Tabla de Contenidos
Ο καθαρισμός των χημικών ουσιών είναι μια διαδικασία μεγάλης σημασίας για τις περισσότερες τεχνολογικές εφαρμογές του, καθώς και για την επιστημονική έρευνα. Υπάρχουν πολλαπλές τεχνικές διαχωρισμού και καθαρισμού που εξαρτώνται από τον τύπο των μικτών ουσιών και τον βαθμό καθαρότητας που επιθυμείται να ληφθεί. Στην περίπτωση του νερού, δύο συνήθεις μέθοδοι καθαρισμού είναι η απόσταξη και ο απιονισμός. Αυτοί οι δύο τρόποι καθαρισμού του νερού δημιουργούν απεσταγμένο νερό και απιονισμένο νερό, αντίστοιχα.
Στις επόμενες ενότητες θα καλύψουμε τις διαφορές μεταξύ αυτών των δύο «παρουσιάσεων» της πιο άφθονης ουσίας στον πλανήτη Γη, πώς λαμβάνονται και ποιες εφαρμογές απαιτούν τη χρήση του ενός ή του άλλου.
Μέτρηση της καθαρότητας του νερού
Πριν συζητήσουμε τις διαδικασίες καθαρισμού του νερού πρέπει να διευκρινίσουμε ένα σημαντικό σημείο που σχετίζεται με τη μέτρηση της εν λόγω καθαρότητας. Το νερό υφίσταται μια αντίδραση που ονομάζεται αυτοπρωτόλυση, κατά την οποία ένα μόριο νερού αφαιρεί ένα πρωτόνιο από ένα άλλο, το πρώτο ενεργεί ως βάση και το δεύτερο ως οξύ.
Η επίμαχη αντίδραση είναι:
Αυτή η αντίδραση είναι αναστρέψιμη και έχει μια συσχετισμένη σταθερά ισορροπίας 10 -14 , που σημαίνει ότι, απουσία άλλων διαλυμένων χημικών ουσιών, θα υπάρχει η ίδια συγκέντρωση 10 -7 Μ ιόντων υδρονίου και υδροξειδίου.
Δεδομένου ότι αυτά είναι τα μόνα ιόντα που υπάρχουν στο καθαρό νερό και δεδομένου ότι η συγκέντρωσή τους είναι τόσο χαμηλή, το καθαρό νερό είναι ένας ηλεκτρικός μονωτήρας και έχει πολύ υψηλή ηλεκτρική ειδική αντίσταση. Η παρουσία οποιασδήποτε ακαθαρσίας που μπορεί να διασπάσει ή να επηρεάσει την προηγούμενη ισορροπία (όπως η παρουσία ενός οξέος ή μιας βάσης, για παράδειγμα) θα προκαλέσει αναπόφευκτα αύξηση της συγκέντρωσης των ιόντων στο διάλυμα, η οποία θα αυξήσει την αγωγιμότητα του νερού και , επομένως, αυξήστε τη συγκέντρωση των ιόντων στο διάλυμα, επομένως, η ειδική αντίστασή του θα μειωθεί.
Κατά συνέπεια, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την ειδική αντίσταση του νερού (ή την αγωγιμότητά του, αν και η ειδική αντίσταση είναι πιο βολική) ως άμεσο μέτρο της καθαρότητάς του. Ανάλογα με τη μέθοδο καθαρισμού που χρησιμοποιείται, η ειδική αντίσταση του νερού είναι σχεδόν πάντα της τάξης των μονάδων ή δεκάδων MΩ.cm.
Τι είναι το απεσταγμένο νερό;
Το απεσταγμένο νερό είναι το νερό που έχει καθαριστεί μέσω της διαδικασίας απόσταξης . Αυτό είναι νερό που έχει καλό βαθμό καθαρότητας, απαλλαγμένο από τους περισσότερους ιούς και βακτήρια, καθώς και τις περισσότερες ιοντικές διαλυμένες ουσίες όπως άλατα και άλλα μέταλλα που μπορεί να διαλυθούν για διαφορετικούς λόγους στο νερό της βρύσης.
Πώς λειτουργεί η απόσταξη;
Η απόσταξη είναι μια από τις πιο κοινές διαδικασίες για τον καθαρισμό υγρών ουσιών. Συνίσταται στον φυσικό διαχωρισμό δύο ή περισσότερων ουσιών με βάση τη διαφορά μεταξύ της πίεσης ατμών και των σημείων βρασμού τους.
