Tabla de Contenidos
Kemiallisten aineiden puhdistaminen on erittäin tärkeä prosessi useimmille sen teknologisille sovelluksille sekä tieteelliselle tutkimukselle. On olemassa useita erotus- ja puhdistustekniikoita, jotka riippuvat sekoitettujen aineiden tyypistä ja halutusta puhtausasteesta. Veden tapauksessa kaksi yleistä puhdistusmenetelmää ovat tislaus ja ioninpoisto. Nämä kaksi tapaa puhdistaa vettä tuottavat tislattua vettä ja vastaavasti deionisoitua vettä.
Seuraavissa osioissa käsittelemme eroja näiden kahden ”esityksen” välillä maaplaneetalla eniten esiintyvästä aineesta, miten ne saadaan ja mitkä sovellukset vaativat jommankumman käyttöä.
Veden puhtauden mittaaminen
Ennen kuin käsittelemme vedenpuhdistusprosesseja, meidän on selvennettävä tärkeä seikka, joka liittyy mainitun puhtauden mittaamiseen. Vesi käy läpi reaktion, jota kutsutaan autoprotolyysiksi, jossa yksi vesimolekyyli poistaa protonin toisesta, ensimmäinen toimii emäksenä ja jälkimmäinen happona.
Kyseinen reaktio on:
Tämä reaktio on palautuva ja siihen liittyvä tasapainovakio on 10-14 , mikä tarkoittaa, että muiden liuenneiden kemikaalien puuttuessa 10-7 M hydronium- ja hydroksidi-ionien pitoisuus on sama .
Koska nämä ovat ainoita puhtaassa vedessä olevia ioneja ja koska niiden pitoisuus on niin alhainen, puhdas vesi on sähköeriste ja sillä on erittäin korkea sähköinen resistanssi. Kaikkien epäpuhtauksien läsnäolo, joka voi hajota tai vaikuttaa aikaisempaan tasapainoon (kuten hapon tai emäksen läsnäolo, esim.), aiheuttaa väistämättä ionipitoisuuden kasvua liuoksessa, mikä lisää veden johtavuutta ja Tämä lisää ionien pitoisuutta liuoksessa, minkä vuoksi sen ominaisvastus pienenee.
Näin ollen voimme käyttää veden ominaisvastusta (tai sen johtavuutta, vaikka ominaisvastus onkin kätevämpi) sen puhtauden suorana mittana. Käytetystä puhdistusmenetelmästä riippuen veden ominaisvastus on lähes aina yksikköjen tai kymmenien MΩ.cm luokkaa.
Mitä on tislattu vesi?
Tislattu vesi on vettä, joka on puhdistettu tislausprosessin kautta . Tämä on hyvän puhtausasteen vettä, jossa ei ole useimpia viruksia ja bakteereja, samoin kuin useimpia ionisia liuenneita aineita, kuten suoloja ja muita mineraaleja, jotka voivat liueta eri syistä vesijohtoveteen.
Miten tislaus toimii?
Tislaus on yksi yleisimmistä nestemäisten aineiden puhdistusmenetelmistä. Se koostuu kahden tai useamman aineen fysikaalisesta erottamisesta niiden höyrynpaineen ja kiehumispisteiden välisen eron perusteella.
Tämä prosessi koostuu nesteen (tapauksessamme epäpuhdasta vettä) kuumentamisesta kiehumispisteeseensä suljetussa astiassa. Sitten höyry johdetaan kanava- tai putkijärjestelmän kautta järjestelmään, joka jäähdyttää sen tiivistääkseen sen uudelleen (lauhduttimeen), minkä jälkeen vastakondensoitunut nestemäinen vesi varastoidaan toiseen erilliseen astiaan epäpuhdasta vesinäytteestä.
Tislaus on energiatehokas puhdistusprosessi. Suurien vesimäärien haihduttaminen vaatii paljon energiaa, ja vaikka osa tästä energiasta voidaan ottaa talteen tiivistymisen aikana, paljon menee hukkaan.
Kuinka puhdasta tislattu vesi on?
Vaikka tislaus on erittäin tehokas prosessi useimpien epäpuhtauksien, erityisesti haihtumattomien, kuten suolojen ja monien liuenneiden molekyylien poistamiseen, se ei ole riittävä haihtuvien aineiden, kuten alkoholien ja muiden orgaanisten yhdisteiden, kuten trihalometaanien (kloroformi, jodoformi ja muut, poistamiseen). ). Nämä haihtuvat aineet haihtuvat ja tiivistyvät yhdessä veden kanssa ja pysyvät siinä tislauksen jälkeen.
