وجود دارد در لامپهاي UV موجود نيست در اين لامپها در حدود 40 % از انرژي الکتريکي مصرفي به UV-C تبديل مي شود
در راه اندازي مدار لامپها وجود استارتر و نيز ترانس يا بالاست ( Ballast) کفايت مي کند
طرح ها و حالتهاي مخلتف قرار گرفتن لامپهاي UV در داخل محظه هاي گندزدايي به صورت ذيل طبقه بندي مي شوند :
1- لامپها به صورت معلق و خارج از آب وجود دارند
2- به صورت غوطه ور در آب و در داخل يک جدار پوششي نظير کوارترز قرار گرفته اند
3- در حالتيه آب توسط يک لوله (معمولا از جنس تفلون ) حمل مي شود ، لامپ ها در جدار خارجي لوله مزبور نصب مي گردند
در يک طبقه بندي نوع جريان آب نسبت به لامپها را ملاک تقسيم بندي قرار مي دهند :
1- در حالت اول: آب به موازات لامپها جريان دارد که به آن جريان موازي لامپ گويند
2- در حالت دوم: لامپها عمود بر جريان آب هستند
شدت و دز تابش هاي فرا بنفش :
دز تابش عبارت از مقدار انرژي اشعه ماورا بنفش است که بر واحد سطح مي رسد به عبارتي چنانچه E را ميزان تابش يا شدت تابش بناميم خواهيم داشت :
( سطح ÷ ميزان توانUV ) = شدت تابش دهي=E
و اگر دز تابش را ميزان انرژي رسيده به واحد سطح در نظر بگيريم مي توان نوشت :
) mw.s/cm2 = mj/cm2 سطح÷ انرژي UV ) =دز انرژي فرابنفش
در واقع دز عبارت از شدت پرتوهاي تابيده در زمان تابش دهي مي باشد .
زمان تابش * شدت Dose =
واحد هايي که جهت سنجش شدت اشعه ماوراء بنفش استفاده مي شوند عبارتند از :
وات بر متر مربع، ميلي وات بر سانتي متر مربع ، ميلي ژول بر سانتي متر مربع
و براي دز:
ميلي وات در ثانيه بر سانتي متر مربع و يا ميکرون در ثانيه بر سانتي متر مربع مي باشند .
غير فعال نمودن باکتريها توسط پرتوهاي UV با معادله درجه اول مطابقت دارد که با رابطه زير معين مي شود .
N –No exp[- Kit]
No = تعداد اوليه باكتريها ( بر حسب تعداد ارگانيسم ها بر هر سانتي متر مكعب )
N = تعداد باكتريها بعد از تماس با UV ( برحسب تعداد ارگانيسم ها برهرسانتي مترمكعب )
K = ثابت ميزان غير فعال شدن باكتريها ( بر حسب سانتي متر مربع بر ...)
I = شدت تابش پرتوهاي فرابنفش
t = زمان تماس يا تابش دهي ( ثانيه )
در روشهاي مختلف استريليزاسيون و همچنين روش استفاده از UV مقدار دز تابش مورد نياز جهت كاهش باكتريها تا 1/0 مقدار اوليه با مشخصه اي تحت عنوان ارزش D10 معين مي گردد.
در واقع اين مشخصه به مفهوم كاهش 90% تراكم ارگانيسم ها با دز معين اعمال شده مي باشد.
چنانچه كاهش هشت لگاريتمي از تراكم مورد نياز باشد (مثلا ---------------- عدد در ميلي ليتر)
براي سودموناس آئروژينوزا با D10 5/5 ميلي وات در ثانيه بر سانتي متر مربع دز مورد نياز عبارتند از :
( براي هشت لگاريتم كاهش ) D10 = 8* 5/5 = 44 m w . s / cm2