Αυτή η διαδικασία συνίσταται στη θέρμανση ενός υγρού (στην περίπτωσή μας, ακάθαρτου νερού) μέχρι το σημείο βρασμού του σε ένα κλειστό δοχείο. Στη συνέχεια, ο ατμός οδηγείται μέσω ενός συστήματος αγωγών ή σωλήνων σε ένα σύστημα που τον ψύχει για να τον συμπυκνώσει ξανά (ο συμπυκνωτής), μετά από τον οποίο το πρόσφατα συμπυκνωμένο υγρό νερό αποθηκεύεται σε άλλο ξεχωριστό δοχείο από το δείγμα ακάθαρτου νερού.
Η απόσταξη είναι μια ενεργειακά αποδοτική διαδικασία καθαρισμού. Χρειάζεται πολλή ενέργεια για την εξάτμιση μεγάλων ποσοτήτων νερού και παρόλο που μέρος αυτής της ενέργειας μπορεί να ανακτηθεί κατά τη συμπύκνωση, πολλά χάνονται.
Πόσο καθαρό είναι το απεσταγμένο νερό;
Αν και η απόσταξη είναι μια πολύ αποτελεσματική διαδικασία για την απομάκρυνση των περισσότερων ακαθαρσιών, ιδιαίτερα των μη πτητικών, όπως τα άλατα και πολλές μοριακές διαλυμένες ουσίες, είναι ανεπαρκής για την απομάκρυνση πτητικών ουσιών όπως οι αλκοόλες και άλλες οργανικές ενώσεις όπως τα τριαλομεθάνια (χλωροφόρμιο, ιωδοφόρμιο και άλλες ). Αυτές οι πτητικές ουσίες εξατμίζονται και συμπυκνώνονται μαζί με το νερό, παραμένοντας σε αυτό μετά την απόσταξη.
Επιπλέον, το απεσταγμένο νερό μπορεί ακόμα να περιέχει ορισμένες ποσότητες ιόντων εκτός από ιόντα υδρονίου και υδροξειδίου. Η κύρια πηγή ιόντων στο απεσταγμένο νερό προέρχεται από το διάλυμα διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) που προέρχεται από την ατμόσφαιρα, το οποίο αντιδρά με το νερό να γίνεται ανθρακικό οξύ, το οποίο με τη σειρά του διασπάται σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση:
Οποιοδήποτε δείγμα νερού που εκτίθεται στην ατμόσφαιρα θα φτάσει τελικά σε ισορροπία με το CO 2 και θα περιέχει περίπου 10-6 μοριακές συγκεντρώσεις διττανθρακικών και ιόντων υδρονίου, καθώς και λιγότερα ιόντα υδροξειδίου από το καθαρό νερό.
Από την άλλη πλευρά, η επαφή με ατμό και ζεστό υγρό νερό μπορεί να προάγει την απελευθέρωση μικρών ποσοτήτων ρύπων από τα δοχεία στα οποία αποθηκεύεται το απεσταγμένο νερό και από τους αγωγούς μέσω των οποίων μεταφέρεται. Κατά συνέπεια, μπορεί να υπάρχουν διάφορα ιόντα και άλλες χημικές ουσίες που εξακολουθούν να υπάρχουν στο απεσταγμένο νερό ως ακαθαρσίες.
Κατά συνέπεια, το απεσταγμένο νερό έχει γενικά ειδική αντίσταση περίπου 1 MΩ.cm. Αυτό σημαίνει ότι έχει συγκέντρωση ιόντων περίπου 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή του εντελώς καθαρού νερού. Αν και αυτό είναι αμελητέο για τις περισσότερες εφαρμογές, υπάρχουν μερικές που δεν μπορούν να ανεχθούν ακόμη και αυτά τα επίπεδα ακαθαρσιών.
Τι είναι το απιονισμένο νερό;
Όπως υποδηλώνει το όνομά του, το απιονισμένο νερό είναι νερό που έχει καθαριστεί με κάποια διαδικασία απιονισμού, που δεν είναι τίποτα άλλο από την επιλεκτική απομάκρυνση κατιόντων και ανιόντων εκτός από αυτά που υπάρχουν στο καθαρό νερό . Υπάρχουν διάφοροι βαθμοί απιονισμού που μπορούν να επιτευχθούν με διάφορες μεθόδους και που επιτρέπουν τη λήψη καθαρού νερού ή υπερκαθαρού νερού, διακρίνοντας το ένα από το άλλο με βάση τη διαδικασία καθαρισμού που χρησιμοποιείται και την ειδική ειδική αντίσταση του τελικού προϊόντος.
Πρέπει να σημειωθεί ότι ο απιονισμός του νερού είναι μια διαδικασία που πραγματοποιείται για τον περαιτέρω καθαρισμό του απεσταγμένου νερού. Αυτό σημαίνει ότι, εξ ορισμού, το απιονισμένο νερό είναι πάντα πιο καθαρό από το απεσταγμένο νερό.
