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La purificazione delle sostanze chimiche è un processo di grande importanza per la maggior parte delle sue applicazioni tecnologiche, oltre che per la ricerca scientifica. Esistono molteplici tecniche di separazione e purificazione che dipendono dal tipo di sostanze miscelate e dal grado di purezza che si desidera ottenere. Nel caso dell’acqua, due metodi di purificazione comuni sono la distillazione e la deionizzazione. Questi due modi di purificare l’acqua danno origine rispettivamente all’acqua distillata e all’acqua deionizzata.
Nelle sezioni seguenti tratteremo le differenze tra queste due “presentazioni” della sostanza più abbondante sul pianeta Terra, come si ottengono e quali applicazioni richiedono l’uso dell’una o dell’altra.
Misurare la purezza dell’acqua
Prima di discutere i processi di purificazione dell’acqua dobbiamo chiarire un punto importante relativo alla misurazione di detta purezza. L’acqua subisce una reazione chiamata autoprotolisi, in cui una molecola d’acqua rimuove un protone da un’altra, la prima fungendo da base e la seconda da acido.
La reazione in questione è:
Questa reazione è reversibile e ha una costante di equilibrio associata di 10 -14 , il che implica che, in assenza di altre sostanze chimiche disciolte, ci sarà la stessa concentrazione di ioni idronio e idrossido di 10 -7 M.
Poiché questi sono gli unici ioni presenti nell’acqua pura, e poiché la loro concentrazione è così bassa, l’acqua pura è un isolante elettrico e ha una resistività elettrica molto elevata. La presenza di qualsiasi impurità che può dissociarsi o alterare l’equilibrio precedente (come la presenza di un acido o di una base, per esempio) causerà inevitabilmente un aumento della concentrazione di ioni in soluzione, che aumenterà la conducibilità dell’acqua e , quindi, aumenta la concentrazione di ioni nella soluzione, quindi la sua resistività diminuirà.
Di conseguenza, possiamo usare la resistività dell’acqua (o la sua conducibilità, anche se la resistività è più conveniente) come misura diretta della sua purezza. A seconda del metodo di purificazione utilizzato, la resistività dell’acqua è quasi sempre dell’ordine di unità o decine di MΩ.cm.
Cos’è l’acqua distillata?
L’acqua distillata è acqua che è stata purificata attraverso il processo di distillazione . Si tratta di un’acqua con un buon grado di purezza, priva della maggior parte di virus e batteri, nonché della maggior parte dei soluti ionici come sali e altri minerali che possono essere disciolti per diversi motivi nell’acqua del rubinetto.
Come funziona la distillazione?
La distillazione è una delle procedure più comuni per purificare le sostanze liquide. Consiste nella separazione fisica di due o più sostanze basata sulla differenza tra le loro tensioni di vapore e punti di ebollizione.
Questo processo consiste nel riscaldare un liquido (nel nostro caso acqua impura) fino al suo punto di ebollizione in un contenitore chiuso. Quindi, il vapore viene condotto attraverso un sistema di condotti o tubi ad un sistema che lo raffredda per condensarlo nuovamente (il condensatore), dopodiché l’acqua liquida appena condensata viene immagazzinata in un altro contenitore separato dal campione di acqua impura.
La distillazione è un processo di purificazione ad alta efficienza energetica. Ci vuole molta energia per far evaporare grandi quantità di acqua, e sebbene parte di questa energia possa essere recuperata durante la condensazione, molta va persa.
Quanto è pura l’acqua distillata?
Sebbene la distillazione sia un processo molto efficace per rimuovere la maggior parte delle impurità, specialmente quelle non volatili come sali e molti soluti molecolari, è inadeguata per rimuovere sostanze volatili come alcoli e altri composti organici come trialometani (cloroformio, iodoformio e gli altri ). Queste sostanze volatili evaporano e condensano insieme all’acqua, persistendo in essa dopo la distillazione.
