لماذا يُستخدم ثيوسلفات الصوديوم في معالجة المياه لإزالة الكلور؟

الميكانيكية الكيميائية لثيوسلفات الصوديوم في تحييد الكلور

تفاعل الأكسدة والاختزال بين ثيوسلفات الصوديوم والكلور الحر

عندما يتفاعل ثيوسلفات الصوديوم مع الكلور الحر، فإنه يُحيده بسرعة من خلال تفاعل أكسدة-اختزال حيث يعمل أيون الثيوسلفات كعامل مختزل. الشكل الفعّال الرئيسي للكلور في الماء المحايد هو حمض الهيبوكلوروس (HOCl)، الذي يستخلب الإلكترونات من أيونات الثيوسلفات، ومحوّلها إلى كبريتات (SO4^2-). وفي الوقت نفسه، يتم اختزال HOCl إلى أيونات كلوريد (Cl^-). ما يجعل هذه العملية ذات قيمة خاصة هو أنها لا تنتج منتجات جانبية ضارة مثل الكلورامينات أو ثلاثي هالوميثانات أثناء التفاعل. ولهذا السبب، تُفضّل العديد من المختبرات ومنشآت الاستزراع المائي استخدام ثيوسلفات الصوديوم عندما تحتاج إلى إزالة الكلور المتبقي دون إدخال ملوثات جديدة إلى أنظمتها.

المضبوطات الكيميائية: لماذا يزيل 1.75 ملغ/لتر من ثيوسلفات الصوديوم 1 ملغ/لتر من الكلور

تتمسك معظم محطات معالجة المياه بنسبة 1.75:1 عند مزج ثيوسلفات الصوديوم مع الكلور. وينبع هذا مباشرة من دراسة كيفية تفاعل هذه المواد الكيميائية معًا في المختبر. خذ على سبيل المثال المعادلة التالية: 4Cl2 + S2O3^2- + 5H2O ← 8Cl^- + 2SO4^2- + 10H+. عندما نقوم بالحساب الفعلي، فإن مولًا واحدًا من ثيوسلفات الصوديوم (حوالي 158 جرامًا لكل مول) يتفاعل مع أربعة مولات من Cl2 (ما يعادل نحو 284 جرامًا إجمالًا). وهذا يعطينا نسبة حوالي 1.8:1 كنقطة بداية. لكن في الواقع العملي، تلجأ معظم المحطات إلى استخدام 1.75 مجم/لتر بدلًا من ذلك. لماذا؟ لأن العمليات الحقيقية لا تسير بشكل مثالي أبدًا. فهناك دائمًا عوامل صغيرة تعترض الطريق مثل التفاعلات الجزئية، وعدم انتظام الخلط، ووجود مواد عضوية عشوائية عالقة في الماء. إن استخدام الرقم الأقل يعد منطقيًا من الناحية العملية، ويظل مع ذلك يضمن فعالية وأمان عمليات المعالجة عبر مختلف الأنظمة.

الديناميكا التفاعلية واعتمادها على الأس الهيدروجيني في الظروف الواقعية

تتمكن هذه التفاعل من إزالة أكثر من 95٪ من الكلور خلال 30 ثانية فقط عندما تكون الظروف مناسبة: درجة حرارة الغرفة تقريبًا (حوالي 25 درجة مئوية) ومستوى pH بين 6.5 و8.5. هذا في الواقع هو النطاق المثالي الذي يظل فيه الثيوسلفات مستقرًا ويكون فيه وافر من HOCl متاحًا للتفاعلات. لكن الأمور تصبح معقدة خارج هذا النطاق. إذا انخفض pH إلى أقل من 5.0، يبدأ الثيوسلفات في التحلل إلى مركبات الكبريت والسلفيتات، ما يجعله أقل فعالية بكثير. وفي الطرف الآخر من الطيف، عندما يرتفع pH فوق 9.0، نلاحظ هيمنة أيون الهيبوكلورايت (OCl-) الأبطأ في التفاعل، مما يُبطئ العملية بشكل كبير. أما المياه الأبرد من المعتاد (حوالي 5 درجات مئوية)، فتعني أن المشغلين بحاجة إلى الانتظار من دقيقتين إلى ثلاث دقائق كاملة بدلًا من الثواني. ولا ننسَ أيضًا التحديات الواقعية. يمكن أن تؤدي المستويات العالية من الجسيمات العالقة أو المواد العضوية في الماء إلى التصاق جزيئات الكلور أو التنافس مع المختزلات على المساحة، لذا غالبًا ما يجد فنيو الحقل أنفسهم مضطرين لتعديل الجرعات بناءً على الظروف الفعلية في الموقع.

