یون سولفات و روش‌های اندازه‌گیری آن

کاربرد گسترده ترکیبات سولفات در کشاورزی، صنایع شوینده و نساجی باعث ورود مقادیر زیادی از این آنیون به منابع آب‌های طبیعی شده است.

کودهای شیمیایی حاوی نمک‌های مختلف سولفات، رشد گیاهان را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند. به عنوان نمونه، آهن سولفات با افزایش تولید سبزینه منجر به بهبود رشد گیاهان شده و افزون بر این با تنظیم اسیدیته خاک، منجر به کاهش شوری زمین‌های کشاورزی و جذب بهتر ریزمغذی‌ها توسط گیاهان می‌شود. بنابراین می‌توان گفت یکی از مهم‌ترین منابع ورود سولفات به منابع آبی، مصارف کشاورزی است.

کاربرد ترکیبات حاوی سولفات در صنایع شوینده نیز بسیار گسترده است. در پودرهای شوینده، برای افزایش حلالیت، ممانعت از کلوخه شدن و یا بهبود ظاهر این فرآورده‌ها از پرکننده‌ها[1] استفاده می‌شود. یکی از متداولترین نوع این پرکننده‌ها، سدیم سولفات است. اما شاید بتوان ماده فعال سطحی[2] سدیم لوریل سولفات[3] را پرکاربردترین ترکیب حاوی سولفات در صنایع شوینده دانست که منجر به افزایش مقادیر این آنیون در پساب‌های خانگی و تا حدودی پساب‌های صنعتی شده است. سولفات‌ها افزون بر این، دارای منشأ طبیعی و زمین‌شناسی نیز هستند. گاهی نیز مقادیر بیش از حد سولفات ناشی از بارش‌های جوی است. زیرا سولفات موجود در هوا که در اثر سوخت‌های گوگرددار حاصل می‌شود به وسیله بارش‌های جوی شستشو داده شده و در منابع آبی ایجاد آلودگی می‌کند.

در صنایع نساجی نیز از ترکیبات سولفات به عنوان تثبت‌کننده رنگ[4] استفاده می‌شود. اصولاً رنگ‌های طبیعی به راحتی به سطح الیاف کتان نمی‌چسبند. به همین علت برای چسبیدن رنگ‌ها از آلومینیوم سولفات استفاده می‌شود که اجازه واکنش رنگ و پارچه را می‌دهد.

وجود سولفات در منابع آب به عنوان یک آلاینده شیمیایی، می‌تواند اثرات نامطلوبی بر سلامتی انسان داشته باشد. همچنین حضور مقادیر نسبتاً بالای سولفات سبب ایجاد تداخل در فرآیندهای تصفیه آب خواهد شد. پیرو حضور عوامل سولفوره در فرآیندهای بی‌هوازی، بازده تبدیل مواد آلی به شدت کاهش می‌یابد. از دیگر مشکلات وجود این آلاینده می‌توان به افزایش خوردگی لوله‌ها اشاره نمود. زیرا سولفات طی فرآیند هیدرولیز به اسید سولفوریک تبدیل می‌شود. در فرآیند متابولیزه سولفات همچنین فرآیندهای خطرناکی تولید می‌شود که می‌تواند اکوسیستم موجودات آبزی را تهدید کند.

روش‌های اندازه‌گیری یون سولفات

روش‌های مناسب برای تعیین مقادیر سولفات در نمونه‌های آبی از بین روش‌های زیر با توجه با گستره غلظتی این آنیون انتخاب می‌شود:

• روش وزن‌سنجی رسوبی[5]
• روش کدورت‌سنجی
• روش تیتراسیون برگشتی
• روش متیل تیمول بلو[6]

• روش وزن‌سنجی رسوبی:

روش وزن‌سنجی یکی از تکنیک‌های رایج در تعیین سولفات تا غلظت 10 mg/L است. این روش بر مبنای تبدیل آنالیت به یک گونه قابل توزین مانند رسوب استوار است. در آنالیز وزن‌سنجی رسوبی می‌توان با استفاده از یک واکنش رسوبی، آنالیت را به یک رسوب با فرمول مشخص تبدیل کرده و سپس با توزین رسوب حاصل، مقدار گونه مجهول را تعیین نمود. رسوب باید دارای خصوصیات زیر باشد:

1- حلالیت کمی داشته باشد.

2- اندازه رسوب درشت باشد، زیرا رسوب‌های درشت خالص‌تر هستند؛ به سادگی ته‌نشین می‌شوند و از صافی عبور نمی‌کنند.

3- درصد خلوص بالایی داشته باشد.

4- پایدار بوده و فرمول استوکیومتری مشخصی داشته باشد.

به طور مثال، آنیون سولفات در واکنش با باریم کلرید و در محلول اسید هیدروکلریدریک به شکل باریم سولفات رسوب داده می‌شود:

سپس رسوب تا نزدیک نقطه جوش حرارت داده شده و پس از طی مرحله هضم، توسط کاغذ صافی (شکل 1) جداسازی می‌شود. در ادمه رسوب توسط آب مقطر شستشو داده شده تا از نبود یون کلرید اطمینان حاصل شود. در نهایت رسوب باریم سولفات پس از خشک شدن، توزین می‌شود.

