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La purification des substances chimiques est un processus de grande importance pour la plupart de ses applications technologiques, ainsi que pour la recherche scientifique. Il existe de multiples techniques de séparation et de purification qui dépendent du type de substances mélangées et du degré de pureté que l’on souhaite obtenir. Dans le cas de l’eau, deux méthodes de purification courantes sont la distillation et la désionisation. Ces deux voies de purification de l’eau donnent naissance respectivement à de l’eau distillée et de l’eau déminéralisée.
Dans les sections suivantes, nous aborderons les différences entre ces deux « présentations » de la substance la plus abondante sur la planète Terre, comment elles sont obtenues et quelles applications nécessitent l’utilisation de l’une ou de l’autre.
Mesurer la pureté de l’eau
Avant de discuter des processus de purification de l’eau, nous devons clarifier un point important lié à la mesure de ladite pureté. L’eau subit une réaction appelée autoprotolyse, dans laquelle une molécule d’eau élimine un proton d’une autre, la première agissant comme une base et la seconde agissant comme un acide.
La réaction en question est :
Cette réaction est réversible et a une constante d’équilibre associée de 10 -14 , ce qui implique qu’en l’absence d’autres produits chimiques dissous, il y aura la même concentration d’ions hydronium et hydroxyde 10 -7 M.
Comme ce sont les seuls ions présents dans l’eau pure et que leur concentration est si faible, l’eau pure est un isolant électrique et a une résistivité électrique très élevée. La présence de toute impureté pouvant dissocier ou affecter l’équilibre précédent (comme la présence d’un acide ou d’une base, par exemple) entraînera inévitablement une augmentation de la concentration des ions en solution, ce qui augmentera la conductivité de l’eau et , par conséquent, augmenter la concentration d’ions dans la solution.Par conséquent, sa résistivité diminuera.
Par conséquent, nous pouvons utiliser la résistivité de l’eau (ou sa conductivité, bien que la résistivité soit plus pratique) comme mesure directe de sa pureté. Selon la méthode de purification utilisée, la résistivité de l’eau est presque toujours de l’ordre de l’unité ou de la dizaine de MΩ.cm.
Qu’est-ce que l’eau distillée ?
L’eau distillée est de l’eau qui a été purifiée par le processus de distillation . Il s’agit d’une eau qui a un bon degré de pureté, exempte de la plupart des virus et bactéries, ainsi que de la plupart des solutés ioniques tels que les sels et autres minéraux qui peuvent être dissous pour différentes raisons dans l’eau du robinet.
Comment fonctionne la distillation ?
La distillation est l’une des procédures les plus courantes pour purifier les substances liquides. Il consiste en la séparation physique de deux substances ou plus en fonction de la différence entre leurs pressions de vapeur et leurs points d’ébullition.
Ce procédé consiste à chauffer un liquide (dans notre cas, de l’eau impure) jusqu’à son point d’ébullition dans un récipient fermé. Ensuite, la vapeur est conduite à travers un système de conduits ou de tuyaux vers un système qui la refroidit pour la condenser à nouveau (le condenseur), après quoi l’eau liquide nouvellement condensée est stockée dans un autre récipient séparé de l’échantillon d’eau impure.
La distillation est un processus de purification économe en énergie. Il faut beaucoup d’énergie pour évaporer de grandes quantités d’eau, et bien qu’une partie de cette énergie puisse être récupérée lors de la condensation, une grande partie est perdue.
Quelle est la pureté de l’eau distillée ?
Bien que la distillation soit un processus très efficace pour éliminer la plupart des impuretés, en particulier les non volatiles telles que les sels et de nombreux solutés moléculaires, elle est inadéquate pour éliminer les substances volatiles telles que les alcools et autres composés organiques tels que les trihalométhanes (chloroforme, iodoforme et les autres ). Ces substances volatiles s’évaporent et se condensent avec l’eau, y persistant après distillation.
