اثرات mtbe در آلودگي منابع آب

اثرات MTBE در آلودگي منابع آب
چكيده:
MTBE(متيل ترسيو – بوتيل اتر) يك ماده آلي اكسيژن دار است كه امروزه در ايران و برخي كشورهاي جهان به صورت گسترده در بنزين بدون سرب استفاده مي شود در ابتداي انتخاب و استفاد ه از اين ماده در سوخت مزاياي زيست محيطي آن مورد توجه بود ولي اكنون پس از گذشت چند سال از مصرف آن در دنيا مشخص شده است كه MTBE داراي امكان تاثيرات سوء روي انسان بوده و داراي پتانسيل آلودگي محيط زيست است. ورود MTBE به منابع آب و خاك به روشهاي مختلف انجام مي گيرد .MTBE در خاك بسيار متحرك است و حركت آن در آب تابع قوانين حركت آب در خاك است. MTBE مقاومت زيادي به تخريب زيستي دارد و نيمه عمر آن در آب بالاست ، جذب آنها توسط ذرات خاك ضعيف است ،حلاليت بالايي در آب دارد و بسيار متحرك است . اين عوامل باعث حركت MTBE به سمت آبهاي زير زميني و جمع اين ماده در اين آبها مي گردد و از آنجا كه آبهاي زيرزميني در شرب و كشاورزي استفاده دارند با تهديد سلامتي انسان و طبيعت باعث معضلات زيست محيطي مي گردد درحال حاضر USEPA حد مجاز اين ماده در آبهاي آشاميدني راpb 40-20 تعيين كرده است. با توجه به مصرف گسترده MTBE در ايران قبل از آنكه اين ماده به معضل زيست محيطي در كشور تبديل گردد بايد راهكارهي مناسب ادامه و ا عدم مصرف آن مشخص شود.
واژه هاي كليدي : MTBE ،آلودگي آبهاي سطحي ،آلودگي آبهاي زير زميني
مقدمه:
متيل ترسيو يک ماده آلی مصنوعی اکسيژن دار است که پس از اثبات جنبه های سوء بهداشتی و زيست محيطی سرب بعنوان جايگزين آن معرفی و امروزه در ايران و برخی از کشورای جهان بصورت گسترده در بنزينهای بدون سرب استفاده می شود.توجه به اين ماده در دهه ۷۰ ميلادی آغاز و مصرف آن در دهه ۸۰ و ۹۰ ميلادی در جهان افزايش يافت. در ابتدای انتخاب و استفاده از اين ماده در سوخت مزايای زيست محيطی آن مورد توجه بود که مهمترين آنها افزايش عدد اکتان بنزين٫ کاهش نشر گازهای آلاينده منتشر از اگزوز خودرو مانند منواکسيد کربن و ازن ٫ حذف سرب از بنزين به همراه تاثير بهبود نسبی کيفيت هوا ٫توليد آسان و سهولت اختلاط با بنزين می باشد ولی اکنون پس از گذشت چند سال از مصرف آن در دنيا مشخص شده است که MTBE دارای امکان تاثيرات سوء روی بدن انسان و مضرات زيست محيطی بودند و آلودگی آبها زير زمينی از مهمترين جنبه های زيست محيطی آن می باشد . در آمريکا از سال ۱۹۹۷ تا ۲۰۰۱ ميلادی دو سيستم تامين کننده نياز آب شرب شهری بخاطر آلودگی MTBE برای اين منظور غير قابل استفاده شدند.در سانتامونيکای آمريکا حداقل ۵۰ درصد از کل آب شهری که از منابع زيرزمينی تامين می شدبرای شرب غير قابل استفاده گرديد بطوريکه ۵/۳ ميليون دلار برای جايگزينو تامين آب شرب منطقه هزينه شد. وجود MTBE در کاليفرنيا در نمونه های شهری عموما با مقادير کمتر از ۲mg/l گزارش شده است. در شرايط خاص در جاهايی که قايقهای موتوری استفاده می شد غلظت اين ماده در آن آبها به۱۲ppm هم می رسد. در تحقيقی که در سال۱۹۹۶ توسط USGS در ۱۶ شهر آمريکا انجام شد ٫ مقدار MTBE موجود در آبهای سطحی بين µg/L 100-2/0 گزارش شد که غلظتهای بيشتر بين ماه های اکتبر تا مارس واقع شده است.(۳).در آمريکا به خاطر تاثيرات اين ماده در انسان و محيط زيست به ويژه آلودگی منابع آب اعتراضات فراوانی نسبت به ادامه مصرف آن وجود دارد ودر بعضی مناطق استفاده از MTBEممنوع شده است در اين مقاله برسی توانايی MTBEدر آلودگی منابع آب سه محور اصلی مورد توجه است تاثيرات MTBE روی سلامتی انسان چگونگی ورود MTBE به منابع آب وسرنوشت MTBE در منابع آب .
