Woda dejonizowana/demineralizowana

Woda destylowana, dejonizowana i demineralizowana i pomiar czystości

Trudne jest znalezienie jasnej definicji i standardów dla destylowanej, demineralizowanej i dejonizowanej wody. Aby zapoznać się z tym tematem produkcji wody ultra czystej najłatwiej jest zacząć od starej i bardzo znanej metody: destylacji.

Woda destylowana to woda, która była doprowadzona do wrzenia w aparacie zwanym "still" (destylator), a następnie ponownie skondensowana w chłodnicy kondensującej ponownie do postaci ciekłej. Destylacja służy oczyszczaniu wody. Rozpuszczone zanieczyszczenia takie jak sole pozostają w naczyniu gdzie zachodzi wrzenie, a woda "ucieka" w postaci pary wodnej. Destylacja może nie dać pozytywnych rezultatów jeśli zanieczyszczenia są lotne (np. alkohole), ponieważ one również wrą, a następnie ponownie się zagęszczają (do postaci cieczy). Niektóre destylatory mogą selektywnie doprowadzić jedynie wodę do zagęszczenia, jednak większość z nich umożliwia przechodzenie części lotnych zanieczyszczeń i niewielkiej ilości nielotnych elementów wraz z wodą do kondensatora (przechodzą one do pary wodnej z pęcherzykami powstającymi na powierzchni wrzącej wody). Maksymalnie wysoka jakość wody osiągana w tych systemach to zwykle 1.0 MWcm; a skoro nie istnieje zabezpieczenie przed dostawaniem się rozpuszczonego CO2 do destylatu, pH wynosi zwykle 4.5-5.0. Dodatkowo, trzeba bardzo uważać, aby nie zanieczyścić wody po jej destylacji.

 

Dejonizacja: Zachodzi przy użyciu żywic jonowymiennych (jonitów), które usuwają zjonizowane sole z wody. Teoretycznie można doprowadzić do 100% usunięcia soli. W procesie tym zwykle nie są usuwane zanieczyszczenia organiczne, wirusy czy bakterie, z wyjątkiem przypadkowego "uwięzienia" w żywicy lub przy zastosowaniu specjalnie stworzonych żywic anionowych do usuwania bakterii Gram-ujemnych [4]

Demineralizacja: Każdy proces służący usuwaniu minerałów w wody, chociaż zwykle termin ten jest ograniczony do pojęcia procesu wymiany jonowej [1]

Woda ultra-czysta: Woda oczyszczona w dużym stopniu, o wysokiej oporności i braku związku organicznych; zwykle używana w produkcji półprzewodników i w przemyśle farmaceutycznym [4]

 

Dejonizacja opiera się na usuwaniu elektrycznie naładowanych (zjonizowanych) substancji rozpuszczonych, poprzez wiązanie ich na dodatnio lub ujemnie naładowanej żywicy w czasie przepływu wody przez kolumnę wypełnioną żywicą. Proces ten nazywa się wymianą jonową i może być wykorzystany na wiele sposobów do produkcji wody o różnej jakości.

  • System żywicy: Kationit silnego kwasu + Anionit silnej zasady

Systemy te składają się z dwóch zbiorników: jednen z nich zawiera żywicę kationowo-wymienną (kationit) w formie wodorowej (H+), a drugi żywicę anionową (anionit) w formie hydroksylowej (OH-) (patrz rys. poniżej). Woda przepływa przez kolumnę kationową gdzie wszystkie kationy są wymieniane na jony wodoru. Woda z usuniętymi kationami przepływa dalej przez kolumnę anionową. Tym razem, wszystkie ujemnie naładowane jony są wymieniane na jony hydroksylowe, które następnie łącza się z jonami wodorowymi tworząc wodę (H2O) [2]

Systemy te usuwają wszystkie jony, łącznie z krzemionką. Zwykle jest zalecane zmniejszenie strumienia jonów przechodzącego przez wymieniacz anionowy (jonit anionowy) poprzez instalowanie jednostki do usuwania CO2 pomiędzy zbiornikami. Redukuje to stężenie dwutlenku węgla do kilku mg/l oraz redukuje to objętość anionowej silnej zasady oraz wymagania reagentów podczas regeneracji. Ogólnie system żywicy typu kationit silnego kwasu plus anionit silnej zasady jest najprostszym zastosowaniem, a woda dejonizowana w tym systemie ma wiele zastosowań [3]

  • System żywicy: Kationit silnego kwasu + Anionit słabej zasady + Anionit silnej zasady

Ta kombinacja jest wariacją powyżej opisanej. Zapewnia tą samą jakość wody dejonizowanej, dając dodatkowo korzyści ekonomiczne podczas oczyszczania wody zawierającej wysokie stężenia silnych anionów (chlorków i siarczanów). System jest wyposażony w dodatkowy wymieniacz anionowy słabej zasady przed ostateczną żywicą anionu silnej zasady. Dodatkowa (do wyboru) jednostka usuwania dwutlenku węgla może być zainstalowana albo zaraz po wymieniaczu kationowym lub pomiędzy dwoma wymieniaczami anionowymi (patrz rys. poniżej). Regeneracja wymieniaczy anionowych zachodzi przy użyciu roztworu wodorotlenku sodu (NaOH) przechodzącego najpierw przez wymieniacz silnej zasady, a potem słabej zasady. Metoda ta wymaga mniej wodorotlenku sodu niż metoda opisana powyżej, ponieważ pozostający roztwór do regeneracji po przejściu przez wymieniacz silnej zasady jest zwykle wystarczający do całkowitej regeneracji żywicy słabej zasady. Ponadto, kiedy woda zawiera wysokie stężenie substancji organicznej, żywica słabej zasady zabezpiecza wymieniacz silnej zasady[3].

