蒸留水と脱イオン水の違い

化学物質の精製は、科学研究だけでなく、ほとんどの技術的応用にとって非常に重要なプロセスです。混合物質の種類と得たい純度に応じて、複数の分離精製技術があります。水の場合、2 つの一般的な精製方法は、蒸留と脱イオン化です。水を浄化するこれらの 2 つの方法により、それぞれ蒸留水と脱イオン水が生成されます。

次のセクションでは、地球上で最も豊富な物質のこれら 2 つの「プレゼンテーション」の違い、それらがどのように取得され、どのアプリケーションがどちらか一方の使用を必要とするかについて説明します。

水の純度の測定

水の浄化プロセスについて説明する前に、純度の測定に関する重要な点を明確にする必要があります。水は自己プロトン分解と呼ばれる反応を起こします。この反応では、1 つの水分子が別の水分子からプロトンを取り除きます。前者は塩基として機能し、後者は酸として機能します。

問題の反応は次のとおりです。

この反応は可逆的であり、10 ^-14の関連する平衡定数を持ちます。これは、他の溶解化学物質が存在しない場合、10 ^-7 M のヒドロニウムと水酸化物イオンが同じ濃度になることを意味します。

これらは純水中に存在する唯一のイオンであり、濃度が非常に低いため、純水は電気絶縁体であり、非常に高い電気抵抗率を持っています。以前の平衡に解離または影響を与える可能性のある不純物の存在 (たとえば、酸または塩基の存在など) は、必然的に溶液中のイオン濃度の増加を引き起こし、水の導電率を増加させます。したがって、溶液中のイオン濃度が高くなり、抵抗率が低下します。

したがって、水の純度の直接的な尺度として、水の抵抗率 (または抵抗率の方が便利ですが、その導電率) を使用できます。使用する浄化方法にもよりますが、水の抵抗率はほとんどの場合、数単位または数十 MΩ.cm です。

蒸留水とは？

蒸留水は、蒸留プロセスによって精製された水です。これは、水道水にさまざまな理由で溶解する可能性のある塩やその他のミネラルなどのほとんどのイオン性溶質と同様に、ほとんどのウイルスやバクテリアがなく、純度の高い水です。

蒸留はどのように機能しますか？

蒸留は、液体物質を精製するための最も一般的な手順の 1 つです。蒸気圧と沸点の差に基づいて、2 つ以上の物質を物理的に分離します。

このプロセスは、密閉容器内で液体 (この場合は不純水) を沸点まで加熱することで構成されます。次に、蒸気はダクトまたはパイプのシステムを介して、蒸気を冷却して再び凝縮するシステム (凝縮器) に導かれます。その後、新しく凝縮された液体の水は、不純水のサンプルとは別の容器に保管されます。

蒸留は、エネルギー効率の高い精製プロセスです。大量の水を蒸発させるには多くのエネルギーが必要です。このエネルギーの一部は凝縮中に回収できますが、多くが失われます。

蒸留水の純度は？

蒸留は、ほとんどの不純物、特に塩や多くの分子溶質などの不揮発性不純物を除去するのに非常に効果的なプロセスですが、アルコールやトリハロメタン (クロロホルム、ヨードホルムなど) などの他の有機化合物などの揮発性物質を除去するには不十分です。 ）。これらの揮発性物質は蒸発して水と一緒に凝縮し、蒸留後も水に残ります。

これに加えて、蒸留水には、ヒドロニウムイオンと水酸化物イオン以外のイオンが一定量含まれている可能性があります。蒸留水中の主なイオン源は、大気中の二酸化炭素 (CO _{2 ) 溶液に由来し、水と反応して炭酸になり、次の式に従って解離します。}

大気にさらされた水のサンプルは最終的に CO ₂と平衡に達し、約 10 ^-6モル濃度の重炭酸イオンとヒドロニウム イオンを含み、純水よりも少ない水酸化物イオンを含みます。

一方、蒸気や高温の液体水との接触は、蒸留水が保管されている容器や蒸留水が輸送されるパイプラインからの少量の汚染物質の放出を促進する可能性があります。その結果、さまざまなイオンやその他の化学物質が蒸留水に不純物としてまだ存在している可能性があります。

したがって、蒸留水の抵抗率は一般に約1MΩ・cmです。これは、完全に純水の約10倍のイオン濃度を持っていることを意味します。これはほとんどのアプリケーションでは無視できますが、これらのレベルの不純物でさえ許容できないものもあります。

脱イオン水とは？

その名前が示すように、脱イオン水は、純水に存在するもの以外の陽イオンと陰イオンを選択的に除去するだけの脱イオンプロセスによって精製された水です。さまざまな方法で達成できるさまざまな程度の脱イオンがあり、純水または超純水を得ることができ、使用する精製手順と最終生成物の抵抗率に基づいて区別されます。

水の脱イオン化は、蒸留水をさらに精製するために実行されるプロセスであることに注意してください。これは、定義上、脱イオン水は常に蒸留水よりも純粋であることを意味します。

脱イオン化はどのように機能しますか?