خصوصيات MTBE :
متيل ترسيو بوتيلاتر يک ترکيب آلی با فرمول شيميايی C5H12O می باشد در دما وفشار استاندارد مايعی بی بيرنگ ٫ قابل اشتعال و قابل احتراق است . جرم مولکولی آن ۱۵/۸۸ بوده و دارای نقطه ذوب ۹-ـ درجه سانتی گراد ونقطه جوش ۶/۵۳ - ۲/۵۵ درجه سانتی گراد می باشد . چگالی اين ماده ۷۴۴/۰ ۷۵۸/۰ گزارش شده است . انحلال پذيری MTBE در آب بسيار بالاست 540mg/L گرارش شده است .
تاثيرات MTBE روي سلامت انسان:
انسان از سه طريق خوردن يا آشاميدن ، اشتنشاق وتماس پوستي مي تواند در معرض MTBE قرار گيرد و سلامتي او تهديد گردد كه از اين بين بلع مهمترين راه ورود اين ماده به بدن انسان است و عمدتاً از طريق آشاميدن آب آلوده انجام مي شود، ضمن آنكه استحمام با آب گرم آلوده نيز فراريت آن را افزايش داده و باعث استنشاق اين ماده مي گردد . تاثيرات اين ماده روي بدن به دو قسمت سرطانيو غير سرطاني تقسيم مي شود . به دليل زمان نسبتاً كوتاه از آغاز مصرف گسترده اين ماده تحقيقات ومطالعات كافي براي برسي تاثيرات سرطان زائي در انسان انجام نشده است ولي اين موضوع هنگاميكه حيوانات آزمايشگاهي به صور مختلف در معرض مقادير بالاي MTBE قرار گرفتند اثبات گرديد. در يك آزمايش در آثر بلعيدن MTBE در موشهاي صحرايي ماده به مقدار mg 1000 به ازاء هر كيلوگرم وزن بدن در روز طي يك دوره 104 روزهاين موشها به سرطان خون مبتلا شدند وهمين تيمار در موشهاي صحرايي نر در دوره فوق باعث بروز تومورهاي بيضوي در آنها گرديد. طي تحقيقاتي در يك دوره18 ماهه ، استنشاق اين ماده توسط موشهاي صحرايي نر وماده صورت گرفت و خاصيت سرطان زايي MTBE در اين حيوانات آزمايشگاهي مشاهده گرديد . بر همين اساس USEPA اين ماده را در گروه داراي امكانم سرطان زائي قرار داده است . در مورد تا ثيرات غير سرطاني MTBE، از مهمترين وشايعترين عوارض تنفس آندر انسان سردرد ،سرگيجه،تهوع،آلرژي و مشكلات تنفسي مي باشد در آزمايشي روي موش صحرايي با بلعيدن mg 70 به ازاء هر كيلوگرم وزن بدن در روز تاثيري مشاهده نشد واز mg 100 به ازاء هر كيلوگرم وزن بدن در روزعوارض آن مشاهده گرديد(2). براي ارزيابي صحيح از سميت اين ماده بر روي آنسان نياز به مطالعات وتحقيقات بيشتري مي باشد . ضمن آنكه در مواردي مانند تاثير روي ژنتيك ،توليد مثلو رشد اطلاعات بسيار محدود است .
