ความแตกต่างระหว่างน้ำกลั่นกับน้ำปราศจากไอออน

การทำให้บริสุทธิ์ของสารเคมีเป็นกระบวนการที่มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานทางเทคโนโลยีส่วนใหญ่ เช่นเดียวกับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ มีเทคนิคการแยกและการทำให้บริสุทธิ์หลายวิธีขึ้นอยู่กับชนิดของสารผสมและระดับความบริสุทธิ์ที่ต้องการได้ ในกรณีของน้ำ วิธีการทำให้บริสุทธิ์ทั่วไปสองวิธีคือการกลั่นและการขจัดไอออน วิธีการทำน้ำให้บริสุทธิ์ทั้งสองวิธีนี้ก่อให้เกิดน้ำกลั่นและน้ำปราศจากไอออนตามลำดับ

ในหัวข้อต่อไปนี้ เราจะกล่าวถึงความแตกต่างระหว่าง “การนำเสนอ” ทั้งสองนี้ของสสารที่มีอยู่มากที่สุดในโลก วิธีได้มาและการใช้งานประเภทใดที่ต้องใช้อย่างใดอย่างหนึ่ง

การวัดความบริสุทธิ์ของน้ำ

ก่อนที่จะพูดถึงกระบวนการทำน้ำให้บริสุทธิ์ เราต้องชี้แจงประเด็นสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการวัดค่าความบริสุทธิ์ดังกล่าว น้ำผ่านปฏิกิริยาที่เรียกว่า autoprotolysis ซึ่งโมเลกุลของน้ำหนึ่งจะดึงโปรตอนออกจากอีกโมเลกุลหนึ่ง อันแรกทำหน้าที่เป็นเบสและอันหลังทำหน้าที่เป็นกรด

ปฏิกิริยาที่เป็นปัญหาคือ:

ปฏิกิริยา นี้สามารถผันกลับได้และมีค่าคงที่สมดุลที่เกี่ยวข้องที่ 10 ^-14ซึ่งหมายความว่าหากไม่มีสารเคมีอื่นๆ ที่ละลายอยู่ จะมีไฮโดรเนียมและไฮดรอกไซด์ไอออนที่มีความเข้มข้นเท่ากันที่ 10 ^-7 M

เนื่องจากไอออนเหล่านี้เป็นไอออนเพียงชนิดเดียวที่มีอยู่ในน้ำบริสุทธิ์ และเนื่องจากความเข้มข้นของไอออนต่ำมาก น้ำบริสุทธิ์จึงเป็นฉนวนไฟฟ้าและมีความต้านทานไฟฟ้าสูงมาก การปรากฏตัวของสิ่งเจือปนใดๆ ที่สามารถแยกตัวออกหรือส่งผลกระทบต่อสมดุลก่อนหน้านี้ (เช่น การมีกรดหรือเบส เป็นต้น) ย่อมจะทำให้ความเข้มข้นของไอออนในสารละลายเพิ่มขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งจะเพิ่มการนำไฟฟ้าของน้ำและ ดังนั้น เพิ่มความเข้มข้นของไอออนในสารละลาย ดังนั้น ความต้านทานจะลดลง

ด้วยเหตุนี้ เราจึงสามารถใช้สภาพต้านทานของน้ำ (หรือสภาพนำไฟฟ้าได้ แม้ว่าสภาพต้านทานจะสะดวกกว่า) เป็นการวัดความบริสุทธิ์โดยตรง ขึ้นอยู่กับวิธีการทำให้บริสุทธิ์ที่ใช้ ความต้านทานของน้ำมักจะอยู่ในลำดับหน่วยหรือหลายสิบMΩ.ซม.

น้ำกลั่นคืออะไร?

น้ำกลั่นคือน้ำที่ผ่านกระบวนการกลั่นให้บริสุทธิ์ นี่คือน้ำที่มีระดับความบริสุทธิ์ที่ดี ปราศจากไวรัสและแบคทีเรียส่วนใหญ่ เช่นเดียวกับตัวละลายไอออนิกส่วนใหญ่ เช่น เกลือและแร่ธาตุอื่นๆ ที่สามารถละลายได้ในน้ำประปาด้วยเหตุผลต่างๆ กัน

การกลั่นทำงานอย่างไร?