Tämän lisäksi tislattu vesi voi silti sisältää tiettyjä määriä muita ioneja kuin hydronium- ja hydroksidi-ioneja. Pääasiallinen ionien lähde tislatussa vedessä tulee ilmakehästä tulevasta hiilidioksidiliuoksesta (CO 2 ), joka reagoi veden kanssa hiilihapoksi, joka puolestaan dissosioituu seuraavan yhtälön mukaisesti:
Jokainen ilmakehään alttiina oleva vesinäyte saavuttaa lopulta tasapainon CO 2:n kanssa ja sisältää noin 10-6 moolipitoisuutta bikarbonaatti- ja hydroniumioneja sekä vähemmän hydroksidi-ioneja kuin puhdas vesi.
Toisaalta kosketus höyryn ja kuuman nestemäisen veden kanssa voi edistää pienten epäpuhtauksien vapautumista säiliöistä, joissa tislattu vesi säilytetään, ja putkistoista, joiden kautta se kuljetetaan. Tästä johtuen tislatussa vedessä voi olla edelleen erilaisia ioneja ja muita kemikaaleja epäpuhtauksina.
Näin ollen tislatun veden ominaisvastus on yleensä noin 1 MΩ.cm. Tämä tarkoittaa, että sen ionien pitoisuus on noin 10 kertaa suurempi kuin täysin puhtaassa vedessä. Vaikka tämä on merkityksetöntä useimmissa sovelluksissa, jotkut eivät siedä edes näitä epäpuhtausmääriä.
Mitä on deionisoitu vesi?
Kuten nimestä voi päätellä, deionisoitu vesi on vettä, joka on puhdistettu jollain deionisaatioprosessilla, mikä ei ole muuta kuin muiden kuin puhtaassa vedessä olevien kationien ja anionien selektiivistä poistamista . On olemassa erilaisia deionisaatioasteita, jotka voidaan saavuttaa eri menetelmillä ja joiden avulla saadaan puhdasta vettä tai ultrapuhdasta vettä, mikä erottaa toisistaan käytetyn puhdistusmenetelmän ja lopputuotteen resistiivisyyden perusteella.
On huomattava, että veden deionisointi on prosessi, joka suoritetaan tislatun veden puhdistamiseksi edelleen. Tämä tarkoittaa, että määritelmän mukaan deionisoitu vesi on aina puhtaampaa kuin tislattu vesi.
Miten deionisaatio toimii?
On olemassa kaksi päämenetelmää ionien poistamiseksi vesiliuoksesta: ioninvaihtokolonnien käyttö ja käänteisosmoosi. Jokaisella näistä tekniikoista on hyvät ja huonot puolensa sekä muunnelmia, jotka mahdollistavat eri puhtausasteiden saavuttamisen.
Ioninvaihtojärjestelmät
Yksi tärkeimmistä tavoista deionisoida vettä on kuljettaa se kahden ioninvaihtokolonnin läpi: yhden kationinvaihtokolonnin ja sen jälkeen toisen anioninvaihtokolonnin. Ioninvaihtokolonni koostuu hartsilla täytetystä sylinteristä, jonka läpi tislattua vettä saadaan virtaamaan.
Ioninvaihtohartseja on kaksi pääluokkaa: ne, jotka vaihtavat kationeja (kationinvaihtohartsit) ja ne, jotka vaihtavat anioneja (anioninvaihtohartsit).
Kationinvaihtohartsit koostuvat liukenemattomista kiinteistä aineista, joiden pintaan on kiinnittynyt happamia funktionaalisia ryhmiä. Kun ne joutuvat kosketuksiin veden kanssa, ne vapauttavat positiivisia protoneja sitä kohti (muodostavat hydroniumioneja), jättäen ne negatiivisesti varautuneiksi. Tämä negatiivinen varaus vetää sitten puoleensa ja vangitsee kaikki muut positiiviset ionit, jotka ovat läsnä vedessä hartsin pinnalla.
Nettovaikutuksena on, että hartsi poistaa vedestä kaikki epäpuhtauksina liuenneet kationit ja vaihtaa ne hydronium-ioneihin, jotka ovat osa puhdasta vettä.
Kun kaikki kationit on poistettu, saatu liuos (joka tässä vaiheessa koostuu liuoksesta, joka sisältää dissosioituneiden happojen seosta) johdetaan toisen ioninvaihtokolonnin läpi, tässä tapauksessa sellaisen, joka sisältää anioninvaihtohartsia . Tämän hartsin pinnalla on emäksisiä ryhmiä, jotka vapauttavat hydroksidi-ioneja ja vangitsevat kaikki pinnalla olevat saastuttavat anionit.
Toisesta ioninvaihtokolonnista poistuttuaan kaikki vedessä aiemmin olleet kationit ja anionit on korvattu hydronium- ja hydroksidi-ioneilla, jotka ovat osa puhdasta vettä.
