Tabla de Contenidos
Oczyszczanie substancji chemicznych jest procesem o dużym znaczeniu dla większości jego zastosowań technologicznych, a także dla badań naukowych. Istnieje wiele technik separacji i oczyszczania, które zależą od rodzaju mieszanych substancji i pożądanego stopnia czystości. W przypadku wody dwie powszechne metody oczyszczania to destylacja i dejonizacja. Te dwa sposoby oczyszczania wody dają odpowiednio wodę destylowaną i wodę dejonizowaną.
W kolejnych sekcjach omówimy różnice między tymi dwoma „prezentacjami” najbardziej rozpowszechnionej substancji na planecie Ziemia, w jaki sposób są one pozyskiwane i jakie zastosowania wymagają użycia jednego lub drugiego.
Pomiar czystości wody
Przed omówieniem procesów oczyszczania wody musimy wyjaśnić ważną kwestię związaną z pomiarem wspomnianej czystości. Woda przechodzi reakcję zwaną autoprotolizą, w której jedna cząsteczka wody usuwa proton z drugiej, przy czym pierwsza działa jako zasada, a druga jako kwas.
Omawiana reakcja to:
Ta reakcja jest odwracalna i ma stałą równowagi równą 10-14 , co oznacza, że pod nieobecność innych rozpuszczonych związków chemicznych będzie takie samo stężenie 10-7 M jonów hydroniowych i wodorotlenkowych.
Ponieważ są to jedyne jony obecne w czystej wodzie, a ich stężenie jest tak niskie, czysta woda jest izolatorem elektrycznym i ma bardzo wysoką rezystywność elektryczną. Obecność jakichkolwiek zanieczyszczeń, które mogą dysocjować lub wpływać na poprzedni stan równowagi (takich jak na przykład obecność kwasu lub zasady) nieuchronnie spowoduje wzrost stężenia jonów w roztworze, co zwiększy przewodnictwo wody i , w związku z tym zwiększa stężenie jonów w roztworze.W związku z tym jego rezystywność spadnie.
W związku z tym możemy użyć rezystywności wody (lub jej przewodności, chociaż rezystywność jest wygodniejsza) jako bezpośredniej miary jej czystości. W zależności od zastosowanej metody oczyszczania, rezystywność wody jest prawie zawsze rzędu jednostek lub dziesiątek MΩ·cm.
Co to jest woda destylowana?
Woda destylowana to woda oczyszczona w procesie destylacji . Jest to woda o dobrym stopniu czystości, wolna od większości wirusów i bakterii, a także większości jonowych substancji rozpuszczonych, takich jak sole i inne minerały, które z różnych powodów mogą rozpuszczać się w wodzie wodociągowej.
Jak działa destylacja?
Destylacja jest jedną z najczęstszych procedur oczyszczania substancji płynnych. Polega na fizycznym rozdzieleniu dwóch lub więcej substancji na podstawie różnicy między prężnością ich par a temperaturą wrzenia.
Proces ten polega na podgrzaniu cieczy (w naszym przypadku zanieczyszczonej wody) do temperatury wrzenia w zamkniętym naczyniu. Następnie para jest prowadzona przez system kanałów lub rur do układu, który ją schładza w celu ponownego skraplania (skraplacz), po czym nowo skroplona woda w stanie ciekłym jest przechowywana w innym oddzielnym pojemniku z próbki wody zanieczyszczonej.
Destylacja jest energooszczędnym procesem oczyszczania. Do odparowania dużych ilości wody potrzeba dużo energii i chociaż część tej energii można odzyskać podczas skraplania, wiele jest traconych.
Jak czysta jest woda destylowana?
Chociaż destylacja jest bardzo skutecznym procesem usuwania większości zanieczyszczeń, zwłaszcza nielotnych, takich jak sole i wiele cząsteczkowych substancji rozpuszczonych, jest niewystarczająca do usuwania substancji lotnych, takich jak alkohole i inne związki organiczne, takie jak trihalometany (chloroform, jodoform i inne). ). Te lotne substancje odparowują i skraplają się wraz z wodą pozostając w niej po destylacji.
