Tabla de Contenidos
Oprensning af kemiske stoffer er en proces af stor betydning for de fleste af dens teknologiske anvendelser såvel som for videnskabelig forskning. Der er flere adskillelses- og oprensningsteknikker, der afhænger af typen af blandede stoffer og den renhedsgrad, der ønskes opnået. I tilfælde af vand er to almindelige rensningsmetoder destillation og deionisering. Disse to måder at rense vand på giver anledning til henholdsvis destilleret vand og deioniseret vand.
I de følgende afsnit vil vi dække forskellene mellem disse to “præsentationer” af det mest udbredte stof på planeten Jorden, hvordan de opnås, og hvilke applikationer der kræver brug af det ene eller det andet.
Måling af renheden af vand
Før vi diskuterer vandrensningsprocesserne, skal vi afklare et vigtigt punkt relateret til måling af nævnte renhed. Vand gennemgår en reaktion kaldet autoprotolyse, hvor et vandmolekyle fjerner en proton fra et andet, hvor førstnævnte fungerer som en base og sidstnævnte fungerer som en syre.
Den pågældende reaktion er:
Denne reaktion er reversibel og har en tilhørende ligevægtskonstant på 10 -14 , hvilket indebærer, at der i fravær af andre opløste kemikalier vil være den samme koncentration af 10 -7 M hydronium- og hydroxidioner.
Da disse er de eneste ioner til stede i rent vand, og da deres koncentration er så lav, er rent vand en elektrisk isolator og har en meget høj elektrisk resistivitet. Tilstedeværelsen af enhver urenhed, der kan dissociere eller påvirke den tidligere ligevægt (såsom tilstedeværelsen af en syre eller en base, for eksempel) vil uundgåeligt forårsage en stigning i koncentrationen af ioner i opløsning, hvilket vil øge ledningsevnen af vandet og Øg derfor koncentrationen af ioner i opløsningen.Derfor vil dens resistivitet falde.
Derfor kan vi bruge vands resistivitet (eller dets ledningsevne, selvom resistivitet er mere bekvemt) som et direkte mål for dets renhed. Afhængigt af den anvendte rensningsmetode er vandets resistivitet næsten altid i størrelsesordenen enheder eller tiere af MΩ.cm.
Hvad er destilleret vand?
Destilleret vand er vand, der er blevet renset gennem destillationsprocessen . Dette er vand, der har en god renhedsgrad, fri for de fleste vira og bakterier, samt de fleste ioniske opløste stoffer såsom salte og andre mineraler, der af forskellige årsager kan opløses i postevand.
Hvordan fungerer destillation?
Destillation er en af de mest almindelige procedurer til rensning af flydende stoffer. Det består af den fysiske adskillelse af to eller flere stoffer baseret på forskellen mellem deres damptryk og kogepunkter.
Denne proces består i at opvarme en væske (i vores tilfælde urent vand) til dets kogepunkt i en lukket beholder. Derefter ledes dampen gennem et system af kanaler eller rør til et system, der køler den for at kondensere den igen (kondensatoren), hvorefter det nykondenserede flydende vand opbevares i en anden separat beholder fra den urene vandprøve.
Destillation er en energieffektiv rensningsproces. Det kræver meget energi at fordampe store mængder vand, og selvom noget af denne energi kan genvindes under kondensering, går der meget tabt.
Hvor rent er destilleret vand?
Selvom destillation er en meget effektiv proces til at fjerne de fleste urenheder, især ikke-flygtige, såsom salte og mange molekylære opløste stoffer, er den utilstrækkelig til at fjerne flygtige stoffer, såsom alkoholer og andre organiske forbindelser, såsom trihalomethaner (chloroform, iodoform og de andre). ). Disse flygtige stoffer fordamper og kondenserer sammen med vandet og forbliver i det efter destillation.
