مرجع تخصصی آب و فاضلاب

فسفر یک عنصر جامد به رنگ سفید واکسی می باشد که در سال 1669توسط Hennig Brand از کشور آلمان کشف شد . این عنصر از سنگهای فسفاته بدست می آید .

فسفر دارای 4 آلوتروپی می باشد. این آلوتروپی ها به فرمهای سفید یا زرد، قرمز، سیاه یا بنفش می باشد. فسفر معمولی مومی شکل سفید رنگ و جامد است. فسفر زمانی که خالص باشد بیرنگ و شفاف است . فسفر سفید دو حالت دارد آلفا و بتا با دمای تبدیل -3.8. درجه سانتیگراد.

این عنصر در آب حل نمی شود اما در دی سولفید کربن حل می شود. این عنصر به خودی خود در هوا آتش می گیرد و بعد از ترکیب با اکسیژن هوا در زمان سوختن تبدیل به پنتا اکسید فسفر می شود .

این عنصر به حالت آزاد در طبیعت یافت نمی شود ترکیبات این عنصر به صورت گسترده ای در طبیعت پراکنده شده اند. سنگ فسفات حاوی کانی آپاتیت دارای ناخالصی تری فسفات کلسیم است که این سنگ مهمترین منبع تولید فسفر است. معادن بزرگ این عنصر در روسیه، مراکش و فلوریدا و بعضی ازایالتهای دیگر آمریکا یافت می شود .
فسفر عنصری بسیار سمی است 50 میلی گرم آن برای مرگ کافی است. پرتودهی این عنصر از 0.1 میلیگرم بر متر مکعب تجاوز نمی کند. فسفر سفید در زیر آب نگهداشته می شود باید آن را با انبر جابجا کرد تماس آن با پوست دست باعث سوختگی شدید می شود.

وقتی در معرض نور خورشید قرار بگیرد یا وقتی داغ شده باشد حرارت آن به 250 درجه می رسد که می تواند در این حالت تبدیل به فسفات نوع قرمز شود. این فرم از فسفر به راحتی و به خودی خود آتش نمی گیرد و به اندازه فسفر سفید خطرناک نیست. در موقع کار با فسفر سفید باید بسیار دقت کرد چون هم بسیار سمی است و هم به راحتی درجه حرارت آن بالا می رود و آتش می گیرد. فسفر قرمز نسبت به سفید دارای پایداری بیشتری می باشد و برای ساخت کبریتهای بی خطر، مواد آتش بازی، آفت کشها، آتش افروزها ، بمبهای دودزا و گلوله ها کاربرد دارد.

فسفر سفید به روشهای مختلفی ساخته می شود. تری فسفات کلسیم یکی از اجزای اصلی سنگ فسفر است که در کوره های برقی یا سوخت کوره کاربرد دارد.

اسید فسفریک غلیظ که حاوی 70 تا 75 درصد P2O5 است عامل مهمی در تولیدات کشاورزی و مزرعه می باشد. از این عنصر برای تهیه کودهای شیمیایی کاربرد دارد. فسفاتها در تولید شیشه های مخصوص مثل لامپهای سدیم کاربرد دارد. فسفات کلسیم در ساخت ظروف چینی و پودر خمیرمایه استفاده می شود.

فسفرها یکی از مهمترین عامل تولید فولاد و فسفر برنز و تولیدات مهم دیگر می باشد. تری سدیم فسفات عامل پاک کننده در تصفیه آب و دیگ بخارمی باشد. فسفر ها عامل حیاتی در پروتوپلاسم همه سلولها، بافت های عصبی و استخوانها هستند.


اثرات فسفر بر سلامتي انسان :فسفر در مقايسه با فسفات در محيط زيست از فراواني بيشتري برخوردار است. فسفات ها يکي از مهمترين مواد تشکيل دهنده بدن انسان به شمار ميروند. زيرا فسفاتها قسمتي از ماده DNA را تشکيل ميدهند و در توزيع انرژي بدن شرکت ميکنند. همچنين فسفاتها از اجزاي تشکيل دهنده گياهان هستند.

انسان با افزودن کودهاي غني از فسفات به خاک و با استفاده از شوينده هاي حاوي فسفات باعث افزايش مقدار فسفات در طبيعت ميشود. همچنين، فسفات يکي از مواد افزودني به مواد غذايي به شمار ميرود. مواد غذايي مانند پنير، سوسيس و همبرگرها داراي مقدار قابل توجهي فسفات هستند.