Oltre a ciò, l’acqua distillata può ancora contenere determinate quantità di ioni diversi dagli ioni idronio e idrossido. La principale fonte di ioni nell’acqua distillata proviene dalla soluzione di anidride carbonica (CO 2 ) proveniente dall’atmosfera, che reagisce con l’acqua trasformandosi in acido carbonico, che a sua volta si dissocia secondo la seguente equazione:
Qualsiasi campione di acqua esposto all’atmosfera raggiungerà infine l’equilibrio con la CO 2 e conterrà circa 10 -6 concentrazioni molari di ioni bicarbonato e idronio, oltre a un minor numero di ioni idrossido rispetto all’acqua pura.
D’altra parte, il contatto con il vapore e l’acqua liquida calda può favorire il rilascio di piccole quantità di contaminanti dai contenitori in cui è immagazzinata l’acqua distillata e dalle tubazioni attraverso le quali viene trasportata. Di conseguenza, ci possono essere vari ioni e altre sostanze chimiche ancora presenti nell’acqua distillata come impurità.
Di conseguenza, l’acqua distillata ha generalmente una resistività di circa 1 MΩ.cm. Ciò implica che ha una concentrazione di ioni circa 10 volte maggiore di quella dell’acqua completamente pura. Mentre questo è trascurabile per la maggior parte delle applicazioni, ce ne sono alcune che non possono tollerare nemmeno questi livelli di impurità.
Cos’è l’acqua deionizzata?
Come suggerisce il nome, l’acqua deionizzata è acqua che è stata purificata mediante un processo di deionizzazione, che non è altro che la rimozione selettiva di cationi e anioni diversi da quelli presenti nell’acqua pura . Esistono diversi gradi di deionizzazione ottenibili con vari metodi e che consentono di ottenere acqua pura o acqua ultrapura, distinguendo l’una dall’altra in base alla procedura di purificazione utilizzata e alla resistività del prodotto finale.
Va notato che la deionizzazione dell’acqua è un processo che viene eseguito per purificare ulteriormente l’acqua distillata. Ciò significa che, per definizione, l’acqua deionizzata è sempre più pura dell’acqua distillata.
Come funziona la deionizzazione?
Esistono due metodi principali per rimuovere gli ioni da una soluzione acquosa: l’uso di colonne a scambio ionico e l’osmosi inversa. Ognuna di queste tecniche ha i suoi pro e contro, oltre a varianti che permettono di ottenere diversi gradi di purezza.
Sistemi di scambio ionico
Uno dei modi principali per deionizzare l’acqua è farla passare attraverso due colonne di scambio ionico: uno scambio cationico seguito da un altro scambio anionico. Una colonna a scambio ionico è costituita da un cilindro riempito con una resina attraverso il quale viene fatta scorrere acqua distillata.
Esistono due classi principali di resine a scambio ionico: quelle che scambiano cationi (resine a scambio cationico) e quelle che scambiano anioni (resine a scambio anionico).
Le resine a scambio cationico sono costituite da sostanze solide insolubili che contengono gruppi funzionali acidi attaccati alla loro superficie. Quando entrano in contatto con l’acqua, rilasciano protoni positivi verso di essa (formando ioni idronio), lasciandoli carichi negativamente. Questa carica negativa quindi attrae e cattura eventuali altri ioni positivi presenti nell’acqua sulla superficie della resina.
L’effetto netto è che la resina rimuove dall’acqua tutti i cationi disciolti come contaminanti e li scambia con ioni idronio, che fanno parte dell’acqua pura.
Dopo che tutti i cationi sono stati rimossi, la soluzione risultante (che a questo punto consiste in una soluzione contenente una miscela di acidi dissociati) viene fatta passare attraverso una seconda colonna a scambio ionico, in questo caso contenente una resina a scambio anionico . Questa resina ha gruppi basici sulla sua superficie che rilasciano ioni idrossido e catturano tutti gli anioni contaminanti sulla superficie.
Dopo aver lasciato la seconda colonna di scambio ionico, tutti i cationi e gli anioni precedentemente presenti nell’acqua sono stati sostituiti da ioni idronio e idrossido che fanno parte dell’acqua pura.