Ud over dette kan destilleret vand stadig indeholde visse mængder andre ioner end hydronium- og hydroxidioner. Hovedkilden til ioner i destilleret vand kommer fra kuldioxid (CO 2 ) opløsningen, der kommer fra atmosfæren, som reagerer med vandet og bliver til kulsyre, som igen dissocierer ifølge følgende ligning:
Enhver prøve af vand, der udsættes for atmosfæren, vil i sidste ende nå ligevægt med CO 2 og indeholde omkring 10 -6 molære koncentrationer af bicarbonat- og hydroniumioner, samt færre hydroxidioner end rent vand.
På den anden side kan kontakt med damp og varmt flydende vand fremme frigivelsen af små mængder forurenende stoffer fra beholderne, hvori det destillerede vand opbevares, og fra rørledningerne, hvorigennem det transporteres. Som følge heraf kan der stadig være forskellige ioner og andre kemikalier til stede i det destillerede vand som urenheder.
Følgelig har destilleret vand generelt en resistivitet på ca. 1 MΩ.cm. Dette indebærer, at det har en koncentration af ioner, der er omkring 10 gange større end koncentrationen af helt rent vand. Selvom dette er ubetydeligt for de fleste applikationer, er der nogle, der ikke kan tolerere selv disse niveauer af urenheder.
Hvad er deioniseret vand?
Som navnet antyder, er deioniseret vand vand, der er blevet renset ved en eller anden deioniseringsproces, hvilket ikke er andet end selektiv fjernelse af andre kationer og anioner end dem, der findes i rent vand . Der er forskellige grader af deionisering, der kan opnås ved forskellige metoder, og som gør det muligt at opnå rent vand eller ultrarent vand, der adskiller den ene fra den anden baseret på den anvendte rensningsprocedure og slutproduktets resistivitet.
Det skal bemærkes, at deionisering af vand er en proces, der udføres for yderligere at rense destilleret vand. Det betyder, at deioniseret vand per definition altid er renere end destilleret vand.
Hvordan virker deionisering?
Der er to hovedmetoder til at fjerne ioner fra en vandig opløsning: brugen af ionbytterkolonner og omvendt osmose. Hver af disse teknikker har sine fordele og ulemper, samt varianter, der gør det muligt at opnå forskellige grader af renhed.
Ionbyttersystemer
En af de vigtigste måder at deionisere vand på er ved at føre det gennem to ionbytterkolonner: en kationbyttersøjle efterfulgt af en anden anionbyttersøjle. En ionbytterkolonne består af en cylinder fyldt med en harpiks, hvorigennem destilleret vand bringes til at strømme.
Der er to hovedklasser af ionbytterharpikser: dem, der udveksler kationer (kationbytterharpikser) og dem, der udveksler anioner (anionbytterharpikser).
Kationbytterharpikser består af uopløselige faste stoffer, der indeholder sure funktionelle grupper knyttet til deres overflade. Når de kommer i kontakt med vand, frigiver de positive protoner mod det (danner hydroniumioner), hvilket efterlader dem negativt ladede. Denne negative ladning tiltrækker og fanger derefter alle andre positive ioner, der er til stede i vandet på overfladen af harpiksen.
Nettoeffekten er, at harpiksen fjerner alle kationer, der er opløst som forurenende stoffer, fra vandet og ombytter dem til hydroniumioner, som er en del af det rene vand.
Efter at alle kationer er fjernet, ledes den resulterende opløsning (som på dette tidspunkt består af en opløsning indeholdende en blanding af dissocierede syrer) gennem en anden ionbytterkolonne, i dette tilfælde en indeholdende en anionbytterharpiks . Denne harpiks har basisgrupper på overfladen, der frigiver hydroxidioner og fanger alle forurenende anioner på overfladen.
Efter at have forladt den anden ionbytterkolonne er alle de kationer og anioner, der tidligere var til stede i vandet, blevet erstattet af hydronium- og hydroxidioner, der er en del af det rene vand.