مقدار زياد فسفات باعث بيماريهايي از قبيل آسيب به کليه ها و پوکي استخوان ميشود. از طرفي ممکن است در بدن فردي کمبود فسفات رخ دهد. کمبود فسفات بر اثر استفاده بيش از اندازه دارو اتفاق مي افتد. مقدار بسيار اندک فسفات نيز آسيبهايي را به سلامت انسان وارد ميکند.

فسفرخالص به رنگ سفيد است. فسفر سفيد خطرناکترين شکل فسفري است که تاکنون شناخته شده است. اگر فسفر سفيد در محيط وجود داشته باشد احتمال خطر و تاثير آن بر سلامت انسان افزايش مي يابد. فسفر سفيد بسيارسمي است و در بسياري موارد پرتودهي آن کشنده ميباشد.

بيشتر موارد مرگ گزارش شده بر اثر فسفر سفيد به دليل بلع مرگ موش ميباشد. علائمي مانند استفراغ، گرفتگي معده و خواب آلودگي قبل از مرگ در فرد مشاهده ميشود.

فسفر سفيد باعث سوختگي پوست ميشود. در حين سوختگي پوست قسمتهايي از بدن مانند کبد، قلب و کليه ها آسيب ميبينند.

اثرات فسفر بر محيط زيست :

فسفر سفيد

با توليد مواد شيميايي در صنايع مختلف و توليد مهمات در ارتش مقداري فسفر سفيد وارد محيط ميشود. با تخليه فضلاب کارخانه ها مقداري فسفر سفيد وارد آبهاي سطحي نزديک کارخانه ميشود.

به نظر ميرسد که فسفر سفيد در محيط منتشر نميشود زيرا به سرعت با اکسيژن هوا واکنش ميدهد. با ورود فسفر سفيد به هوا و ترکيبش با اکسيژن، فسفر سفيد به ذراتي تبديل ميشود که اثر مخرب کمتري دارد. زيرا زمانيکه ذرات فسفر در هوا قرار دارند، پوشش محافظي آنها را دربرگرفته و از واکنش دادن با ساير مواد جلوگيري ميکند.
فسفر سفيد در آب با ساير مواد وارد واکنش نميشود و در نتيجه داخل بدن موجودات آبي تجمع پيدا ميکند. در خاک فسفر طي چند روز باقي مي ماند و سپس به مواد با خطر کمتر تبديل ميشود. اما در خاکهاي عميق و در اعماق رودخانه ها و درياچه ها ممکن است فسفر حدود چند هزار سال باقي بماند.


فسفاتها
فسفات اثرات زيادي بر موجودات زنده دارد. اثر فسفات نتيجه انتشار وسيع آن در محيط زيست به دليل معدنکاري و کشت و زرع ميباشد. در هنگام تصفيه آب معمولاً فسفات از بين نميرود، بنابراين فسفات ميتواند در مسافت زيادي از طريق آبهاي سطحي انتشار پيدا کند.

با توجه به مقدار اضافه فسفر در طبيعت که به دليل فعاليتهاي انساني اتفاق افتاده است و به دليل افزايش غلظت فسفر، در چرخه فسفر اختلالاتي پديد آمده است.

با افزايش غلظت فسفر در آبهاي سطحي، تعداد ارگانيسمهاي وابسته به فسفات افزايش مي يابد. اين ارگانيسمها عبارت هستند از جلبک و خزه. اين ارگانيسمها مقدار زيادي از اکسيژن محيط را مصرف ميکنند و از وارد شدن نور خورشيد به آب جلوگيري ميکنند. اين مسئله باعث ميشود که ساير موجودات زنده نتوانند در آب زندگي کنند. به اين پديده eutrophication گفته ميشود.