水溶液からイオンを除去するには、主にイオン交換カラムと逆浸透の 2 つの方法があります。これらの手法にはそれぞれ長所と短所があり、さまざまな程度の純度を得ることができるバリアントもあります。

イオン交換システム

水を脱イオン化する主な方法の 1 つは、水を 2 つのイオン交換カラムに通すことです。1 つの陽イオン交換カラムの後に別の陰イオン交換カラムが続きます。イオン交換カラムは、樹脂を充填したシリンダーからなり、そこに蒸留水を流します。

イオン交換樹脂には、陽イオンを交換するもの (陽イオン交換樹脂) と陰イオンを交換するもの (陰イオン交換樹脂) の 2 つの主要なクラスがあります。

陽イオン交換樹脂は、表面に結合した酸性官能基を含む不溶性の固体物質で構成されています。それらが水と接触すると、それらはそれに向けて正のプロトンを放出し（ヒドロニウムイオンを形成）、負に帯電したままになります. このマイナス電荷は、レジンの表面の水に存在する他のプラスイオンを引き付けて捕捉します。

正味の効果は、樹脂が汚染物質として溶解しているすべての陽イオンを水から除去し、純粋な水の一部であるヒドロニウム イオンと交換することです。

すべての陽イオンが除去された後、得られた溶液 (この時点では、解離した酸の混合物を含む溶液で構成されています) を 2 番目のイオン交換カラム (この場合は陰イオン交換樹脂を含むカラム) に通します。この樹脂は、水酸化物イオンを放出し、表面のすべての汚染陰イオンを捕捉する塩基性基を表面に持っています。

2 番目のイオン交換カラムを出た後、以前に水中に存在していたすべての陽イオンと陰イオンは、純水の一部であるヒドロニウムと水酸化物イオンに置き換えられています。

このようにして、得られる最高純度の比抵抗18MΩ・cmの超純水が得られます。

逆浸透システム

逆浸透は、溶質が濃縮された溶液から半透膜を介して純水を含むコンパートメントに水を押し込むことで構成されます。通常の条件下では、浸透プロセスは反対方向に進みます。なぜなら、水は常に独自の濃度勾配に従おうとするためです。これは、純粋な水 (可能な限り最大の濃度を持つ場所) から溶質に濃縮された溶液 (実際には水である場所) に向かうためです。より希釈されます。

しかし、溶液の浸透圧よりも高い圧力を加えると、速度が低下し、最終的に半透膜を横切る水分子の正味の流れの方向が逆転する可能性があります。逆浸透脱イオン化が基づいているのはこの現象です。

逆浸透は、蒸留よりもエネルギー効率の高いプロセスです。また、イオン交換樹脂の合成と回収のための複雑で汚染の多いプロセスを必要としないという利点もあります。ただし、半透膜は非常にデリケートで、非常に高価になる可能性があるという欠点があります。さらに、非常に高い圧力を使用する必要があり、非常にアクセスしにくい機器や設備が必要です。

一方、これらの膜は水を分子レベルでろ過することを可能にし、すべてのイオンの通過を回避しますが、膜がその物理的性質を維持している限り、大きな分子溶質、そして明らかにすべてのウイルスとバクテリアの通過も回避します。操作中の整合性。

イオン交換カラムによる脱イオン水のように、逆浸透では、特にろ過プロセスを 2 回以上行うと、18 MΩ.cm の超純水が得られます。

蒸留水はいつ使用され、いつ脱イオン化されますか?

ご覧のとおり、蒸留水と脱イオン水は、それを得るプロセス、最終的な純度、および精製後にまだ存在する可能性のある不純物の種類が異なります。

蒸留水は、さまざまな種類の飲み物など、人間が消費する一部の製品の調製に使用できます。また、化学反応が溶液中のイオンの存在に敏感でない場合に、化学工業で溶媒としても使用されます。

ただし、水中のイオンのわずかな存在さえ許さない用途があります。たとえば、半導体の製造中、特定の金属陽イオンの存在に対して非常に厳密な管理を維持する必要があります。これは、これらが最終製品の性能に大きく影響するためです。

製薬業界では、薬剤の有効性に影響を与える可能性のあるイオンやその他の物質による薬剤の汚染を避けるために、超純水も溶媒として使用されます。

脱イオン水のもう 1 つの非常に一般的な用途は、ほとんどの内燃自動車で使用される鉛蓄電池などの電池の製造です。これは、蒸留水またはその他の純度の低い水に存在する可能性のあるイオンのほとんどが、電解液中の硫酸と反応して不溶性塩を形成し、バッテリーの不可逆的な硫酸化に寄与するためです。

最後に、水またはさまざまな溶液の組成を研究するために使用されるすべての分析技術では、後で分析される同じイオンでサンプルが汚染されるのを避けるために、脱イオン水を使用する必要があります。

参考文献

• Lenntech BV (nd-a)。脱イオン/脱イオン水。レンテック。https://www.lenntech.es/aplicaciones/proceso/desmineralizada/agua-desionizada-desmineralizada.htm
• Lenntech BV (nd-b)。水の導電率。レンテック。https://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm
• ワッサーラボ。(nd)。精製水に関する一般論。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). 実験室で使用するための水。INIMET Scientific Technical Bulletin、(1)。3-10。https://www.redalyc.org/pdf/2230/223017807002.pdfから取得