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Die Reinigung chemischer Substanzen ist ein Prozess von großer Bedeutung für die meisten seiner technologischen Anwendungen sowie für die wissenschaftliche Forschung. Es gibt mehrere Trenn- und Reinigungstechniken, die von der Art der gemischten Substanzen und dem gewünschten Reinheitsgrad abhängen. Im Falle von Wasser sind zwei gängige Reinigungsverfahren Destillation und Entionisierung. Diese beiden Arten der Wasserreinigung führen zu destilliertem Wasser bzw. deionisiertem Wasser.
In den folgenden Abschnitten werden wir die Unterschiede zwischen diesen beiden „Präsentationen“ der am häufigsten vorkommenden Substanz auf dem Planeten Erde behandeln, wie sie gewonnen werden und welche Anwendungen die Verwendung der einen oder anderen erfordern.
Messung der Reinheit von Wasser
Bevor wir die Wasserreinigungsprozesse diskutieren, müssen wir einen wichtigen Punkt im Zusammenhang mit der Messung dieser Reinheit klären. Wasser durchläuft eine als Autoprotolyse bezeichnete Reaktion, bei der ein Wassermolekül einem anderen ein Proton entzieht, wobei ersteres als Base und letzteres als Säure wirkt.
Die fragliche Reaktion ist:
Diese Reaktion ist reversibel und hat eine zugehörige Gleichgewichtskonstante von 10 –14 , was impliziert, dass in Abwesenheit anderer gelöster Chemikalien die gleiche Konzentration von 10 –7 M Hydronium- und Hydroxidionen vorliegt .
Da dies die einzigen Ionen sind, die in reinem Wasser vorhanden sind, und da ihre Konzentration so gering ist, ist reines Wasser ein elektrischer Isolator und hat einen sehr hohen elektrischen Widerstand. Das Vorhandensein von Verunreinigungen, die dissoziieren oder das vorherige Gleichgewicht beeinflussen können (wie z. B. das Vorhandensein einer Säure oder einer Base), führt zwangsläufig zu einer Erhöhung der Ionenkonzentration in der Lösung, was die Leitfähigkeit des Wassers erhöht und erhöhen daher die Ionenkonzentration in der Lösung, wodurch ihr spezifischer Widerstand abnimmt.
Folglich können wir den spezifischen Widerstand von Wasser (oder seine Leitfähigkeit, obwohl der spezifische Widerstand bequemer ist) als direktes Maß für seine Reinheit verwenden. Abhängig von der verwendeten Reinigungsmethode liegt der spezifische Widerstand von Wasser fast immer in der Größenordnung von Einheiten oder mehreren zehn MΩ.cm.
Was ist destilliertes Wasser?
Destilliertes Wasser ist Wasser, das durch den Destillationsprozess gereinigt wurde . Dies ist Wasser mit einem guten Reinheitsgrad, frei von den meisten Viren und Bakterien sowie den meisten ionischen gelösten Stoffen wie Salzen und anderen Mineralien, die aus verschiedenen Gründen in Leitungswasser gelöst werden können.
Wie funktioniert Destillation?
Die Destillation ist eines der gängigsten Verfahren zur Reinigung flüssiger Stoffe. Es besteht aus der physikalischen Trennung von zwei oder mehr Stoffen basierend auf der Differenz zwischen ihrem Dampfdruck und ihrem Siedepunkt.
Dieser Prozess besteht darin, eine Flüssigkeit (in unserem Fall unreines Wasser) in einem geschlossenen Behälter bis zum Siedepunkt zu erhitzen. Dann wird der Dampf durch ein Kanal- oder Rohrsystem zu einem System geleitet, das ihn kühlt, um ihn wieder zu kondensieren (dem Kondensator), wonach das neu kondensierte flüssige Wasser in einem anderen separaten Behälter von der unreinen Wasserprobe gespeichert wird.
Die Destillation ist ein energieeffizienter Reinigungsprozess. Es braucht viel Energie, um große Mengen Wasser zu verdampfen, und obwohl ein Teil dieser Energie während der Kondensation zurückgewonnen werden kann, geht viel verloren.
Wie rein ist destilliertes Wasser?
Obwohl die Destillation ein sehr effektives Verfahren zum Entfernen der meisten Verunreinigungen ist, insbesondere nichtflüchtiger wie Salze und vieler molekularer gelöster Stoffe, ist sie zum Entfernen flüchtiger Substanzen wie Alkohole und anderer organischer Verbindungen wie Trihalomethane (Chloroform, Iodoform und andere) unzureichend ). Diese flüchtigen Substanzen verdampfen und kondensieren zusammen mit dem Wasser und bleiben nach der Destillation darin bestehen.