عنصر فسفر در طبيعت

تجهیزات آزمایشگاهی مورد استفاده در تجزیه :اسپکترومتر جرمی ، میکروسکوپ ، کرماتوگرافی مایع و گازی ، اشعه x ، جذب اتمی ، مادون قرمز ، کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا و اسپکترومتر نشری

خواص فیزیکی و شیمیایی عنصر فسفر :
عدد اتمی: 15
جرم اتمی: 30.973
نقطه ذوب: C°44.15
نقطه جوش: C°280.5
شعاع اتمی: Å 1.23
ظرفیت: 1.23
رنگ: سفید نرم
حالت استاندارد: جامد
نام گروه: 15
انرژی یونیزاسیون : Kj/mol 10.486
شکل الکترونی: 11s2 2s2p6 3s2p3
شعاع یونی : Å 0.38
الکترونگاتیوی: 2.19
حالت اکسیداسیون: 5, 3, -3
دانسیته: 1.82
گرمای فروپاشی : Kj/mol 0.63
گرمای تبخیر : Kj/mol 12.43
مقاومت الکتریکی : Ohm m 0.0000001
گرمای ویژه: J/g Ko 0.77
دوره تناوبی:3

شماره سطح انرژی : 3
اولین انرژی : 2
دومین انرژی : 8
سومین انرژی : 5

ایزوتوپ :
ایزوتوپ نیمه عمر
P-31 پایدار
P-32 14.28 روز
P-33 24.3 روز

اشکال دیگر :هگزا اکسید تترا فسفر P4O6 و دکا اکسید تترا فسفر P4O10
تترا هیدرید فسفر P2H4 و فسفین PH3
تترا کلرید فسفر P2Cl4 و پنتا کلرید فسفر PCl5 و تری کلرید فسفر PCl3


منابع : کانی آپاتیت
کاربرد : از این عنصر در ساخت انواع کودهای شیمیائی ،اسباب آتشبازی ، آفت کشها ، خمیر دندان ، کبریت و شوینده ها استفاده می شود .

فسفر نقش بسزایی در بسیاری از فرآیندهای زیستی برعهده داشته ولی هنوز چرخه کامل مربوط به آن شناسایی نشده است. فرآیندهای بیولوژیکی و شیمیایی بسیاری در این چرخه شرکت داشته و بر یکدیگر تاثیر می گذارند.

فسفر مانند ازت و گوگرد، از جمله مواد حیاتی مورد نیاز برای جانداران است. تنها تعداد کمی از باکتریها و گیاهیان قادرند سیلیسیم را جایگزین فسفر کنند. DNA، ATP، غشاهای بیولوژیکی و آنزیم ها در ساختار خود دارای فسفر می باشند. از نظر شیمیایی فسفر به صورت فسفات و به صورتهای زیر یافت می شود:

-بصورت محلول یا کلوئیدی با ماهیت آلی

- بصورت ارتوفسفات با ماهیت معدنی

-بصورت ترکیب و دانه ای با ماهیت آلی

 

اهمیت فسفات

1-فسفات جزء ماده اصلی تشکیل دهنده ترکیبات غنی انرژی مثل دی فسفات نوکلئوزیدی ADP[2]، تری فسفات نوکلئوزیدی ATP [3]، و غیره می باشد.

2-فسفات یکی از مواد اصلی غشاء سلولی، اسید نوکلئیک، و سیستمهای انتقال انرژی سلولی است.

3-فسفات برای واکنشهای متابولیکی رهاسازی انرژی ضروری است.

4-برای کدگذاری ژنها مورد نیاز است.

فسفر در بسیاری از موارد عامل محدود کننده رشد گیاهان است. جلبکها قادرند از کمترین مقادیر موجود فسفر معدنی برای سوخت و ساز خود استفاده کنند. براساس نظریات اولمان [4] در صورت وجود غلظتی معادل یک میکروگرم فسفر در لیتر (بصورت ارتوفسفات) امکان رشد حدود 15 میلیون سلول فراهم می شود.

تخلیه آبهای حاوی فسفر در منابع آب پذیرنده باعث رشد بحرانی جلبکها می گردد و بدلیل غلظت فسفر موجود در فاضلابهای شهری، می توان از آنها بعنوان محلولی تاثیرگذار در این رابطه نام برد. پلی فسفاتها در مواد شوینده، مصرف مواد غذایی پروتئینی و تخلیه مقدار قابل توجهی فسفر به همراه ادرار در فاضلابهای خانگی در این امر موثر هستند.

هرفرد در روز حدود 5/1 گرم تا 5/3 گرم فسفات دفع می کند که این امر بر میزان غلظت فسفاتها در منابع آب می افزاید.