ورود MTBE به منابع آب:
اولين مرحله در آلودگي منابع آب به MTBE ورود اين ماده به اجزاء محيط زيست مي باشد . مهمترين منابع ورود MTBE به محيط زيست نشت از تانكها وذخاير زير زميني ،لوله ها واتصالات ،وسائل وجايگاههاي سوخت گيري ، وسائل نقليه موتوري با سوخت بنزين ، قايق هاي موتوري و وسائل حمل و نقل MTBE مي باشند كه بر حسب جايگاه و نوع منبع ، اين ماده مي تواند وارد هوا خاك و آب گردد. MTBE موجد در هوا، شستشوي سطوح ذرات آلوده به مواد حاوي اين ماده ، تخليه مستقيم MTBE يا بنزين حاوي اين ماده به آبورود اين ماده به آبهاي سطحي شده و ورود MTBE به آبهاي زير زميني نيز از طريق آبهي سطحي ، شكافها و عوارض زمين ، چاهها و خاك قابل انجام است ورود MTBE به هوااز طريق تبخير در جايگاههاي سوخت گيري و سوخت رساني ، خروج از خودروها ، تبخير از لكه هاي بنزين روي سطح زمين و استفاده هاي متفرقه انجام مي گردد . در نتيجه يك تحقيق پيك غلظت MTBE در هواي نزديك به پمپهاي بنزين به ppbv 1400 در اندازه گيريهاي كوتاه مدت رسيده است و ميانگين آن در همين مكان در محدوده ppbv 100-10 قرار داشته است . ميانگين غلظت MTBE در هوا در محيطهاي غير از پمپ بنزين ppbv 25/0 ،66/0 و82/0 گزارش شده است .(4) MTBE موجود در هوا با انحلال در ترولات آسماني به همراه بارندگي وارد سطح زمين ، خاك ويا آبهاي سطحي مي گردد.(3و4) اين اتفاق در مناطقي كه ترافيك سنگين دارد به ويژه در هواي سرد بيشتر مشهود است . در يك تحقيق در كاليفرنيا هنگاميكه غلظت متوسط MTBE در دماي 25 درجه سانتي گراد در هوا ppbv 2 بود غلظت تعادلي اين ماده در آب باران ppbv (70%) اندازه گيري شد . همچنين در تحقيقي در آلمان گزارش شده است كه 20 درصد از MTBE موجود در روان آبهاي شهري پس از بارندگي مربوط به MTBE ورودي از هوادر اثر بارش مي باشد بنابراين MTBE موجود در هوا يكي از منابع ورود به منابع آب مي باشد. ورود MTBE به خاك هم از طريق مختلف قابل انجام است. MTBE ورودي به هوا از طريق نزولات آسماني ، روانابهاي سطحي حاوي MTBE ، نشت از مخازن ،اتصلات،تانكرها و جايگا ه هاي سوختگيري و نشت از تانكهاي زيرزميني از مهمترين منابع ورود اين ماده به خاك مي باشد. نحوه حركت MTBE در خاك عامل مهمي در آلوده شدن آبهاي زيرزميني به اين ماده مي باشد. در حركت وجابجايي اين ماده در خاك خصوصيات فيزيكي و شيميايي خاك اهميت زيادي دارد . از مهمترين خصوصيات فيزيكي خاك در اين ارتباط تخلخل ،نفوذ پذيري خاك ،بافت، ساختمان و عمق خاك مي باشند.بافت سبك و تخلخل بالا با افزايش نفوذپذيري خاك حركت اين ماده را در خاك تسهيل مي نمايد . در مورد خصوصيات شيميائي خاك جذب سطحي و دفع از مهمترين اين خصوصيات است كه آلاينده هاي آلي را در خاك تحت تاثير قرار ميدهد. در خاك كلوئيدهاي رس و مواد آلي عوامل اصلي جذب سطحي MTBE مي باشند هرچه قابليت يك ماده براي جذب سطحي شدن به ذرات خاك بيشتر باشد تحرك آن ماده در خاك كمتر است . براي اين منظور در برآورد حركت MTBE در خاك از ضريب جذب سطحي (Kd) استفاده مي نمايند.
فرمول شماره يك:
غلظت جذب سطحي شده ماده مورد نظر روي سطح خاك بر حسب mg/kg يا (g يا μ)=Kd غلظت ماده مورد نظر در فاز محلول (آب خاك) بر حسب mg/Kg يا (µg/kg) بر اين اساس (1993)Howard ماده، MTBE را در خاك بسيار متحرك معرفي مي كند(2). جذب MTBE به ذرات خاك ضعيف بوده و حلاليت آن در آب بسيار بالاست بنابراين به راحتي در خاك به همراه آب به سمت پايين حركت كرده و در نهايت آبهاي زير زميني را آلوده مي نمايد . اين حركت تابع قوانين حركت آب در خاك مي باشد.