Darüber hinaus kann destilliertes Wasser noch gewisse Mengen an anderen Ionen als Hydronium- und Hydroxidionen enthalten. Die Hauptquelle für Ionen in destilliertem Wasser ist die aus der Atmosphäre stammende Kohlendioxidlösung (CO 2 ), die mit dem Wasser zu Kohlensäure reagiert, die wiederum gemäß der folgenden Gleichung dissoziiert:
Jede der Atmosphäre ausgesetzte Wasserprobe erreicht schließlich ein Gleichgewicht mit CO 2 und enthält etwa 10 –6 molare Konzentrationen an Bicarbonat- und Hydroniumionen sowie weniger Hydroxidionen als reines Wasser.
Andererseits kann der Kontakt mit Dampf und heißem flüssigem Wasser die Freisetzung kleiner Mengen von Verunreinigungen aus den Behältern, in denen das destillierte Wasser gelagert wird, und aus den Rohrleitungen, durch die es transportiert wird, fördern. Folglich können noch verschiedene Ionen und andere Chemikalien als Verunreinigungen im destillierten Wasser vorhanden sein.
Folglich hat destilliertes Wasser im Allgemeinen einen spezifischen Widerstand von etwa 1 MΩ.cm. Dies bedeutet, dass es eine etwa 10-mal höhere Ionenkonzentration aufweist als vollständig reines Wasser. Während dies für die meisten Anwendungen vernachlässigbar ist, gibt es einige, die nicht einmal diese Verunreinigungen tolerieren können.
Was ist deionisiertes Wasser?
Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei entionisiertem Wasser um Wasser, das durch einen Entionisierungsprozess gereinigt wurde, der nichts anderes als die selektive Entfernung von Kationen und Anionen ist, die nicht in reinem Wasser vorhanden sind . Es gibt unterschiedliche Deionisierungsgrade, die durch verschiedene Methoden erreicht werden können und die es ermöglichen, reines Wasser oder ultrareines Wasser zu erhalten, die sich je nach dem verwendeten Reinigungsverfahren und dem spezifischen Widerstand des Endprodukts voneinander unterscheiden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Entionisierung von Wasser ein Prozess ist, der zur weiteren Reinigung von destilliertem Wasser durchgeführt wird. Das bedeutet, dass deionisiertes Wasser per Definition immer reiner ist als destilliertes Wasser.
Wie funktioniert die Deionisierung?
Es gibt zwei Hauptmethoden zum Entfernen von Ionen aus einer wässrigen Lösung: die Verwendung von Ionenaustauschersäulen und Umkehrosmose. Jede dieser Techniken hat ihre Vor- und Nachteile sowie Varianten, mit denen unterschiedliche Reinheitsgrade erreicht werden können.
Ionenaustauschsysteme
Eine der wichtigsten Möglichkeiten, Wasser zu deionisieren, besteht darin, es durch zwei Ionenaustauschersäulen zu leiten: eine Kationenaustauschersäule, gefolgt von einer weiteren Anionenaustauschersäule. Eine Ionenaustauschersäule besteht aus einem mit Harz gefüllten Zylinder, durch den destilliertes Wasser strömt.
Es gibt zwei Hauptklassen von Ionenaustauscherharzen: solche, die Kationen austauschen (Kationenaustauscherharze) und solche, die Anionen austauschen (Anionenaustauscherharze).
Kationenaustauscherharze bestehen aus unlöslichen Feststoffen, an deren Oberfläche säurefunktionelle Gruppen gebunden sind. Wenn sie mit Wasser in Kontakt kommen, setzen sie positive Protonen frei (Bildung von Hydroniumionen), wodurch sie negativ geladen werden. Diese negative Ladung zieht dann alle anderen positiven Ionen an, die im Wasser auf der Oberfläche des Harzes vorhanden sind, und fängt sie ein.
Der Nettoeffekt besteht darin, dass das Harz alle Kationen, die als Verunreinigungen gelöst sind, aus dem Wasser entfernt und sie gegen Hydroniumionen austauscht, die Bestandteil des reinen Wassers sind.
Nachdem alle Kationen entfernt sind, wird die resultierende Lösung (die zu diesem Zeitpunkt aus einer Lösung besteht, die ein Gemisch dissoziierter Säuren enthält) durch eine zweite Ionenaustauschersäule geleitet, in diesem Fall eine, die ein Anionenaustauscherharz enthält . Dieses Harz hat basische Gruppen auf seiner Oberfläche, die Hydroxidionen freisetzen und alle kontaminierenden Anionen auf der Oberfläche einfangen.
Nach Verlassen der zweiten Ionenaustauschersäule sind alle Kationen und Anionen, die zuvor im Wasser vorhanden waren, durch Hydronium- und Hydroxidionen ersetzt, die Bestandteil des reinen Wassers sind.