چرخه فسفر عبارت است از یک چرخه زمین شیمی زیستی[5] که حرکت فسفر را در لیتوسفر، هیدروسفر و بیوسفر بیان می کند. فسفر به کندی از مواد ته نشین شده در زمین و رسوبات به زندگی ارگانیزمها حرکت می کند و همچنین بسیار کندتر به خاک و رسوبات آبی بر میگردد. چرخه فسفر کند تر از چرخه ماده است. فسفر بصورت طبیعی در طبیعت به شکل PO4-3 که ارتوفسفات نامیده می شود، یافت می شود. اغلب فسفاتها بصورت نمکها در رسوبات ته اقیانوسها و یا در سنگها وجود دارند. در طول زمان فرآیندهای زمین شناسی رسوبات اقیانوسها را به زمین خشکی انتقال داده و همچنین هوازدگی و اثرات جوی یونهای زمینی را به اقیانوس منتقل می کنند. گیاهان فسفاتها را از خاک جذب کرده و آنها را در زنجیره غذایی قرار می دهند. بعد از مرگ، گیاهان و یا حیوانات تجزیه شده و مجددا فسفاتها به خاک بر می گردند. رواناب ممکن است آنها را به اقیانوس منتقل کرده و یا اینکه در اثر ته نشینی و رسوب مجددا به سنگهای فسفاته تبدیل شوند.

تاثیر انسان در چرخه فسفر عمدتا ازطریق تولید و استفاده از کودهای سنتز تجاری است. فسفات از طریق معدنکاری مواد ته نشین شده عمده از فسفات کلسیم با نام آپاتایت است. مقادیر زیاد اسید سولفوریک مورد استفاده در تبدیل سنگ فسفات به یک کود سوپر فسفات نامیده می شود. گیاهان ممکن است قادر به استفاده از همه کود فسفاته بکار رفته نباشند لذا قسمت اعظم آن بواسطه جریان سطحی آب منتقل می شود. فسفات موجود در آب سرانجام بعنوان رسوبات در اعماق آب ته نشین می گردد. در برخی دریاچه ها و استخرها ممکن است مجددا بصورت ماده مغذی در چرخه قرار گیرد.

چرخه فسفر شامل ترکیبات معدنی فسفات، ترکیبات آلی فسفر در گیاهان و انتقال آن از طریق زنجیره غذایی به جانوران می باشد. باکتریهای هتروتروف، قارچها و آکتینومیستها ترکیبات فسفر را به ترکیبات معدنی فسفات تجزیه می کنند. برخی از میکروبها قادرند به کمک اسیدهای آلی، تری کلسیم فسفات Ca3(PO4)2 استخوان را که از حلالیت بسیار کمی برخوردار است، جذب نمایند.

باید توجه داشت که ارتباط نزدیکی بین چرخه فسفر و چرخه آهن وجود دارد. در دریاچه های یوتروفیک در لایه هیپولیمنیون، در صورت وجود آهن، فسفات و اکسیژن و درجه اسیدی بالای 7 فسفات آهن نامحلول حاصل می گردد. این ماده بصورت یک لایه روی سطح لجن قرار می گیرد. بدین ترتیب تا رسیدن فصل پائیز تقریبا تمام فسفات موجود رسوب می کند. چون بستر دریاچه عاری از اکسیژن است، آهن سه ظرفیتی به آهن دوظرفیتی احیا می گردد. لذا فسفات دوباره آزاد شده وارد چرخه می گردد. آهن نیز با سولفید هیدروژن واکنش انجام داده و FeS و FeS2 بدست خواهد آمد. اکنون مشخص می شود که چرا می توان به کمک نمکهای آهن سه ظرفیتی، فسفات را جذب و از آب زدود.

از این فرآیند در تصفیه پیشرفته فاضلاب (توسعه فرآیندهای متفاوت تصفیه فاضلاب) استفاده می شود.

در حالت دیگر حذف فسفر به کمک باکتریها انجام می گیرد. باکتریهای Acinetobacter و تعداد دیگری از انواع باکتریها قادرند غلظت فسفات موجود در فاضلاب را در زمان کوتاهی (تا دوروز) به مقدار قابل توجهی کاهش دهند. در این رابطه بجز باکتریهای گرم منفی Acinetobacter باکتریهای میله ای گرم مثبت نیز شناسایی شده اند.