Oprócz tego woda destylowana może nadal zawierać pewne ilości jonów innych niż jony hydroniowe i wodorotlenkowe. Głównym źródłem jonów w wodzie destylowanej jest pochodzący z atmosfery roztwór dwutlenku węgla (CO 2 ), który reaguje z wodą tworząc kwas węglowy, który z kolei dysocjuje zgodnie z następującym równaniem:
Każda próbka wody wystawiona na działanie atmosfery ostatecznie osiągnie stan równowagi z CO 2 i będzie zawierała około 10-6 molowych stężeń jonów wodorowęglanowych i hydroniowych, a także mniej jonów wodorotlenkowych niż czysta woda.
Z drugiej strony kontakt z parą wodną i gorącą płynną wodą może sprzyjać uwalnianiu niewielkich ilości zanieczyszczeń ze zbiorników, w których przechowywana jest woda destylowana oraz z rurociągów, którymi jest ona transportowana. W rezultacie w wodzie destylowanej mogą nadal znajdować się różne jony i inne substancje chemiczne jako zanieczyszczenia.
W konsekwencji woda destylowana ma na ogół rezystywność około 1 MΩ·cm. Oznacza to, że ma stężenie jonów około 10 razy większe niż w całkowicie czystej wodzie. Chociaż jest to nieistotne w przypadku większości zastosowań, istnieją takie, które nie tolerują nawet takich poziomów zanieczyszczeń.
Co to jest woda dejonizowana?
Jak sama nazwa wskazuje, woda dejonizowana to woda, która została oczyszczona w pewnym procesie dejonizacji, który jest niczym innym jak selektywnym usuwaniem kationów i anionów innych niż te obecne w czystej wodzie . Istnieją różne stopnie dejonizacji, które można osiągnąć różnymi metodami i które pozwalają na uzyskanie czystej lub ultraczystej wody, odróżniając je od siebie na podstawie zastosowanej procedury oczyszczania i rezystywności produktu końcowego.
Należy zauważyć, że dejonizacja wody jest procesem, który przeprowadza się w celu dalszego oczyszczania wody destylowanej. Oznacza to, że z definicji woda dejonizowana jest zawsze czystsza niż woda destylowana.
Jak działa dejonizacja?
Istnieją dwie główne metody usuwania jonów z roztworu wodnego: użycie kolumn jonowymiennych i odwrócona osmoza. Każda z tych technik ma swoje wady i zalety, a także warianty pozwalające na uzyskanie różnych stopni czystości.
Systemy wymiany jonowej
Jednym z głównych sposobów dejonizacji wody jest przepuszczanie jej przez dwie kolumny jonowymienne: jedną kolumnę kationowymienną, a następnie drugą anionowymienną. Kolumna jonowymienna składa się z cylindra wypełnionego żywicą, przez który przepływa woda destylowana.
Istnieją dwie główne klasy żywic jonowymiennych: te, które wymieniają kationy (żywice kationowymienne) i te, które wymieniają aniony (żywice anionowymienne).
Żywice kationowymienne składają się z nierozpuszczalnych substancji stałych, które zawierają kwasowe grupy funkcyjne przyłączone do ich powierzchni. W kontakcie z wodą uwalniają w jej kierunku dodatnie protony (tworząc jony hydroniowe), pozostawiając je naładowane ujemnie. Ten ładunek ujemny następnie przyciąga i wychwytuje wszelkie inne jony dodatnie, które są obecne w wodzie na powierzchni żywicy.
Efektem końcowym jest to, że żywica usuwa z wody wszystkie kationy rozpuszczone jako zanieczyszczenia i wymienia je na jony hydroniowe, które są częścią czystej wody.
Po usunięciu wszystkich kationów powstały roztwór (który w tym momencie składa się z roztworu zawierającego mieszaninę zdysocjowanych kwasów) przepuszcza się przez drugą kolumnę jonowymienną, w tym przypadku zawierającą żywicę anionowymienną . Ta żywica ma na swojej powierzchni grupy zasadowe, które uwalniają jony wodorotlenkowe i wychwytują wszystkie zanieczyszczające aniony na powierzchni.
Po opuszczeniu drugiej kolumny jonowymiennej wszystkie kationy i aniony, które były wcześniej obecne w wodzie, zostały zastąpione jonami hydroniowymi i wodorotlenkowymi, które są częścią czystej wody.