Πώς λειτουργεί ο απιονισμός;
Υπάρχουν δύο κύριες μέθοδοι αφαίρεσης ιόντων από ένα υδατικό διάλυμα: η χρήση στηλών ανταλλαγής ιόντων και η αντίστροφη όσμωση. Κάθε μία από αυτές τις τεχνικές έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της, καθώς και παραλλαγές που επιτρέπουν την επίτευξη διαφορετικών βαθμών καθαρότητας.
Συστήματα ανταλλαγής ιόντων
Ένας από τους κύριους τρόπους απιονισμού του νερού είναι περνώντας το μέσα από δύο ιοντοανταλλακτικές στήλες: μια ανταλλαγή κατιόντων ακολουθούμενη από μια άλλη ανταλλαγή ανιόντων. Μια στήλη ανταλλαγής ιόντων αποτελείται από έναν κύλινδρο γεμάτο με ρητίνη μέσω του οποίου ρέει απεσταγμένο νερό.
Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες ρητινών ανταλλαγής ιόντων: αυτές που ανταλλάσσουν κατιόντα (ρητίνες ανταλλαγής κατιόντων) και αυτές που ανταλλάσσουν ανιόντα (ρητίνες ανταλλαγής ανιόντων).
Οι ρητίνες ανταλλαγής κατιόντων αποτελούνται από αδιάλυτες στερεές ουσίες που περιέχουν όξινες λειτουργικές ομάδες προσαρτημένες στην επιφάνειά τους. Όταν έρχονται σε επαφή με το νερό, απελευθερώνουν θετικά πρωτόνια προς το μέρος του (σχηματίζοντας ιόντα υδρονίου), αφήνοντάς τα αρνητικά φορτισμένα. Αυτό το αρνητικό φορτίο στη συνέχεια προσελκύει και συλλαμβάνει οποιαδήποτε άλλα θετικά ιόντα που υπάρχουν στο νερό στην επιφάνεια της ρητίνης.
Το καθαρό αποτέλεσμα είναι ότι η ρητίνη αφαιρεί από το νερό όλα τα κατιόντα που διαλύονται ως μολυντές και τα ανταλλάσσει με ιόντα υδρονίου, τα οποία αποτελούν μέρος του καθαρού νερού.
Αφού απομακρυνθούν όλα τα κατιόντα, το προκύπτον διάλυμα (το οποίο σε αυτό το σημείο αποτελείται από ένα διάλυμα που περιέχει ένα μείγμα διασπασμένων οξέων) διέρχεται μέσω μιας δεύτερης στήλης ανταλλαγής ιόντων, στην περίπτωση αυτή που περιέχει μια ρητίνη ανταλλαγής ανιόντων . Αυτή η ρητίνη έχει βασικές ομάδες στην επιφάνειά της που απελευθερώνουν ιόντα υδροξειδίου και δεσμεύουν όλα τα μολυσματικά ανιόντα στην επιφάνεια.
Μετά την έξοδο από τη δεύτερη στήλη ανταλλαγής ιόντων, όλα τα κατιόντα και τα ανιόντα που υπήρχαν προηγουμένως στο νερό έχουν αντικατασταθεί από ιόντα υδρονίου και υδροξειδίου που αποτελούν μέρος του καθαρού νερού.
Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνεται εξαιρετικά καθαρό νερό με ειδική αντίσταση 18 MΩ.cm, την υψηλότερη καθαρότητα που μπορεί να επιτευχθεί.
συστήματα αντίστροφης όσμωσης
Η αντίστροφη όσμωση συνίσταται στην ώθηση του νερού μέσω μιας ημιπερατής μεμβράνης από ένα διάλυμα συγκεντρωμένο σε διαλυμένες ουσίες σε ένα διαμέρισμα που περιέχει καθαρό νερό. Υπό κανονικές συνθήκες, η διαδικασία όσμωσης θα πήγαινε προς την αντίθετη κατεύθυνση, καθώς το νερό επιδιώκει πάντα να ακολουθεί τη δική του βαθμίδα συγκέντρωσης, η οποία πηγαίνει από το καθαρό νερό (όπου έχει τη μέγιστη δυνατή συγκέντρωση) στο διάλυμα που συγκεντρώνεται σε διαλυμένες ουσίες όπου είναι στην πραγματικότητα νερό. πιο αραιωμένο.
Ωστόσο, η εφαρμογή πίεσης μεγαλύτερης από την οσμωτική πίεση ενός διαλύματος μπορεί να επιβραδύνει και τελικά να αντιστρέψει την κατεύθυνση της καθαρής ροής των μορίων του νερού κατά μήκος της ημιπερατής μεμβράνης. Σε αυτό το φαινόμενο βασίζεται ο απιονισμός αντίστροφης όσμωσης.