En plus de cela, l’eau distillée peut encore contenir certaines quantités d’ions autres que les ions hydronium et hydroxyde. La principale source d’ions dans l’eau distillée provient de la solution de dioxyde de carbone (CO 2 ) provenant de l’atmosphère, qui réagit avec l’eau en se transformant en acide carbonique, qui à son tour se dissocie selon l’équation suivante :
Tout échantillon d’eau exposé à l’atmosphère finira par atteindre l’équilibre avec le CO 2 et contiendra environ 10 -6 concentrations molaires d’ions bicarbonate et hydronium, ainsi que moins d’ions hydroxyde que l’eau pure.
D’autre part, le contact avec la vapeur et l’eau liquide chaude peut favoriser la libération de petites quantités de contaminants des récipients dans lesquels l’eau distillée est stockée et des canalisations par lesquelles elle est transportée. Par conséquent, divers ions et autres produits chimiques peuvent encore être présents dans l’eau distillée sous forme d’impuretés.
Par conséquent, l’eau distillée a généralement une résistivité de l’ordre de 1 MΩ.cm. Cela implique qu’elle a une concentration d’ions environ 10 fois supérieure à celle de l’eau complètement pure. Bien que cela soit négligeable pour la plupart des applications, certaines ne peuvent même pas tolérer ces niveaux d’impuretés.
Qu’est-ce que l’eau déminéralisée ?
Comme son nom l’indique, l’eau déionisée est de l’eau qui a été purifiée par un processus de déionisation, qui n’est rien de plus que l’élimination sélective des cations et des anions autres que ceux présents dans l’eau pure . Il existe différents degrés de déionisation qui peuvent être atteints par diverses méthodes et qui permettent d’obtenir de l’eau pure ou de l’eau ultra pure, en se distinguant l’un de l’autre en fonction de la procédure de purification utilisée et de la résistivité du produit final.
Il convient de noter que la déionisation de l’eau est un processus qui est effectué pour purifier davantage l’eau distillée. Cela signifie que, par définition, l’eau déminéralisée est toujours plus pure que l’eau distillée.
Comment fonctionne la désionisation ?
Il existe deux méthodes principales pour éliminer les ions d’une solution aqueuse : l’utilisation de colonnes échangeuses d’ions et l’osmose inverse. Chacune de ces techniques a ses avantages et ses inconvénients, ainsi que des variantes permettant d’obtenir différents degrés de pureté.
Systèmes d’échange d’ions
L’un des principaux moyens de désioniser l’eau consiste à la faire passer dans deux colonnes échangeuses d’ions : une colonne échangeuse de cations suivie d’une autre colonne échangeuse d’anions. Une colonne échangeuse d’ions est constituée d’un cylindre rempli d’une résine à travers lequel on fait circuler de l’eau distillée.
Il existe deux grandes classes de résines échangeuses d’ions : celles qui échangent des cations (résines échangeuses de cations) et celles qui échangent des anions (résines échangeuses d’anions).
Les résines échangeuses de cations sont constituées de substances solides insolubles qui contiennent des groupes fonctionnels acides attachés à leur surface. Lorsqu’ils entrent en contact avec l’eau, ils libèrent des protons positifs vers celle-ci (formant des ions hydronium), les laissant chargés négativement. Cette charge négative attire et capture alors tout autre ion positif présent dans l’eau à la surface de la résine.
L’effet net est que la résine élimine de l’eau tous les cations qui sont dissous en tant que contaminants et les échange contre des ions hydronium, qui font partie de l’eau pure.
Une fois tous les cations éliminés, la solution résultante (qui consiste à ce stade en une solution contenant un mélange d’acides dissociés) est passée à travers une seconde colonne échangeuse d’ions, dans ce cas une colonne contenant une résine échangeuse d’ anions . Cette résine a des groupes basiques sur sa surface qui libèrent des ions hydroxyde et capturent tous les anions contaminants sur la surface.
Après avoir quitté la deuxième colonne échangeuse d’ions, tous les cations et anions qui étaient auparavant présents dans l’eau ont été remplacés par des ions hydronium et hydroxyde qui font partie de l’eau pure.