การกลั่นเป็นหนึ่งในขั้นตอนทั่วไปในการทำให้สารที่เป็นของเหลวบริสุทธิ์ ประกอบด้วยการแยกทางกายภาพของสารตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปตามความแตกต่างระหว่างความดันไอและจุดเดือด

กระบวนการนี้ประกอบด้วยการให้ความร้อนแก่ของเหลว (ในกรณีของเราคือน้ำที่ไม่บริสุทธิ์) จนถึงจุดเดือดในภาชนะปิด จากนั้นไอน้ำจะถูกส่งผ่านระบบท่อหรือท่อไปยังระบบที่ทำให้เย็นลงเพื่อควบแน่นอีกครั้ง (คอนเดนเซอร์) หลังจากนั้นน้ำของเหลวที่ควบแน่นใหม่จะถูกเก็บไว้ในภาชนะอื่นที่แยกจากตัวอย่างน้ำที่ไม่บริสุทธิ์

การกลั่นเป็นกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ที่ประหยัดพลังงาน ต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการระเหยน้ำจำนวนมาก และแม้ว่าพลังงานบางส่วนจะสามารถกู้คืนได้ในระหว่างการควบแน่น แต่ก็สูญเสียไปมาก

น้ำกลั่นบริสุทธิ์แค่ไหน?

แม้ว่าการกลั่นเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพมากในการขจัดสิ่งเจือปนส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งเจือปนที่ไม่ระเหยง่าย เช่น เกลือและตัวถูกละลายที่เป็นโมเลกุลจำนวนมาก แต่ก็ไม่เพียงพอที่จะกำจัดสารระเหย เช่น แอลกอฮอล์และสารประกอบอินทรีย์อื่นๆ เช่น ไตรฮาโลมีเทน (คลอโรฟอร์ม ไอโอโดฟอร์ม และอื่นๆ ). สารระเหยเหล่านี้ระเหยและควบแน่นพร้อมกับน้ำและยังคงอยู่หลังจากการกลั่น

นอกจากนี้ น้ำกลั่นยังสามารถมีไอออนจำนวนหนึ่งนอกเหนือจากไฮโดรเนียมและไฮดรอกไซด์ไอออน แหล่งที่มาหลักของไอออนในน้ำกลั่นมาจากสารละลายคาร์บอนไดออกไซด์ (CO ₂ ) ที่มาจากบรรยากาศ ซึ่งทำปฏิกิริยากับน้ำกลายเป็นกรดคาร์บอนิก ซึ่งจะแตกตัวตามสมการต่อไปนี้:

ตัวอย่างของน้ำที่สัมผัสกับชั้นบรรยากาศในที่สุดจะเข้าสู่สภาวะสมดุลด้วย CO ₂และมีความเข้มข้นของไบคาร์บอเนตและไฮโดรเนียมประมาณ 10 ^-6โมลาร์ รวมทั้งมีไฮดรอกไซด์ไอออนน้อยกว่าน้ำบริสุทธิ์

ในทางกลับกัน การสัมผัสกับไอน้ำและของเหลวร้อนสามารถกระตุ้นให้เกิดการปนเปื้อนจำนวนเล็กน้อยจากภาชนะที่เก็บน้ำกลั่นและจากท่อที่ขนส่งผ่าน ดังนั้น อาจมีไอออนต่างๆ และสารเคมีอื่นๆ หลงเหลืออยู่ในน้ำกลั่นเป็นสิ่งสกปรก

ดังนั้น โดยทั่วไปน้ำกลั่นจะมีค่าความต้านทานไฟฟ้าประมาณ 1 MΩ.cm. ซึ่งหมายความว่ามีความเข้มข้นของไอออนมากกว่าน้ำบริสุทธิ์ประมาณ 10 เท่า แม้ว่าสิ่งนี้จะเล็กน้อยสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ แต่ก็มีบางอย่างที่ไม่สามารถทนต่อสิ่งเจือปนในระดับเหล่านี้ได้

น้ำปราศจากไอออนคืออะไร?

ตามชื่อที่แนะนำน้ำปราศจากไอออนคือน้ำที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์โดยกระบวนการขจัดไอออน ซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่าการกำจัดแคตไอออนและไอออนแบบเลือก นอกเหนือจากที่มีอยู่ในน้ำบริสุทธิ์ มีระดับการขจัดไอออนที่แตกต่างกันซึ่งสามารถทำได้ด้วยวิธีการต่างๆ และทำให้ได้น้ำบริสุทธิ์หรือน้ำบริสุทธิ์พิเศษ โดยแยกความแตกต่างระหว่างกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ที่ใช้และความต้านทานของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ควรสังเกตว่าการแยกไอออนของน้ำเป็นกระบวนการที่ดำเนินการเพื่อทำให้น้ำกลั่นบริสุทธิ์ยิ่งขึ้น ซึ่งหมายความว่า ตามคำนิยาม น้ำปราศจากไอออนจะบริสุทธิ์กว่าน้ำกลั่นเสมอ

การกำจัดไอออนทำงานอย่างไร?