Η αντίστροφη όσμωση είναι μια ενεργειακά αποδοτικότερη διαδικασία από την απόσταξη. προσφέρει επίσης το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτούνται περίπλοκες και ρυπογόνες διαδικασίες για τη σύνθεση και την ανάκτηση ρητινών ανταλλαγής ιόντων. Ωστόσο, έχει το μειονέκτημα ότι οι ημιπερατές μεμβράνες είναι πολύ ευαίσθητες και μπορεί να είναι πολύ ακριβές. Επιπλέον, απαιτούν τη χρήση πιέσεων που μπορεί να είναι πολύ υψηλές και εξοπλισμό και εγκαταστάσεις που δεν είναι πολύ προσβάσιμες.
Από την άλλη, αυτές οι μεμβράνες επιτρέπουν το φιλτράρισμα του νερού σε μοριακό επίπεδο, αποφεύγοντας τη διέλευση όλων των ιόντων, αλλά και κάθε μεγάλης μοριακής διαλυμένης ουσίας και, προφανώς, όλων των ιών και βακτηρίων, εφόσον η μεμβράνη διατηρεί τη φυσική της. ακεραιότητα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας σας.
Όπως το απιονισμένο νερό μέσω στηλών ανταλλαγής ιόντων, η αντίστροφη όσμωση επιτρέπει τη λήψη εξαιρετικά καθαρού νερού 18 MΩ.cm, ειδικά εάν η διαδικασία φιλτραρίσματος εκτελείται δύο ή περισσότερες φορές.
Πότε χρησιμοποιείται απεσταγμένο νερό και πότε απιονίζεται;
Όπως φαίνεται, το απεσταγμένο νερό και το απιονισμένο νερό διαφέρουν ως προς τη διαδικασία λήψης του, ως προς την τελική καθαρότητά του και ως προς τους τύπους ακαθαρσιών που μπορεί να υπάρχουν ακόμη μετά τον καθαρισμό.
Το απεσταγμένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή ορισμένων προϊόντων για ανθρώπινη κατανάλωση, όπως διάφορα είδη ποτών. Χρησιμοποιείται επίσης ως διαλύτης στη χημική βιομηχανία, σε εκείνες τις περιπτώσεις που οι χημικές αντιδράσεις δεν είναι ευαίσθητες στην παρουσία ιόντων στο διάλυμα.
Ωστόσο, υπάρχουν εφαρμογές που δεν επιτρέπουν ούτε την παραμικρή παρουσία ιόντων στο νερό. Για παράδειγμα, κατά την κατασκευή ημιαγωγών, πρέπει να τηρείται πολύ αυστηρός έλεγχος για την παρουσία ορισμένων μεταλλικών κατιόντων, καθώς αυτά επηρεάζουν έντονα την απόδοση του τελικού προϊόντος.
Στη φαρμακοβιομηχανία, το υπερκαθαρό νερό χρησιμοποιείται επίσης ως διαλύτης για την αποφυγή μόλυνσης φαρμάκων με ιόντα ή άλλες ουσίες που μπορεί να επηρεάσουν την αποτελεσματικότητα των φαρμάκων.
Μια άλλη πολύ κοινή εφαρμογή του απιονισμένου νερού είναι στην κατασκευή μπαταριών, όπως οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος που χρησιμοποιούνται στα περισσότερα αυτοκίνητα εσωτερικής καύσης. Αυτό συμβαίνει επειδή τα περισσότερα ιόντα που μπορεί να υπάρχουν στο απεσταγμένο νερό ή σε οποιαδήποτε άλλη λιγότερο καθαρή μορφή νερού αντιδρούν με το θειικό οξύ στον ηλεκτρολύτη, σχηματίζοντας αδιάλυτα άλατα και συμβάλλοντας έτσι στη μη αναστρέψιμη θείωση των μπαταριών.
Τέλος, όλες οι αναλυτικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της σύστασης του νερού ή διαφορετικών διαλυμάτων απαιτούν τη χρήση απιονισμένου νερού για να αποφευχθεί η μόλυνση των δειγμάτων με τα ίδια ιόντα που θα αναλυθούν αργότερα.
βιβλιογραφικές αναφορές
- Lenntech BV (nd-a). Απιονισμένο/απιονισμένο νερό . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/proceso/desmineralizada/agua-desionizada-desmineralizada.htm
- Lenntech BV (nd-b). αγωγιμότητα του νερού . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm
- Wasserlab. (ν.δ.). Γενικές πληροφορίες για το καθαρό νερό . 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). ΝΕΡΟ ΧΡΗΣΗΣ ΣΕ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ . Επιστημονικό Τεχνικό Δελτίο ΙΝΙΜΕΤ, (1). 3-10. Ανακτήθηκε από https://www.redalyc.org/pdf/2230/223017807002.pdf