W ten sposób uzyskuje się ultraczystą wodę o rezystywności 18 MΩ.cm, najwyższej czystości, jaką można uzyskać.
systemy odwróconej osmozy
Odwrócona osmoza polega na przetłaczaniu wody przez półprzepuszczalną membranę z roztworu stężonego w substancjach rozpuszczonych do przedziału zawierającego czystą wodę. W normalnych warunkach proces osmozy przebiegałby w przeciwnym kierunku, ponieważ woda zawsze dąży do podążania za własnym gradientem stężenia, który przechodzi od czystej wody (gdzie ma maksymalne możliwe stężenie) do roztworu stężonego w substancjach rozpuszczonych, w których faktycznie występuje woda. bardziej rozcieńczony.
Jednak zastosowanie ciśnienia większego niż ciśnienie osmotyczne roztworu może spowolnić i ostatecznie odwrócić kierunek przepływu netto cząsteczek wody przez błonę półprzepuszczalną. Na tym właśnie zjawisku opiera się dejonizacja metodą odwróconej osmozy.
Odwrócona osmoza jest procesem bardziej wydajnym energetycznie niż destylacja; oferuje również korzyść polegającą na tym, że nie wymaga skomplikowanych i zanieczyszczających procesów syntezy i odzyskiwania żywic jonowymiennych. Ma jednak tę wadę, że membrany półprzepuszczalne są bardzo delikatne i mogą być bardzo drogie. Ponadto wymagają stosowania ciśnień, które mogą być bardzo wysokie, oraz sprzętu i obiektów, które są trudno dostępne.
Z drugiej strony membrany te umożliwiają filtrację wody na poziomie molekularnym, unikając przechodzenia wszystkich jonów, ale także wszelkich substancji rozpuszczonych o dużej masie cząsteczkowej i oczywiście wszystkich wirusów i bakterii, o ile membrana zachowuje swoją fizyczną integralność podczas operacji.
Podobnie jak woda dejonizowana przez kolumny jonowymienne, odwrócona osmoza pozwala na uzyskanie ultraczystej wody o wartości 18 MΩ.cm, zwłaszcza jeśli proces filtracji przeprowadza się dwa lub więcej razy.
Kiedy stosuje się wodę destylowaną, a kiedy dejonizowaną?
Jak widać, woda destylowana i woda dejonizowana różnią się sposobem jej otrzymywania, końcową czystością oraz rodzajem zanieczyszczeń, które mogą jeszcze występować po oczyszczeniu.
Woda destylowana może być używana do przygotowywania niektórych produktów przeznaczonych do spożycia przez ludzi, takich jak różne rodzaje napojów. Jest również stosowany jako rozpuszczalnik w przemyśle chemicznym, w tych przypadkach, w których reakcje chemiczne nie są wrażliwe na obecność jonów w roztworze.
Istnieją jednak aplikacje, które nie dopuszczają nawet najmniejszej obecności jonów w wodzie. Na przykład podczas produkcji półprzewodników należy zachować bardzo ścisłą kontrolę obecności niektórych kationów metali, ponieważ silnie wpływają one na działanie produktu końcowego.
W przemyśle farmaceutycznym woda ultraczysta jest również stosowana jako rozpuszczalnik, aby uniknąć zanieczyszczenia leków jonami lub innymi substancjami, które mogą wpływać na skuteczność leków.
Innym bardzo powszechnym zastosowaniem wody dejonizowanej jest produkcja akumulatorów, takich jak akumulatory kwasowo-ołowiowe stosowane w większości samochodów spalinowych. Dzieje się tak dlatego, że większość jonów, które mogą być obecne w wodzie destylowanej lub jakiejkolwiek innej mniej czystej postaci wody, reaguje z kwasem siarkowym w elektrolicie, tworząc nierozpuszczalne sole, przyczyniając się w ten sposób do nieodwracalnego zasiarczenia akumulatorów.
Wreszcie, wszystkie techniki analityczne stosowane do badania składu wody lub różnych roztworów wymagają użycia wody dejonizowanej, aby uniknąć zanieczyszczenia próbek tymi samymi jonami, które będą później analizowane.
Bibliografia
- Lenntech BV (nd-a). Woda dejonizowana/demineralizowana . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/proceso/desmineralizada/agua-desionizada-desmineralizada.htm
- Lenntech BV (nd-b). przewodność wody . Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm
- Wasserlab. (nd). Ogólne informacje na temat wody oczyszczonej . 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). WODA DO UŻYTKU W LABORATORIACH . Biuletyn Naukowo-Techniczny INIMET, (1). 3-10. Pobrane z https://www.redalyc.org/pdf/2230/223017807002.pdf