مدتهاست که محققین به این نتیجه رسیده اند که، فسفر برای همه ارگانیزمها از اهمیت حیاتی برخوردار است. میکروارگانیزمهای زیادی قادرند فسفر را بصورت زنجیره های بلند پلی فسفات (Volutingranula) ذخیره نموده و درصورت نیاز از آن استفاده کنند. این فرآیند در منابع آبی که به فاضلاب آلوده نیستند، مشاهده می شود. در تصفیه خانه های فاضلاب شهری نیز که فسفر همواره به میزان قابل توجهی موجود است، میکرو ارگانیزمها قادرند فسفر را در ساختار سلولی خود ذخیره نمایند (افزایش غلظت فسفر در لجن فعال). بقیه فسفات محلول در فاضلاب، باقیمانده و در منابع آب پذیرنده تخلیه می شود. به کمک روشهای معمول می توان غلظت فسفر در ماده خشک لجن را از 1 تا 2 درصد به 5 درصد افزایش دادو بدین ترتیب آن را از فاضلاب جدا نمود.

اگر انواع مهم باکتریهای Acinetobacter به طور متغیر تحت شرایط هوازی و بی هوازی قرار گیرند، تراکم آنها در لجن افزایش می یابد. در شرایط بی هوازی، باکتریهای مذکور ترجیحا اسیدهای زنجیره کوتاه را تجزیه می کنند.

این غلظت سوبستره تعیین کننده جذب همزمان فسفات و سنتز پلی فسفاتها است. انرژی مورد نیاز نیز با جداسازی فسفات از ذخیره موجود حاصل می شود.

سوخت و ساز سلولی باکتریهای دیگر ذخیره کننده پلی فسفات قادر به تنفس نیترات نمی باشند، متوقف می گردد. در مرحله هوازی پس از آن هردو نوع باکتری فسفات موجود در فاضلاب را جذب می کنند و البته باید متذکر شد که باکتری های Acinetobacter قادر به جذب مقدار بیشتری فسفات هستند. در مرحله آنوکسیک نیز، باکتریهایی بی هوازی اختیاری Acinetobacter قادرند که فسفات ذخیره نمایند. سوخت و ساز سلولی باکتریهای میله ای گرم مثبت در این مرحله همانند مرحله بی هوازی انجام می پذیرد. رشد مناسبتر باکتریهای Acinetobacter باعث ازدیاد آنها شده، ولی تمایل آنها به جذب فسفات در مرحله بی هوازی کاهش می یابد.
تحلیل :

1-فسفر سفید پایدار نبوده و بدلیل اینکه به سرعت با آب و هوا واکنش نشان داده و تبدیل به ترکیبات دیگر می گردد.

2-فسفر سفید نوع خطرناکتر فسفر می باشد که ماده ای بسیار سمی و کشنده است.

3-منبع آلودگی عمده در زمینه فسفر سفید مربوط به استفاده آن در کاربردهای نظامی است.

4-مدت پایداری فسفر در خاک ممکن است بیشتر از چند روز نباشد و به ترکیبات با خطرات کمتر تبدیل می شود . بنابراین در بررسی آلودگی مرتبط با فسفر زمان نمونه گیری جهت بررسی از اهمیت بالایی برخوردار است.

5-منبع اصلی فسفاتها  کارهای معدنی و کشاورزی است. و فسفاتها در آب بگونه ای پایدار بوده و مدتها باقی می مانند. و منبع اصلی رشد ارگاتنیسمهایی مثل جلبک و خزه هستند که از منابع مهم موثر در کیفیت آبهای سطحی است.

6-برخلاف تعداد دیگری از چرخه های زمین زیست شیمی، اتمسفر نقش عمده ای را در حرکت و چرخه فسفر ایفا نمی کند. بدلیل اینکه فسفر و ترکیبات فسفری معمولا بصورت جامد در محدوده های درجه حرارت و فشار نرمال در زمین یافت می شوند.

7-سرعت حرکت فسفر در گیاهان و حیوانات بسیار سریعتر است در عین حال این حرکت در خاک و اقیانوس بسیار کند می باشد. به همین دلیل است که چرخه فسف در طبیعت یکی از کندترین چرخه های زمین شیمی زیستی است.
منابع:
1- خدامی.ش، ربانی. م، بررسی ترکیبات مختلف فسفردر مجتمع پرورش میگوی گواتر چابهار، 1386، پژوهش و سازندگی، شماره 75، ص 73-80.

2- محوی. ا و همکاران، بررسي كارايي روش الكتروليز در حذف فسفر از پساب تصفيه خانه‌هاي فاضلاب ، 1386، مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی کردستان، دوره دوازدهم، ص 36-45.