มีสองวิธีหลักในการกำจัดไอออนออกจากสารละลายที่เป็นน้ำ: การใช้คอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนและรีเวิร์สออสโมซิส แต่ละเทคนิคเหล่านี้มีข้อดีและข้อเสียเช่นเดียวกับตัวแปรที่ช่วยให้ได้รับระดับความบริสุทธิ์ที่แตกต่างกัน

ระบบแลกเปลี่ยนไอออน

วิธีหลักวิธีหนึ่งในการขจัดไอออนของน้ำคือการส่งผ่านคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออน 2 คอลัมน์: คอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนบวก 1 คอลัมน์ตามด้วยคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนอีก 1 คอลัมน์ คอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนประกอบด้วยกระบอกสูบที่เต็มไปด้วยเรซินซึ่งทำให้น้ำกลั่นไหลผ่าน

เรซินแลกเปลี่ยนไอออนมีสองประเภทหลัก: ประเภทที่แลกเปลี่ยนไอออนบวก (เรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวก) และประเภทที่แลกเปลี่ยนประจุลบ (เรซินแลกเปลี่ยนประจุลบ)

เรซินแลกเปลี่ยนประจุบวกประกอบด้วยสารของแข็งที่ไม่ละลายน้ำซึ่งมีหมู่ฟังก์ชันที่เป็นกรดติดอยู่ที่พื้นผิว เมื่อสัมผัสกับน้ำ จะปล่อยโปรตอนที่เป็นบวกเข้าหาน้ำ (ก่อตัวเป็นไฮโดรเนียมไอออน) ปล่อยให้มีประจุลบ ประจุลบนี้จะดึงดูดและจับไอออนบวกอื่นๆ ที่มีอยู่ในน้ำบนพื้นผิวของเรซิน

ผลสุทธิคือเรซินจะกำจัดไอออนบวกทั้งหมดที่ละลายเป็นสารปนเปื้อนออกจากน้ำและแลกเปลี่ยนเป็นไอออนของไฮโดรเนียมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของน้ำบริสุทธิ์

หลังจากกำจัดไอออนบวกทั้งหมดแล้ว สารละลายที่ได้ (ซึ่ง ณ จุดนี้ประกอบด้วยสารละลายที่มีส่วนผสมของกรดแตกตัว) จะถูกส่งผ่านคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนที่สอง ในกรณีนี้คือคอลัมน์ที่มีเรซินแลกเปลี่ยนประจุลบ เรซินนี้มีกลุ่มพื้นฐานบนพื้นผิวที่ปล่อยไอออนไฮดรอกไซด์และจับประจุลบที่ปนเปื้อนทั้งหมดบนพื้นผิว

หลังจากออกจากคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออนที่สอง ไอออนบวกและไอออนทั้งหมดที่เคยมีอยู่ในน้ำจะถูกแทนที่ด้วยไฮโดรเนียมและไฮดรอกไซด์ไอออนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของน้ำบริสุทธิ์

ด้วยวิธีนี้ จะได้น้ำบริสุทธิ์พิเศษที่มีความต้านทานไฟฟ้า 18 MΩ.cm ซึ่งเป็นค่าความบริสุทธิ์สูงสุดที่สามารถรับได้

ระบบรีเวอร์สออสโมซิส

รีเวิร์สออสโมซิสประกอบด้วยการบังคับให้น้ำผ่านเยื่อกรองกึ่งซึมผ่านจากสารละลายที่มีความเข้มข้นในตัวถูกละลายเข้าไปในช่องที่มีน้ำบริสุทธิ์ ภายใต้สภาวะปกติ กระบวนการออสโมซิสจะไปในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากน้ำมักจะพยายามไล่ระดับความเข้มข้นของมันเอง ซึ่งเปลี่ยนจากน้ำบริสุทธิ์ (ซึ่งมีความเข้มข้นสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้) ไปสู่สารละลายที่มีความเข้มข้นในตัวถูกละลายซึ่งจริงๆ แล้วเป็นน้ำ เจือจางมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม การใช้แรงดันที่มากกว่าแรงดันออสโมติกของสารละลายสามารถชะลอและเปลี่ยนทิศทางการไหลของโมเลกุลของน้ำผ่านเยื่อกึ่งผ่านได้ในที่สุด ปรากฏการณ์นี้อาศัยกระบวนการรีเวิร์สออสโมซิสดีไอออไนเซชัน

