Fosfat, içme suyu arıtımında birçok farklı amaçla kullanılmaktadır. “Kırmızı” (demir kaynaklı) ve “siyah” (manganez kaynaklı) su oluşumunu önlemek; su dağıtım sisteminde mineral çökelmesi ve korozyonu (düşük pH ve/veya farklı metaller nedeniyle) önlemek ve/veya yavaşlatmak ve tüketiciye ulaşan içme suyundaki çözünmüş kurşun ve bakır miktarını azaltmak gibi işlevleri vardır.
Çevre Koruma Ajansı (EPA), Güvenli İçme Suyu Yasası (SDWA) kapsamında, içme suyunun güvenliğini artırmaya yönelik ulusal içme suyu düzenlemeleri oluşturarak bu düzenlemeleri uygulamaktadır. EPA, bu düzenlemeleri oluşturma konusunda birincil sorumluluğa sahiptir. 1990 yılına kadar EPA, içme suyu arıtımında kullanılan kimyasalların, fosfatlar dahil, sertifikasyon sürecini yürütmekteydi. 1990 yılında, Ulusal Sanitasyon Vakfı (NSF) tüm sertifikasyon süreci sorumluluğunu üstlendi.
Bu süreç birkaç adımdan oluşur. NSF’nin toksikoloji ekibi tarafından toksikoloji veritabanı ve safsızlık profilleri titizlikle incelenir. Ardından NSF tüm üretim tesislerini denetler. Sertifikasyon başvurularında sunulan safsızlık verilerini doğrulamak için numuneler alınır ve analiz edilir. Süreçte kullanılan hammaddeler, başvuruda sunulan listelerle doğrulanır ve eksik olanlar tamamlanır. Ham madde tedarikçilerinin de ürün başvurusuna benzer ayrıntılı bilgiler sunması gerekmektedir.
(Amerika Fosfat Forumu bu belgeyi genel kamu için bir eğitim kaynağı olarak hazırlamıştır.)
İçme Suyu Arıtımında Fosfatların Seçilmiş Özellikleri
Bu bölüm, fosfatları içme suyu arıtımı için uygun katkı maddeleri haline getiren belirli özellikleri ele almaktadır.
A. Şelasyon
Şelasyon, metal iyonları ve bir şelatlayıcı ajan arasında çözünebilir komplekslerin oluştuğu kimyasal bir birleşimdir. Sertlik iyonları genellikle suda bulunan metal iyonları olup kalsiyum ve magnezyum gibi elementleri içerir. Şelasyon, pH seviyesine bağlıdır; belirli bir şelatlayıcı, belirli bir pH aralığında en iyi performansı gösterir. Sodyum Heksametafosfat (SHMP), nötr pH aralıklarında oldukça iyi performans gösterirken, pirofosfatlar ve polifosfatlar alkali koşullarda en iyi sonucu verir.
B. Eşik Aktivitesi
Birçok polifosfat, gerekli görünen seviyenin çok altındaki miktarlarda istenilen etkiyi sağlayabilir. Örneğin, 200 ppm sertlik içeren su (kalsiyum karbonat veya CaCO₃ olarak) teorik olarak mevcut kalsiyumu şelatlamak için yaklaşık 500 ppm SHMP gerektirir. Ancak kireç oluşumunu önlemek için tipik olarak yalnızca 2-4 ppm SHMP kullanılır. SHMP’nin bu “eşik etkisi,” erken kristal büyümesine müdahale ederek gerçekleşmektedir.
C. Deflokolasyon
Flokülasyon, genellikle 10 mikrondan küçük çözünmüş parçacıkların, her bir parçacık üzerinde bulunan pozitif ve negatif yük bölgelerinin varlığı nedeniyle birbirini çekmesinden kaynaklanır. Bu parçacık grupları, zıt yüklerin etkileşimi nedeniyle su çözeltisinden sert birikintiler oluşturur. Bu süreci engellemek için suya eşik seviyelerinde polifosfat eklenir. Polifosfatların bu eşik seviyeleri, küçük parçacıkları kaplayarak yüzey yük dağılımını değiştirir ve parçacıkların birbirine olan çekimini azaltır. Kaplanan bu parçacıklar birbirini çekmek yerine itme eğilimindedir — bu duruma deflokolasyon denir. Defloke olan parçacıklar suda asılı kalır ve duran su içinde çökelme eğilimi göstermez. Bu özellik, mevcut sertlik birikintilerinin (CaCO₃) ve demir oksitlerin uzaklaştırılması için önemlidir.