Tällä tavalla saadaan erittäin puhdasta vettä, jonka ominaisvastus on 18 MΩ.cm, mikä on korkein mahdollinen puhtausaste.
käänteisosmoosijärjestelmät
Käänteisosmoosi koostuu veden pakottamisesta puoliläpäisevän kalvon läpi liuenneisiin aineisiin keskittyneestä liuoksesta puhdasta vettä sisältävään osastoon. Normaaleissa olosuhteissa osmoosiprosessi etenee päinvastaiseen suuntaan, koska vesi pyrkii aina seuraamaan omaa pitoisuusgradienttiaan, joka siirtyy puhtaasta vedestä (jossa sillä on suurin mahdollinen pitoisuus) liuenneisiin aineisiin keskittyneeseen liuokseen, jossa se itse asiassa on vettä. laimeampi.
Liuoksen osmoottista painetta suuremman paineen käyttö voi kuitenkin hidastaa ja lopulta kääntää vesimolekyylien nettovirtauksen suunnan puoliläpäisevän kalvon poikki. Juuri tähän ilmiöön käänteisosmoosideionisaatio perustuu.
Käänteisosmoosi on energiatehokkaampi prosessi kuin tislaus; se tarjoaa myös sen edun, että se ei vaadi monimutkaisia ja saastuttavia prosesseja ioninvaihtohartsien synteesiin ja talteenottoon. Sillä on kuitenkin se haittapuoli, että puoliläpäisevät kalvot ovat erittäin herkkiä ja voivat olla erittäin kalliita. Lisäksi ne edellyttävät erittäin korkeiden paineiden käyttöä sekä laitteita ja tiloja, jotka eivät ole kovin saavutettavissa.
Toisaalta nämä kalvot mahdollistavat veden suodattamisen molekyylitasolla, jolloin vältetään kaikkien ionien, mutta myös kaikkien suurten molekyylien liuenneiden aineiden ja tietysti kaikkien virusten ja bakteerien läpikulku, kunhan kalvo säilyttää fyysisen kykynsä. eheys toiminnan aikana.
Kuten deionisoitu vesi ioninvaihtokolonnien läpi, käänteisosmoosi mahdollistaa erittäin puhtaan 18 MΩ.cm:n veden saamisen, varsinkin jos suodatus suoritetaan kahdesti tai useammin.
Milloin tislattua vettä käytetään ja milloin deionisoitua?
Kuten voidaan nähdä, tislattu vesi ja deionisoitu vesi eroavat toisistaan sen saamisprosessin, lopullisen puhtauden ja epäpuhtauksien tyypin suhteen, joita voi vielä olla puhdistuksen jälkeen.
Tislattua vettä voidaan käyttää joidenkin ihmisravinnoksi tarkoitettujen tuotteiden, kuten erilaisten juomien, valmistukseen. Sitä käytetään myös liuottimena kemianteollisuudessa tapauksissa, joissa kemialliset reaktiot eivät ole herkkiä ionien läsnäololle liuoksessa.
On kuitenkin olemassa sovelluksia, jotka eivät salli edes pienintäkään ionien läsnäoloa vedessä. Esimerkiksi puolijohteiden valmistuksen aikana tiettyjen metallikationien läsnäoloa on valvottava erittäin tarkasti, koska ne vaikuttavat voimakkaasti lopputuotteen suorituskykyyn.
Lääketeollisuudessa ultrapuhdasta vettä käytetään myös liuottimena, jotta vältetään lääkkeiden saastuminen ioneilla tai muilla aineilla, jotka voivat vaikuttaa lääkkeiden tehokkuuteen.
Toinen hyvin yleinen deionisoidun veden käyttökohde on akkujen, kuten useimmissa polttoautoissa käytettyjen lyijyakkujen, valmistuksessa. Tämä johtuu siitä, että suurin osa tislatussa vedessä tai missä tahansa muussa vähemmän puhtaassa vedessä mahdollisesti olevista ioneista reagoi elektrolyytissä olevan rikkihapon kanssa muodostaen liukenemattomia suoloja ja siten edistäen akkujen palautumatonta sulfatoitumista.
Lopuksi kaikki analyyttiset tekniikat, joita käytetään veden tai erilaisten liuosten koostumuksen tutkimiseen, edellyttävät deionisoidun veden käyttöä, jotta vältetään näytteiden saastuminen samoilla ioneilla, jotka myöhemmin analysoidaan.
Viitteet
- Lenntech BV (nd-a). Deionisoitu/demineralisoitu vesi . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/proceso/desmineralizada/agua-desionizada-desmineralizada.htm
- Lenntech BV (nd-b). veden johtavuus . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm
- Wasserlab. (n.d.). Yleiset tiedot puhdistetusta vedestä . 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). VESI LABORATORIOISSA KÄYTTÖÖN . INIMET Scientific Technical Bulletin, (1). 3-10. Haettu osoitteesta https://www.redalyc.org/pdf/2230/223017807002.pdf