รีเวิร์สออสโมซิสเป็นกระบวนการที่ประหยัดพลังงานมากกว่าการกลั่น นอกจากนี้ยังให้ประโยชน์ในการไม่ต้องใช้กระบวนการที่ซับซ้อนและก่อให้เกิดมลพิษในการสังเคราะห์และการนำเรซินแลกเปลี่ยนไอออนกลับมาใช้ใหม่ อย่างไรก็ตาม มีข้อเสียตรงที่เยื่อกึ่งผ่านได้มีความละเอียดอ่อนมากและอาจมีราคาแพงมาก นอกจากนี้ พวกเขาต้องการใช้แรงกดที่อาจสูงมาก และอุปกรณ์และสิ่งอำนวยความสะดวกที่ไม่สามารถเข้าถึงได้มากนัก

ในทางกลับกัน เยื่อเหล่านี้ช่วยให้น้ำถูกกรองในระดับโมเลกุล หลีกเลี่ยงการผ่านของไอออนทั้งหมด แต่ยังรวมถึงตัวละลายโมเลกุลขนาดใหญ่ใดๆ และแน่นอน ของไวรัสและแบคทีเรียทั้งหมด ตราบใดที่เมมเบรนยังคงสภาพทางกายภาพ ความสมบูรณ์ระหว่างการปฏิบัติงานของคุณ

เช่นเดียวกับน้ำปราศจากไอออนผ่านคอลัมน์แลกเปลี่ยนไอออน รีเวิร์สออสโมซิสช่วยให้ได้น้ำบริสุทธิ์พิเศษขนาด 18 MΩ.ซม. โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากดำเนินการกรองสองครั้งขึ้นไป

น้ำกลั่นถูกใช้เมื่อใดและเมื่อปราศจากไอออน?

ดังที่เห็นได้ว่า น้ำกลั่นและน้ำปราศจากไอออนมีความแตกต่างกันในแง่ของกระบวนการเพื่อให้ได้มาซึ่งความบริสุทธิ์ขั้นสุดท้าย และในแง่ของประเภทของสิ่งเจือปนที่อาจยังคงอยู่หลังจากการทำให้บริสุทธิ์

น้ำกลั่นสามารถใช้ในการเตรียมผลิตภัณฑ์บางอย่างเพื่อการบริโภคของมนุษย์ เช่น เครื่องดื่มประเภทต่างๆ นอกจากนี้ยังใช้เป็นตัวทำละลายในอุตสาหกรรมเคมี ในกรณีที่ปฏิกิริยาเคมีไม่ไวต่อการมีอยู่ของไอออนในสารละลาย

อย่างไรก็ตาม มีแอปพลิเคชั่นที่ไม่อนุญาตให้มีไอออนในน้ำแม้แต่น้อย ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การควบคุมที่เข้มงวดมากจะต้องได้รับการดูแลไม่ให้มีไอออนบวกโลหะบางชนิด เนื่องจากสิ่งเหล่านี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ในอุตสาหกรรมยา น้ำบริสุทธิ์พิเศษยังใช้เป็นตัวทำละลายเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของยาด้วยไอออนหรือสารอื่นๆ ที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของยา

การใช้น้ำปราศจากไอออนโดยทั่วไปอีกอย่างหนึ่งคือในการผลิตแบตเตอรี่ เช่น แบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ใช้ในรถยนต์สันดาปภายในส่วนใหญ่ นี่เป็นเพราะไอออนส่วนใหญ่ที่อาจมีอยู่ในน้ำกลั่นหรือน้ำรูปแบบอื่นๆ ที่บริสุทธิ์น้อยกว่าทำปฏิกิริยากับกรดซัลฟิวริกในอิเล็กโทรไลต์ เกิดเป็นเกลือที่ไม่ละลายน้ำ และส่งผลให้เกิดซัลเฟตในแบตเตอรี่อย่างถาวร

ประการสุดท้าย เทคนิคการวิเคราะห์ทั้งหมดที่ใช้ในการศึกษาองค์ประกอบของน้ำหรือสารละลายต่างๆ จำเป็นต้องใช้น้ำปราศจากไอออนเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนตัวอย่างที่มีไอออนเดียวกันซึ่งจะถูกวิเคราะห์ในภายหลัง

อ้างอิง

• Lenntech BV (nd-a) น้ำปราศจากไอออน/ปราศจากแร่ธาตุ เลนเทค https://www.lenntech.es/aplicaciones/proceso/desmineralizada/agua-desionizada-desmineralizada.htm
• Lenntech BV (nd-b) การนำไฟฟ้าของน้ำ เลนเทค https://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm
• วอสเซอร์แล็บ. (น.ป.). ข้อมูลทั่วไปเกี่ยวกับน้ำบริสุทธิ์ Wasserlab.คอม 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) น้ำสำหรับใช้ในห้องปฏิบัติการ แถลงการณ์ทางเทคนิคทางวิทยาศาสตร์ของ INIMET, (1). 3-10. สืบค้นจากhttps://www.redalyc.org/pdf/2230/223017807002.pdf