D. Klor Stabilitesi
Orto- ve polifosfatlar, klorlanan içme suyunda bulunan klor seviyelerinde stabildir. Klor veya polifosfatın seviyelerini veya etkinliğini azaltan herhangi bir etkileşim gözlenmez. Ek olarak, klorlamadan önce renksiz kompleksler halinde şelatlanan demir ve manganez, klorlamadan sonra da renksiz kalır.
E. Hidrolitik Stabilite
Çözeltide, lineer polifosfatlar yavaş bir hidroliz sürecine girer. Bu süreç devam ettikçe, kısa zincirli polifosfatlar daha kısa zincirlere, metafosfatlara ve ortofosfatlara dönüşür. Nötr pH ve normal oda sıcaklıklarında bu hidroliz oldukça yavaştır. 20°C ve 7 pH’da, en kısa polifosfat olan pirofosfatın %50’si 12 yıl içinde ortofosfata dönüşür. 50°C’de yarı ömür iki aya düşer. Genellikle, düşük pH ve yüksek sıcaklık hidroliz hızını artıracaktır. Uzun zincirli polifosfatlar daha kısa ama işlevsel zincirlere ayrıldığından, genel adım adım süreç raf ömrü ve ürün stabilitesini tahmin ederken dikkate alınmalıdır.
F. Güvenlik
1990 yılında, NSF, üretim tesisi denetimi, ham madde sertifikasyonu ve ürün etiketlemesini içeren bir sertifikasyon programından sorumlu olmuştur. NSF sertifikasyon süreci, içme suyu arıtımında kullanılabilecek bir şirketin tüm tesislerini ve ürünlerini kapsar.
İçme Suyu Arıtımında Fosfat ve Fosforik Asit Kullanımı
İçme suyu arıtımında kullanılan fosfatlar, demir ve manganez kontrolü, kireçlenme önleme ve giderme, korozyon kontrolü ve klor stabilizasyonu gibi birçok işlevi yerine getirir.
A. Demir ve Manganez Kontrolü
Yeraltı ve kuyu sularında demir ve manganez genellikle çözünür durumda olan iki değerlikli formda (Fe²⁺ veya Mn²⁺) bulunur. Hava ile temas ettiğinde, bu formlar çözünmez ve renkli olan üç değerlikli forma (Fe³⁺ veya Mn³⁺) oksitlenir. Düşük demir seviyesine sahip suyun klorlanması, çözünmeyen demir oksit veya demir klorürlerin oluşumuna yol açar. Çözünmeyen demir tuzları, halk arasında “kırmızı su” olarak bilinen renklenmenin nedenidir ve çamaşır, porselen, mutfak eşyaları ve cam eşyalarda kırmızımsı-kahverengi lekeler bırakabilir. Manganez bileşikleri benzer reaksiyonlar geçirerek “siyah su”ya neden olur ve temas yüzeylerinde kahverengimsi-siyah lekeler bırakabilir. Diğer ağır metaller de klor ile reaksiyona girerek benzer çözünmeyen maddeler oluşturabilir. Suyun renk değişimi estetik açıdan hoş karşılanmaz ve 0.5 mg/l demir ve 0.05 mg/l manganez seviyeleri, suyun tadını hoş olmayan hale getirir.
Klorlamadan önce 2-4 ppm gibi düşük seviyelerde bir polifosfat olan sodyum heksametafosfat (SHMP), sodyum tripolifosfat (STP) veya tetrasodyum pirofosfat (TSPP) kullanımı, ağır metalin renksiz fosfat komplekslerinin oluşumuna ve çözünmeyen bileşiklerin oluşumunun önlenmesine yol açar. Ortofosfatların kalsiyum ve magnezyum tuzları nispeten çözünmez olduğundan, su sertliği çökelme yoluyla da azaltılabilir. Hangi ortofosfatın kullanılacağı, pH gereksinimlerine göre belirlenebilir.