التطبيقات في معالجة المياه: أماكن وأسباب تفضيل ثيوسلفات الصوديوم

إزالة الكلور من تصريف مياه الصرف الصحي والامتثال البيئي

تعتمد منشآت معالجة مياه الصرف الصحي في جميع أنحاء البلاد على ثيوسلفات الصوديوم لإزالة الكلور من المياه قبل أن تُعاد إلى البيئة. تتطلب وكالة حماية البيئة (EPA) أن يبقى الكلور المتبقي أقل من 0.1 ملغ/لتر، ويساعد هذا المركب الكيميائي المنشآت على الالتزام بهذه الحدود الصارمة. ما يميز ثيوسلفات الصوديوم هو أنه عند تحلله فإنه يُنتج مركبات كبريتات غير ضارة لا تؤثر سلبًا على النظم البيئية المحلية. وهذا يتناقض بشكل حاد مع البدائل مثل ثاني أكسيد الكبريت أو بيسولفيت الصوديوم، التي يمكن أن تزيد من حموضة المياه وأحيانًا تؤدي إلى مشاكل تكاثر بكتيريا اختزال الكبريتات. وتُقدّر محطات المعالجة اتساق نسبة تفاعل ثيوسلفات الصوديوم (حوالي 1.75 جزء من المادة الكيميائية لكل جزء من الكلور). تتيح هذه القابلية للتنبؤ للمشغلين أتمتة الجرعات حتى خلال فترات التدفق القصوى، مما يضمن تحقيقهم باستمرار ليس فقط متطلبات وكالة حماية البيئة، بل أيضًا معايير منظمة الصحة العالمية لحماية الحياة المائية.

استخدامات حرجة في تربية الأحياء المائية، والتحليل المختبري، وأنظمة إعادة الاستخدام

يعمل ثيوسلفات الصوديوم بسرعة كبيرة على التخلص من أضرار الكلور على خياشيم الأسماك، وخاصةً في الأنواع الحساسة مثل السلمون والجمبري. فخلال بضع دقائق فقط من إضافته إلى الماء، يمنع هذا المركب هلاك الأسماك عند نقلها بين الخزانات أو عند بدء تشغيل أنظمة جديدة. وتستخدم مختبرات عديدة في جميع أنحاء البلاد ثيوسلفات الصوديوم لإزالة الكلور المتبقي قبل إجراء اختبارات مثل مستويات الطلب البيولوجي على الأكسجين (BOD) والعناصر الغذائية. تكمن المشكلة في أن الكميات الضئيلة جدًا من الكلور يمكن أن تؤدي إلى إفساد هذه الاختبارات المجهرية. وعندما ترغب الشركات في إعادة استخدام المياه، يصبح ثيوسلفات الصوديوم مفيدًا مرة أخرى لأنه يتخلص من كل من الكلور العادي ومركبات الكلورامين العنيدة دون ترك أي مواد تآكلية متبقية. مما يجعله مثاليًا لأنظمة التبريد التي تعتمد على إعادة تدوير المياه ولتحضير المياه المخصصة للمرشحات الغشائية. كما يستخدمه مربو الأسماك بكثرة في الحالات الطارئة مثل انفجار الأنابيب أو أعطال المضخات، حيث تكون الاستجابة السريعة عاملاً حاسمًا في إنقاذ الحياة. ومع ذلك، لا يُنصح بأي حال باستخدامه كحل دائم دون المراقبة الدقيقة، إذ قد يؤدي الإفراط في استخدامه إلى مشكلات أخرى لاحقة.

المعايير التنظيمية واعتبارات السلامة لاستخدام ثيوسلفات الصوديوم

الوكالة البيئية الأمريكية، منظمة الصحة العالمية واللوائح المحلية بشأن الكلور المتبقي وإزالة الكلورة