سرنوشت MTBE در منابع آب:
تخريب زيستي MTBE در آب بسيار كند است . MTBE توسط جمعي از دانشمندان در گروه مقاوم به تخريب زيستي قرار گرفته است اين ماده در هر دو حالت بي هوازي و هوازي به تجزيه ميكروبي مقاومت مي كند ولي گزارشاتي مبني بر تجزيه آن توسط ميكروبها در شرايط خاص موجود است. اين مقاومت به تجزيه ميكروبي مربوط به رفتار اتم كربن ترشيايي در ساخمان اتر و يا پيوند غير فعال اتر مي باشد. در آبهاي زيرزميني كه تخريب MTBE رخ داده است ماده ترسيو بوتيل اتر الكل تشكيل شده است كه خود مي تواند داراي خاصيت سرطان زائي باشد. مقاومت به تخريب توسط MTBE باعث حضور اين ماده در آب مي گردد كه طي مطالعات مختلف اثبات شده است . نيمه عمر MTBE در آبها سطحي بسته به وضعيت آب متغير است. عوامل مؤثر در نيمه عمر MTBE در اين آبها سرعت آب، عمق حضور ماده و دماي آب مي باشد. كاهش عمق،افزايش دماي آب و افزايش سرعت آب باعث كاهش نيمه عمر MTBE در آب مي گردد. نيمه عمر MTBE در آبها سطحي در حدود 9 ساعت مي باشدكه بسته به وضعيت آب مي تواند در محدوده 4 هفته تا 6 ماه قرار گيرد . در درياچه و آبهاي ساكن اين مقدار بيشتر و در رودخانه ها و جريانات متلاطم كمتر است. نيمه عمر MTBE در آبها زيرزميني به خاطر سرع كمتر آب و عدم وجود نور نسبت به آبها سطحي بسيار بيشتر است بطوريكه غلظت هاي حدود mg/l 200 نيز در آبهاي زيرزميني گزارش شده است. بخاطر حلاليت بالاي MTBE موجود در آب حركت و انقال اين ماده در منابع آب تابعي از اين آبها بوده و در آبهاي زير زميني از قانون دارسي پيروي مي نمايد.
فرمول شماره 2 فرمول دارسي Q=-kAi:
كه A سطح مقطع منطقه ، I شيب هيدروليكي و k هدايت هيدروليكي بستر مي باشد . در اين معادلهI=Δh/Δs بطوريكه Δh اختلاف پتانسيل هيدروليكي و Δs فاصله حركت مي باشد.هدايت هيدروليكي بستر تابعي از خصوصيات نوعي سنگ ، رسوب يا خاك بستر بوده و تخلخل و نفوذ پذيري دو خصوصيت مهم بستر هستند كه روي آب موثرند. از آنجا كه MTBE به راحتي جذب سطحي ذرات بستر نمي گردد حركت آن با آب تسهيل مي شود.
نتيجه:
MTBE با خصوصيات خود شامل تاثير روي سلامتي انسان توانايي بالاي حركت در منابع آب وخاك ، مقاومت به تخريب طبيعي و حلاليت بالا قادر است از مسيرهاي مختلف وارد منابع آبي شده و در آن حضور داشته و مدت زيادي در آن مانده و باعث آلودگي منابع آب گردد . آلودگي آبهاي زير زميني به اين ماده يكي از مهمترين جنبه هاي زيست محيطي MTBE تلقي مي شود زيرا بيش از 90% آب شهرها و حدود 40% آب مورد نياز بخش كشاورزي در جهان از اين منابع تامين مي شود و اين آبها به طور مستقيم و غير مستقيم مي تواند به مصرف انسان رسيده و روي سلامتي او تاثير گذار باشد . در غلظتهاي ppb 15- 5 بو و مزه آن در آب مي تواند شكايت مصرف كننده را در بر داشته باشد (2)،USEPA حداكثر مجاز اين ماده را در آب آشاميدني ppb 40- 20 پيشنهاد نموده است . با توجه به مصرف MTBE در ايران قبل از آنكه اين ماده به يك معضل زيست محيطي تبديل گردد با مطالعات و تحقيقات كافي راهكارهاي مناسب مصرف و عدم مصرف آن مشخص گردد.يافتن جايگزين مناسب براي MTBE از مهمترين اين راهكارها مي باشد هم اكنون در بعضي از كشورهاي جهان از برخي از انواع الكلها به عنوان جايگزين اين ماده در بنزين استفاده مي گردد.