B. Kurşun ve Bakır Giderimi
Kurşun ve bakır, büyük ölçüde borulardan ve tesisat bağlantılarından sızarak içme suyunda bulunur. Bakırın, SDWA düzenlemelerine göre içme suyunda 1.3 mg/l ile sınırlı olması gerekir. Aşırı bakır varlığında (3 mg/l seviyesinde), su metalik bir tat alır ve yüzeylerde mavi-yeşil renk bırakabilir. Yetişkinlerde, 3 mg/l’nin üzerinde bakır içeren su mide bulantısı, kusma ve karın ağrısına neden olabilir. Kurşun ise içme suyunda SDWA’ya göre 15 ppb ile sınırlandırılmıştır. Kurşunun tadı genellikle alınmaz ve kalıntı bırakmaz.
Kurşun, gelişmekte olan fetüste, bebeklerde ve küçük çocuklarda geri döndürülemez zihinsel ve fiziksel gelişim sorunlarına yol açabilir. Yetişkinlerde uzun süreli kurşun maruziyeti, beyin, böbrekler, sinir sistemi ve kırmızı kan hücrelerine zarar verebilir. Kurşun bazlı lehimlerin kullanımı ABD’de 1988 yılında yasaklanmıştır. Ancak, kurşun eski evlerde, tarihli belediye su sistemlerinde ve pirinç bağlantı parçalarında bulunabilir. İçme suyu dağıtım sistemlerine su çözünür ortofosfatların eklenmesi, tesisat sistemlerine kurşun sızmasını büyük ölçüde azaltabilir. Düşük seviyelerde, fosfatlar kurşun, bakır ve sertlik iyonları (kalsiyum ve/veya magnezyum) ile reaksiyona girerek dağıtım sisteminin iç yüzeylerinde çözünmeyen bir kaplama oluşturur. Bu kaplama oluştuğunda, içme suyunda gözlemlenen kurşun ve bakır seviyeleri hızla düşer. Bu etki, sisteme fosfat meteredilerek devam ettirilebilir.
C. Kireçlenme Önleme ve Giderme
İçme suyu sistemlerinde yüzeylerde kireç oluşumu, çözelti içinde magnezyum veya kalsiyum karbonat veya sülfatların kristalleşmesinden kaynaklanır. Çok düşük seviyelerde polifosfatlar (1-10 ppm), kristal büyümesini engelleyerek bu tür kireçlenmeyi önler. Bu tür kireçlenme önleme, eşik özelliği olarak adlandırılır, çünkü stoikiometrik bir reaksiyon için gerekenden çok daha düşük bir seviyede gerçekleşir.
Polifosfatların kalsiyum ve magnezyum karbonat oluşumunu engellemesi, özellikle karbonat kireçlenmesinin içme suyunda büyük bir sorun olduğu 8-10 pH aralığında etkilidir. Kalsiyum sülfat kireçlenmesi ise genellikle daha düşük pH aralıklarında sorun yaratır. Yüksek pH aralığında kalsiyum karbonat oluşumunu engelleyen aynı kireçlenme önleme mekanizması, düşük pH aralığında kalsiyum sülfat için de benzer düşük (1-10 ppm) fosfat ekleme seviyelerinde etkili olabilir.
Deneyimler, polifosfatların sadece kireçlenme oluşumunu önlemekle kalmayıp, aynı zamanda mevcut karbonat veya sülfat kireçlerini de gidermeye yardımcı olabileceğini göstermektedir. Polifosfat ile uzun süre (birkaç ay) arıtılmış içme suyunu taşıyan borularda, önce kireç tabakasının yavaşça yumuşadığı, ardından parçalanarak temizlendiği gözlemlenmiştir. Yumuşak kireç partikülleri, polifosfat tarafından defloke edilerek taşınır ve boru sisteminin temizlenmesi sağlanır.
D. Korozyon Kontrolü
Su kalitesi, ABD genelinde önemli ölçüde değişiklik göstermektedir. Suyun korozyon yapabilme özelliği, düşük pH (asitlik), yüksek sıcaklık, düşük toplam çözünmüş katı miktarı, yüksek akış hızı ve farklı metallerin ve çözünmüş gazların (oksijen ve karbondioksit gibi) varlığına bağlanabilir. Bu faktörler bir araya geldiğinde, korozyon süreci hızlanır.
Polifosfatlar, tek başına veya ortofosfatlarla birlikte kullanıldığında, demirli ve demirsiz metaller ve alaşımlar üzerinde etkili korozyon kontrol ajanlarıdır. Polifosfatlar, daha düşük sıcaklıklarda ve 7.5 pH’ın altında olan suda korozyon önleyici olarak özellikle etkilidir. Ayrıca, tuzlu suda (2.000 ppm veya daha fazla sodyum klorür, NaCl) %90’a varan korozyon azaltma oranları ile etkili olduğu gösterilmiştir.