Auf diese Weise erhält man Reinstwasser mit einem spezifischen Widerstand von 18 MΩ.cm, der höchsten erreichbaren Reinheit.
Umkehrosmoseanlagen
Umkehrosmose besteht darin, Wasser aus einer an gelösten Stoffen konzentrierten Lösung durch eine halbdurchlässige Membran in eine Kammer zu drücken, die reines Wasser enthält. Unter normalen Bedingungen würde der Osmoseprozess in die entgegengesetzte Richtung gehen, da Wasser immer versucht, seinem eigenen Konzentrationsgradienten zu folgen, der von reinem Wasser (wo es die maximal mögliche Konzentration hat) zu der an gelösten Stoffen konzentrierten Lösung geht, wo es tatsächlich Wasser ist mehr verdünnt.
Die Anwendung eines Drucks, der größer als der osmotische Druck einer Lösung ist, kann jedoch die Richtung des Nettoflusses von Wassermolekülen durch die semipermeable Membran verlangsamen und schließlich umkehren. Auf diesem Phänomen basiert die Deionisierung durch Umkehrosmose.
Umkehrosmose ist ein energieeffizienteres Verfahren als Destillation; es bietet auch den Vorteil, dass keine komplizierten und umweltbelastenden Prozesse für die Synthese und Rückgewinnung von Ionenaustauscherharzen erforderlich sind. Sie hat jedoch den Nachteil, dass semipermeable Membranen sehr empfindlich sind und sehr teuer sein können. Außerdem erfordern sie die Verwendung von Drücken, die sehr hoch sein können, und Geräte und Einrichtungen, die nicht sehr zugänglich sind.
Andererseits ermöglichen diese Membranen die Filterung des Wassers auf molekularer Ebene, wodurch der Durchgang aller Ionen, aber auch aller großen molekularen gelösten Stoffe und natürlich aller Viren und Bakterien vermieden wird, solange die Membran ihre physikalische Beschaffenheit beibehält Integrität während Ihres Betriebs.
Wie bei entionisiertem Wasser durch Ionenaustauschersäulen ermöglicht die Umkehrosmose die Gewinnung von Reinstwasser mit 18 MΩ.cm, insbesondere wenn der Filtervorgang zwei- oder mehrmals durchgeführt wird.
Wann wird destilliertes Wasser verwendet und wann entionisiertes?
Wie man sieht, unterscheiden sich destilliertes Wasser und deionisiertes Wasser hinsichtlich des Herstellungsverfahrens, hinsichtlich seiner endgültigen Reinheit und hinsichtlich der Arten von Verunreinigungen, die nach der Reinigung noch vorhanden sein können.
Destilliertes Wasser kann bei der Zubereitung einiger Produkte für den menschlichen Verzehr, wie z. B. verschiedener Arten von Getränken, verwendet werden. Es wird auch als Lösungsmittel in der chemischen Industrie verwendet, wenn chemische Reaktionen nicht empfindlich auf das Vorhandensein von Ionen in Lösung reagieren.
Es gibt jedoch Anwendungen, die nicht einmal die geringste Anwesenheit von Ionen im Wasser zulassen. Beispielsweise muss während der Herstellung von Halbleitern das Vorhandensein bestimmter Metallkationen sehr streng kontrolliert werden, da diese die Leistungsfähigkeit des Endprodukts stark beeinflussen.
In der pharmazeutischen Industrie wird Reinstwasser auch als Lösungsmittel verwendet, um eine Kontamination von Arzneimitteln mit Ionen oder anderen Substanzen zu vermeiden, die die Wirksamkeit von Arzneimitteln beeinträchtigen können.
Eine weitere sehr häufige Anwendung von deionisiertem Wasser ist die Herstellung von Batterien, wie beispielsweise Blei-Säure-Batterien, die in den meisten Autos mit Verbrennungsmotor verwendet werden. Dies liegt daran, dass die meisten Ionen, die in destilliertem Wasser oder anderen weniger reinen Wasserformen vorhanden sein können, mit der Schwefelsäure im Elektrolyten reagieren, unlösliche Salze bilden und so zur irreversiblen Sulfatierung von Batterien beitragen.
Schließlich erfordern alle Analysetechniken, die zur Untersuchung der Zusammensetzung von Wasser oder unterschiedlichen Lösungen verwendet werden, die Verwendung von deionisiertem Wasser, um eine Kontamination der Proben mit denselben Ionen zu vermeiden, die später analysiert werden.
Verweise
- Lenntech BV (nd-a). Deionisiertes/demineralisiertes Wasser . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/proceso/desmineralizada/agua-desionizada-desmineralizada.htm
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