حددت وكالة حماية البيئة (EPA) حدًا أقصى قدره 0.1 ملغ/لتر للكلور المتبقي في تصريف المياه العادمة من خلال برنامج ترخيص NPDES الخاص بها. ويهدف هذا المستوى إلى حماية النظم الإيكولوجية المائية من الأضرار الفورية والتأثيرات طويلة الأمد على حد سواء. وبالنظر إلى المعايير العالمية، تقترح منظمة الصحة العالمية (WHO) الحفاظ على مستوى الكلور المتبقي أقل من 0.2 ملغ/لتر عند إعادة استخدام المياه لأغراض مثل الري أو الاستخدامات الصناعية، بهدف تقليل مركبات побочные الناتجة عن التعقيم التي قد تتكون أثناء عمليات المعالجة. وبعض المناطق تتبع معايير أكثر صرامة من هذه التوجيهات، فعلى سبيل المثال تطلب مناطق ساحلية معينة مستويات منخفضة تصل إلى 0.05 ملغ/لتر عند نقاط تصريف المياه في الممرات المائية المتصلة بالبحر. ولتحقيق هذه المتطلبات، يجب إجراء حسابات دقيقة للجرعات. وتعتمد معظم الأنظمة على نسبة أساسية تبلغ حوالي 1.75 جزء من ثيوسلفات الصوديوم لكل جزء من الكلور الموجود، وتُعد هذه النسبة نقطة البداية لتصميم أنظمة تلتزم بالحدود القانونية وتنجح أيضًا في اجتياز الفحوصات الدورية للامتثال.

السمية، السلامة في المناورة، وحماية العاملين (إرشادات OSHA/NIOSH)

ثيوسلفات الصوديوم ليس سامًا جدًا عند تناوله، حيث أظهرت الدراسات قيم LD50 فموية تزيد عن 5,000 ملغ/كغ في اختبارات الفئران. كما أنه لا يظهر على قوائم المواد المسرطنة المعروفة أو المخاطر البيئية أيضًا. ومع ذلك، توصي وكالات السلامة المهنية مثل OSHA وNIOSH باتخاذ إجراءات وقائية أساسية لأي شخص يعمل بشكل منتظم مع هذه المادة. يجب على العمال ارتداء قفازات نيترايل ونظارات واقية لتجنب تهيج الجلد أو العينين الناتج عن الشكل المسحوق أو المحاليل السائلة. ويجب تخزين المادة في أماكن جيدة التهوية وبعيدة عن الرطوبة، لأن الظروف الرطبة قد تؤدي إلى تحللها بمرور الوقت. وعند حدوث تسربات، يجب أن تتبع المرافق إجراءات تنظيف مناسبة باستخدام مواد مثل البيرلايت بدلاً من الماء، لأن الماء يسرّع فعليًا عملية التحلل. يجب على جميع أماكن العمل التي تتعامل مع ثيوسلفات الصوديوم الاحتفاظ بنسخ محدثة من كراسات بيانات السلامة متاحة بسهولة وفقًا لأنظمة OSHA. كما يجب عليها مراقبة جودة الهواء للتأكد من أن التعرض للموظفين يظل دون الحد المسموح به البالغ 15 ملغ/م³ المحدد لليوم العملي الذي مدته 8 ساعات. ويساعد اتباع هذه الإرشادات في ضمان عمليات آمنة سواء في محطات معالجة مياه المدينة، أو في بيئات التصنيع، أو في المختبرات البحثية حيث تُستخدم هذه المادة الكيميائية بشكل شائع.

الأسئلة الشائعة

ما استخدام ثيوسلفات الصوديوم في معالجة المياه؟

يُستخدم ثيوسلفات الصوديوم في معالجة المياه لتعادل الكلور وإزالته من أنظمة المياه دون إنتاج مخلفات ضارة. ويفضله الناس لقدرته على تكوين مركبات كبريتات غير ضارة.

كيف يتفاعل ثيوسلفات الصوديوم مع الكلور؟

يتفاعل ثيوسلفات الصوديوم مع الكلور في تفاعل أكسدة-اختزال حيث يعمل كعامل مختزل، محولاً الكلور إلى أيون كلوريد ومحولاً أيونات الثيوسلفات إلى كبريتات.

لماذا يُستخدم نسبة 1.75:1 لثيوسلفات الصوديوم والكلور؟

تضمن نسبة 1.75:1 الكفاءة العملية في العمليات الحقيقية، مع أخذ عوامل مثل التفاعلات الجزئية والمحتوى العضوي التي قد تعيق التفاعلات الكيميائية المثالية بعين الاعتبار.

ما العوامل التي تؤثر على كينتيكيات تفاعل ثيوسلفات الصوديوم والكلور؟

يمكن أن تؤثر عوامل مثل مستويات الأس الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، ووجود جزيئات عالقة أو مواد عضوية على سرعة وكفاءة التفاعل بين ثيوسلفات الصوديوم والكلور.