E. Klor Stabilizasyonu
Demir gibi ağır metaller, klorun bozunmasını hızlandırabilir. Polifosfatlar, bu ağır metallerle kompleksleşerek onların klor üzerindeki etkisini büyük ölçüde azaltır.
Fosfat Ürünleri
İçme suyu arıtımı için fosfat ürünleri üç ana grupta sınıflandırılabilir: fosforik asit, ortofosfatlar ve yoğun fosfatlar. Fosforik asit, ortofosfatlar ve yoğun fosfatlar, içme suyu arıtma uygulamaları için potansiyel sunan çok çeşitli kimyasal bileşikleri kapsar. Her fosfat ürününün uygulanması, belirli özelliklerine veya arzu edilen arıtma hedefine bağlıdır. Aşağıdaki tabloda, içme suyu arıtımı için fosfatlar ve bunların Ulusal Sanitasyon Vakfı (NSF) tarafından belirlenen maksimum kullanım seviyeleri listelenmiştir.
| Fosfat Ürünü | NSF Maksimum Kullanım Seviyesi (mg/l) |
| Fosforik Asitler | |
| %36 Fosforik Asit | 27.0 mg/l |
| %75 Fosforik Asit | 13.0 mg/l |
| %80 Fosforik Asit | 12.0 mg/l |
| %85 Fosforik Asit | 12.0 mg/l |
| Ortofosfatlar | |
| Monosodyum Fosfat (MSP) | 13.0 mg/l |
| Disodyum Fosfat (DSP) | 15.0 mg/l |
| Trisodyum Fosfat (TSP) | 17.0 mg/l |
| Monopotasiyum Fosfat (MKP) | 14.0 mg/l |
| Dipotasiyum Fosfat (DKP) | 36.0 mg/l |
| Trikalsiyum Fosfat (TCP) | 12.0 mg/l |
| Yoğun Fosfatlar | |
| Sodyum Asit Pirofosfat (SAPP) | 12.0 mg/l |
| Sodyum Trimetafosfat (STMP) | 11.0 mg/l |
| Tetrasodyum Pirofosfat (TSPP) | 14.0 mg/l |
| Sodyum Tripolifosfat (STP) | 13.0 mg/l |
| Tetrapotasiyum Pirofosfat (TKPP) | 17.0 mg/l |
| Tetrapotasiyum Pirofosfat, %60 Çözeltisi | 29.0 mg/l |
| Sodyum Heksametafosfat (SHMP) | 12.0 mg/l |
Kaynakça
- Kentucky Water Watch. 2004. Toplam Demir. Kentucky Su Kalitesi Toplam Demir Bilgisi. kywwp@igc.org
- Pizzaro, F., Olivares, M., Uauy, R., Contreras, P., Rebelo, A., ve Gidi, V. 2001. İçme suyundaki çözünür ve çözünmez bakırla ilişkili gastrointestinal etkiler. Environmental Health Perspectives. 109 (9): 949-952.
- Pizzaro, F., Olivares, M., Uauy, R., Contreras, P., Rebelo, A., ve Gidi, V. 1999. İçme suyundaki dereceli bakır seviyelerinin akut gastrointestinal etkileri. Environmental Health Perspectives. 107 (2): 117-121.
- Seelig, B., Derickson, R., ve Gergsrud, F. 1992. Evsel Su Kaynakları İçin Arıtma Sistemleri: Demir ve Manganez Giderimi. University of Minnesota Extension Service Yayını FO-05940.
- Skipton, S., ve Hay, D. 1998. İçme Suyu: Bakır. Nebraska Kooperatif Uzantı Yayını G98-1360-A.
- Skipton, S., ve Hay, D. 1997. İçme Suyu: Kurşun. Nebraska Kooperatif Uzantı Yayını G97-1333-A.
- State of Kentucky. 2004. Mangan ve Su Kalitesi.
- Varner, D., Skipton, S., Hay, D., ve Jasa, P. 1996. İçme Suyu: Demir ve Manganez. Nebraska Kooperatif Uzantı Yayını G96-1280-A.
- Wisconsin Doğal Kaynaklar Departmanı. 2003. Bakır ve Sağlığınız. Yayın WS-027.
Yorum yap