شکل 1- جداسازی رسوب باریم سولفات از محلول به کمک کاغذ صافی

تداخل‌ها: عوامل مختلفی در تعیین مقدار سولفات به روش وزن‌سنجی رسوبی مزاحمت ایجاد می‌کنند و منجر به بروز خطاهای مثبت و منفی می‌شوند. حضور مواد معلق و آنیون‌های سولفیت و نیترات از منابع خطاهای مثبت به‌شمار می‌روند. سولفیت موجود در نمونه ممکن است به سولفات اکسید شده و خطای مثبت ایجاد نماید. باریم نیترات (Ba(NO₃)₂)، باریم کلرید (BaCl₂) و آب همراه باریم سولفات نیز مزاحمت ایجاد می‌کنند. نکته مهم این است که باید از خشک شدن کامل رسوب باریم سولفات در هنگام توزین اطمینان حاصل نمود. در غیر این صورت، جرم آب موجود در نمونه نیز به محتوای سولفات نسبت داده می‌شود. همچنین، آهن با آنیون سولفات واکنش داده و به رسوب آهن (III) سولفات تبدیل می‌شود که در آب انحلال‌پذیر بوده و به خطای منفی منجر خواهد شد.

• روش کدورت‌سنجی:

از روش کدورت‌سنجی هنگامی استفاده می‌شود که بازه غلظتی سولفات بین mg/L (1 تا 40) باشد.

در جدول 1، علاوه بر سولفات، برخی از آنالیت‌هایی که مقادیر آن‌ها با استفاده از روش‌های کدورت‌سنجی و نفلومتری تعیین می‌شود به همراه عامل رسوب‌دهنده و رسوب تشکیل‌شده ارائه شده است.

جدول 1: یون‌های قابل اندازه‌گیری به شیوه کدورت‌سنجی

از واکنش یون‌های سولفات با باریم کلرید در حضور اسید کلریدریک، رسوب باریم سولفات تشکیل می‌شود. پس از تشکیل رسوب، محلول به مدت 5 دقیقه ثابت نگه داشته می‌شود. پس از تشکیل رسوب، شدت جذب و یا شدت تابش پراکنده‌شده توسط دستگاه طیف سنجی و در طول موج 420 nm اندازه‌گیری می‌شود. مقادیر جذب اندازه‌گیری شده با استفاده از منحنی کالیبراسیون به غلظت گونه پراکنده‌کننده و به دنبال آن به غلظت یون سولفات ارتباط داده می‌شود.

تداخل‌ها: هر نوع ماده رنگی یا سوسپانسیونی که باعث کدری محلول شود، در اندازه‌گیری سولفات به روش کدورت‌سنجی تداخل ایجاد می‌نماید. راهکار حذف این تداخل، فیلتر کردن اولیه محلول است تا عوامل کدکننده حذف شوند. این آنالیز چنانچه در دمای اتاق انجام شود، کارایی مطلوبی خواهد اشت.

• روش تیتراسیون برگشتی:

در این روش، به محلول اسیدی حاوی آنیون سولفات، مقادیر اضافه و مشخصی از باریم کلراید اضافه شده و رسوب باریم سولفات تشکیل می‌شود. این رسوب توسط کاغذ صافی فیلتر می‌شود. آنچه باقی می‌ماند محلول حاوی باریم واکنش نداده است. تیتراسیون توسط EDTA با اضافه کردن بافر قلیایی و معرف اریوکروم بلک تی به محلول زیر صافی انجام می‌شود. در ابتدا که هنوز EDTA اضافه نشده است، باریم موجود در محلول با شناساگر اریوکروم بلک تی (Erio) برهم‌کنش داشته و به رنگ قرمز در می‌آید. اما در نقطه هم‌ارزی، شناساگر آزاد شده و آبی رنگ می‌شود. حجم EDTA مصرفی، مقدار باریم اضافی موجود در محلول را مشخص می‌کند و با توجه به معلوم بودن باریم اولیه، باریم مورد استفاده در واکنش با سولفات تعیین و به غلظت سولفات ارتباط داده می‌شود.

• روش متیل‌تیمول بلو:

در این روش، ابتدا نمونه اسیدی توسط سیال حمل‌کننده به درون ستون رزین تبادگر کاتیون منتقل شده تا از حذف کاتیون‌های کلسیم و منیزیم اطمینان حاصل شود. در مرحله بعد، واکنشگرهای باریم کلرید و متیل میمول بلو با شدت جریان حجمی مشخص به سیستم آنالیز تزریق جریان وارد می‌شوند. با توجه به اینکه محلول هنوز اسیدی است، تنها باریم سولفات تشکیل می‌شود. پس از ورود سدیم هیدرواکسید و افزایش pH تا مقدار 12، باریم اضافی با متیل‌تیمول بلو واکنش داده و یک کمپلکس آبی‌رنگ تولید می‌کند. از طرفی متیل‌تیمول بلو مصرف نشده و به رنگ خاکستری باقی می‌ماند. شدت جذب محلول خاکستری رنگ توسط طیف‌سنج و در طول موج nm 460 اندازه‌گیری شده و به غلطت آنیون سولفات ارتباط داده می‌شود. نکته مهم در این اندازه‌گیری، برابر بوده مقدار باریم کلرید و متیل‌تیمول بلو (y) مطابق معادلات زیر است. بنابراین، مقدار متیل‌تیمول بلو واکنش نداده و آنیون سولفات (x) نیز برابر خواهند بود:

[1] filler

[2] Surface active agent

[3] Sodium lauryl sulfate

[4] Leveling agent

[5] Precipitation gravimetric

[6] Methylthymol blue

منبع:

اسد آبادی، سمین و همکاران، (1399)، کنترل کیفیت آب مبانی و روش‌ها، انتشارات دانشگاه بوعلی سینا