In questo modo si ottiene acqua ultrapura con una resistività di 18 MΩ.cm, la massima purezza ottenibile.
impianti ad osmosi inversa
L’osmosi inversa consiste nel forzare l’acqua attraverso una membrana semipermeabile da una soluzione concentrata in soluti in un compartimento contenente acqua pura. In condizioni normali, il processo di osmosi andrebbe nella direzione opposta, poiché l’acqua cerca sempre di seguire un proprio gradiente di concentrazione, che va dall’acqua pura (dove ha la massima concentrazione possibile) alla soluzione concentrata in soluti dove è effettivamente acqua. più diluito.
Tuttavia, l’applicazione di una pressione maggiore della pressione osmotica di una soluzione può rallentare e infine invertire la direzione del flusso netto delle molecole d’acqua attraverso la membrana semipermeabile. È su questo fenomeno che si basa la deionizzazione dell’osmosi inversa.
L’osmosi inversa è un processo più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alla distillazione; offre inoltre il vantaggio di non richiedere processi complicati ed inquinanti per la sintesi ed il recupero delle resine a scambio ionico. Tuttavia, presenta lo svantaggio che le membrane semipermeabili sono molto delicate e possono essere molto costose. Inoltre, richiedono l’utilizzo di pressioni che possono essere molto elevate e attrezzature e strutture poco accessibili.
D’altra parte, queste membrane consentono di filtrare l’acqua a livello molecolare, evitando il passaggio di tutti gli ioni, ma anche di qualsiasi grosso soluto molecolare e, ovviamente, di tutti i virus e batteri, purché la membrana mantenga la sua forma fisica. integrità durante il vostro funzionamento.
Come l’acqua deionizzata attraverso le colonne a scambio ionico, l’osmosi inversa consente di ottenere acqua ultrapura di 18 MΩ.cm, soprattutto se il processo di filtraggio viene effettuato due o più volte.
Quando viene utilizzata l’acqua distillata e quando deionizzata?
Come si vede, l’acqua distillata e l’acqua deionizzata si differenziano per il processo di ottenimento, per la purezza finale e per le tipologie di impurità che possono essere ancora presenti dopo la depurazione.
L’acqua distillata può essere utilizzata nella preparazione di alcuni prodotti per il consumo umano come diversi tipi di bevande. Viene utilizzato anche come solvente nell’industria chimica, in quei casi in cui le reazioni chimiche non sono sensibili alla presenza di ioni in soluzione.
Esistono però applicazioni che non consentono la minima presenza di ioni nell’acqua. Ad esempio, durante la fabbricazione dei semiconduttori, è necessario mantenere un controllo molto stretto sulla presenza di alcuni cationi metallici, poiché questi influiscono fortemente sulle prestazioni del prodotto finale.
Nell’industria farmaceutica, l’acqua ultrapura viene utilizzata anche come solvente per evitare la contaminazione dei farmaci con ioni o altre sostanze che possono influire sull’efficacia dei farmaci.
Un’altra applicazione molto comune dell’acqua deionizzata è nella produzione di batterie, come le batterie al piombo utilizzate nella maggior parte delle automobili a combustione interna. Questo perché la maggior parte degli ioni che possono essere presenti nell’acqua distillata o in qualsiasi altra forma di acqua meno pura reagiscono con l’acido solforico nell’elettrolita, formando sali insolubili e contribuendo così alla solfatazione irreversibile delle batterie.
Infine, tutte le tecniche analitiche che vengono utilizzate per studiare la composizione dell’acqua o di soluzioni diverse richiedono l’utilizzo di acqua deionizzata per evitare di contaminare i campioni con gli stessi ioni che verranno successivamente analizzati.
Riferimenti
- Lenntech BV (nd-a). Acqua deionizzata/demineralizzata . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/proceso/desmineralizada/agua-desionizada-desmineralizada.htm
- Lenntech BV (ndb). conducibilità dell’acqua . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm
- Wasserlab. (nd). Generalità sull’Acqua Purificata . 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). ACQUA PER USO NEI LABORATORI . INIMET Bollettino Tecnico Scientifico, (1). 3-10. Estratto da https://www.redalyc.org/pdf/2230/223017807002.pdf