On obtient ainsi une eau ultra-pure avec une résistivité de 18 MΩ.cm, la plus haute pureté que l’on puisse obtenir.
systèmes d’osmose inverse
L’osmose inverse consiste à forcer l’eau à travers une membrane semi-perméable à partir d’une solution concentrée en solutés dans un compartiment contenant de l’eau pure. Dans des conditions normales, le processus d’osmose irait dans le sens inverse, puisque l’eau cherche toujours à suivre son propre gradient de concentration, qui va de l’eau pure (où elle a la concentration maximale possible) à la solution concentrée en solutés où l’eau elle est en fait plus dilué.
Cependant, l’application d’une pression supérieure à la pression osmotique d’une solution peut ralentir et finalement inverser la direction du flux net de molécules d’eau à travers la membrane semi-perméable. C’est sur ce phénomène que repose la désionisation par osmose inverse.
L’osmose inverse est un processus plus économe en énergie que la distillation ; il offre également l’avantage de ne pas nécessiter de procédés compliqués et polluants pour la synthèse et la récupération des résines échangeuses d’ions. Cependant, il présente l’inconvénient que les membranes semi-perméables sont très délicates et peuvent être très coûteuses. De plus, ils nécessitent l’utilisation de pressions qui peuvent être très élevées et d’équipements et d’installations peu accessibles.
D’autre part, ces membranes permettent de filtrer l’eau au niveau moléculaire, en évitant le passage de tous les ions, mais aussi de tout gros soluté moléculaire et, évidemment, de tous les virus et bactéries, tant que la membrane conserve son intégrité physique. intégrité pendant votre opération.
Comme l’eau déminéralisée à travers des colonnes échangeuses d’ions, l’osmose inverse permet d’obtenir une eau ultra-pure de 18 MΩ.cm, surtout si le processus de filtrage est effectué deux fois ou plus.
Quand utilise-t-on de l’eau distillée et quand est-elle déminéralisée ?
Comme on peut le voir, l’eau distillée et l’eau déionisée diffèrent en termes de processus d’obtention, en termes de pureté finale et en termes de types d’impuretés qui peuvent encore être présentes après purification.
L’eau distillée peut être utilisée dans la préparation de certains produits destinés à la consommation humaine tels que différents types de boissons. Il est également utilisé comme solvant dans l’industrie chimique, dans les cas où les réactions chimiques ne sont pas sensibles à la présence d’ions en solution.
Cependant, il existe des applications qui ne permettent même pas la moindre présence d’ions dans l’eau. Par exemple, lors de la fabrication de semi-conducteurs, un contrôle très strict doit être maintenu sur la présence de certains cations métalliques, car ceux-ci affectent fortement les performances du produit final.
Dans l’industrie pharmaceutique, l’eau ultra pure est également utilisée comme solvant pour éviter la contamination des médicaments par des ions ou d’autres substances susceptibles d’affecter l’efficacité des médicaments.
Une autre application très courante de l’eau désionisée est la fabrication de batteries, telles que les batteries au plomb utilisées dans la plupart des automobiles à combustion interne. En effet, la plupart des ions pouvant être présents dans l’eau distillée ou toute autre forme d’eau moins pure réagissent avec l’acide sulfurique de l’électrolyte, formant des sels insolubles et contribuant ainsi à la sulfatation irréversible des batteries.
Enfin, toutes les techniques analytiques utilisées pour étudier la composition de l’eau ou de différentes solutions nécessitent l’utilisation d’eau déionisée pour éviter de contaminer les échantillons avec les mêmes ions qui seront ensuite analysés.
Les références
- Lenntech BV (sd-a). Eau déionisée/déminéralisée . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/proceso/desmineralizada/agua-desionizada-desmineralizada.htm
- Lenntech BV (nd-b). conductivité de l’eau . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm
- Wasserlab. (s.d.). Généralités sur l’Eau Purifiée . 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). EAU DESTINÉE AUX LABORATOIRES . Bulletin technique scientifique INIMET, (1). 3-10. Extrait de https://www.redalyc.org/pdf/2230/223017807002.pdf