På denne måde opnås ultrarent vand med en resistivitet på 18 MΩ.cm, den højeste renhed, der kan opnås.
omvendt osmose systemer
Omvendt osmose består i at tvinge vand gennem en semipermeabel membran fra en opløsning koncentreret i opløste stoffer ind i et rum, der indeholder rent vand. Under normale forhold ville osmoseprocessen gå i den modsatte retning, da vand altid søger at følge sin egen koncentrationsgradient, som går fra rent vand (hvor det har den maksimalt mulige koncentration) til opløsningen koncentreret i opløste stoffer, hvor vand det faktisk er. mere fortyndet.
Påføringen af et tryk, der er større end det osmotiske tryk af en opløsning, kan imidlertid bremse og i sidste ende vende retningen af nettostrømmen af vandmolekyler hen over den semipermeable membran. Det er dette fænomen, omvendt osmose-deionisering er baseret på.
Omvendt osmose er en mere energieffektiv proces end destillation; det giver også fordelen ved ikke at kræve komplicerede og forurenende processer til syntese og genvinding af ionbytterharpikser. Det har dog den ulempe, at semipermeable membraner er meget sarte og kan være meget dyre. Derudover kræver de brug af tryk, der kan være meget høje, og udstyr og faciliteter, der ikke er særlig tilgængelige.
På den anden side tillader disse membraner, at vandet filtreres på et molekylært niveau, og undgår passage af alle ioner, men også af enhver stor molekylær opløst stof og naturligvis af alle vira og bakterier, så længe membranen bevarer sin fysiske integritet under din operation.
Ligesom deioniseret vand gennem ionbytterkolonner tillader omvendt osmose at opnå ultrarent vand på 18 MΩ.cm, især hvis filtreringsprocessen udføres to eller flere gange.
Hvornår bruges destilleret vand, og hvornår deioniseres?
Som det kan ses, adskiller destilleret vand og deioniseret vand sig med hensyn til processen for at opnå det, med hensyn til dets endelige renhed og med hensyn til de typer urenheder, der stadig kan være til stede efter rensning.
Destilleret vand kan bruges til fremstilling af nogle produkter til konsum, såsom forskellige typer drikke. Det bruges også som opløsningsmiddel i den kemiske industri, i de tilfælde, hvor kemiske reaktioner ikke er følsomme over for tilstedeværelsen af ioner i opløsning.
Der er dog applikationer, der ikke tillader selv den mindste tilstedeværelse af ioner i vandet. For eksempel skal der under fremstillingen af halvledere opretholdes en meget streng kontrol over tilstedeværelsen af visse metalkationer, da disse i høj grad påvirker slutproduktets ydeevne.
I den farmaceutiske industri bruges ultrarent vand også som opløsningsmiddel for at undgå forurening af lægemidler med ioner eller andre stoffer, der kan påvirke lægemidlers effektivitet.
En anden meget almindelig anvendelse af deioniseret vand er i fremstillingen af batterier, såsom bly-syre-batterier, der bruges i de fleste forbrændingsbiler. Dette skyldes, at de fleste af de ioner, der kan være til stede i destilleret vand eller enhver anden mindre ren form for vand, reagerer med svovlsyren i elektrolytten og danner uopløselige salte og dermed bidrager til den irreversible sulfatering af batterier.
Endelig kræver alle de analytiske teknikker, der bruges til at studere sammensætningen af vand eller af forskellige opløsninger, brug af deioniseret vand for at undgå at forurene prøverne med de samme ioner, som senere vil blive analyseret.
Referencer
- Lenntech BV (nd-a). Deioniseret/demineraliseret vand . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/proceso/desmineralizada/agua-desionizada-desmineralizada.htm
- Lenntech BV (nd-b). vands ledningsevne . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm
- Wasserlab. (n.d.). Generelt om renset vand . Wasserlab.Com. https://www.wasserlab.com/gestor/recursos/uploads/02.3%20Generalidades%20sobre%20al%20Agua%20purificada.pdf
- Valdivia M., RY, Pedro V., S., Laurel G., M. (2010). VAND TIL BRUG I LABORATORIER . INIMET Scientific Technical Bulletin, (1). 3-10. Hentet fra https://www.redalyc.org/pdf/2230/223017807002.pdf