  • Dejonizacja ze złożem mieszanym (mixed-bed deionisation)

W dejonizatorach o mieszanym złożu żywice wymiany kationowej i anionowej są połączone w jednej obudowie ciśnieniowej. Obie żywice są zmieszane dzięki działaniu skompresowanego powietrza; całe złoże może być traktowane jako nieskończona liczba wymieniaczy kationowych i anionowych ułożonych seriami (żywica mieszana)[2,3].

Do przeprowadzenia regeneracji, obie żywice hydraulicznie (w wodzie) rozdzielane są w czasie fazy zluźnienia. Ponieważ wymieniacz anionowy jest lżejszy od żywicy kationowej, unosi się on na powierzchni, podczas gdy żywica kationowa opada na dno. Po odseparowaniu żywic prowadzona jest regeneracja z użyciem wodorotlenku sodu i silnego kwasu. Nadmiar jakiegokolwiek środka zregenerowanego jest usuwany poprzez przemywanie każdej żywicy oddzielnie.

Zaletami tego systemu są:

- woda uzyskana w procesie jest wysoce oczyszczona a jej jakość pozostaje stała przez cały cykl,
- pH jest prawie neutralne,
- wymagania co do wody użytej w przemywaniu nie są wysokie.

Wadą tego systemu jest niższa pojemność/zdolność wymiany i bardziej skomplikowane procedury podczas obsługi ze względu na etap oddzielania i ponownego łączenia żywic[3].

 

Oprócz systemów wymiany jonowej, dejonizowana woda może być produkowana przy pomocy procesu odwróconej osmozy. Odwrócona osmoza (RO) jest najlepszą znaną metodą filtracji wody. Proces ten pozwala na usunięcie z roztworu tak małych cząsteczek jak jony. Odwrócona osmoza jest używana do oczyszczania wody i usuwania soli i innych zanieczyszczeń w celu poprawy barwy, smaku i innych właściwości cieczy. Proces ten pozwala na usunięcie bakterii, soli, cukrów, białek, innych cząsteczek, farb oraz innych komponentów o wadze cząsteczkowej większej niż 150-250 Daltons. To pozwala na osiągniecie większości standardów jakości wody po pojedynczym przejściu oraz najwyższe standardy w systemach podwójnego przejścia wody. Proces ten usuwa 99.9+% wirusów, bakterii i elementów gorączkotwórczych. Ciśnienie w zakresie 50 do 1000 psi (3.4 do 69 bar) jest siłą sprawczą w procesie RO. Proces ten jest znacznie bardziej wydajny energetycznie w porównaniu do procesów zmian faz (destylacji) i bardziej efektywny niż silne związki chemiczne wymagane w procesie regeneracji wymiany jonowej. Separacja jonów podczas RO zachodzi dzięki naładowanym cząstkom. Oznacza to że rozpuszczone jony niosące ładunek, takie jak sole, są bardziej odrzucane przez membranę niż te nienaładowane, takie jak związki organiczne. Im większy ładunek i większa cząsteczka, bardziej prawdopodobne jest, że zostanie ona usunięta [4] .

 

Pomiar czystości wody/oczyszczenia

Czystość wody może być mierzona na różny sposób. Jedna z metod określa wagę wszystkich elementów rozpuszczonych ("solute"): jest to najłatwiejsze do wykonania w przypadku rozpuszczonej substancji stałej w przeciwieństwie do rozpuszczonego gazu lub innej cieczy. Dodatkowo do pomiaru wagi zanieczyszczeń znajdujących się w wodzie, można określić ich poziom poprzez stopień do którego podnoszą temperaturę wrzenia lub obniżają temperaturę zamarzania wody. Na index refrakcji (załamywania) ( miara jak przejżyste materiały powodują zagięcie wiązki światła) wpływają również substancje rozpuszczone w wodzie. Czystość wody może być również określana na podstawie elektrycznej przewodności lub oporności; bardzo czysta woda słabo przewodzi elektryczność, więc jej oporność jest wysoka.

 

[2]

Wartość pH

Woda czysta jest lekko kwaśna a woda destylowana ma pH około 5.8. Wynika to z faktu, że w wodzie destylowanej jest rozpuszczany dwutlenek węgla z powietrza. Jest on rozpuszczany do momentu aż jego stężenie osiągnie równowagę (equilibrum) z jego zawartością w powietrzu. Oznacza to, że ilość rozpuszczona równoważy ilość przechodzącą do roztworu. Całkowita zawartość w wodzie zależy od stężenia w powietrzu atmosferycznym. Rozpuszczony dwutlenek węgla reaguje z wodą tworząc kwas węglowy.

2 H2O + CO2 --> H2O + H2CO3 (kwas węglowy) --> (H30+) (naładowana woda zakwaszona) + (HCO3-) (naładowany jon wodoro-węglanowy)

Jedynie niedawno zdestylowana woda ma wartość pH około 7, ale pod wpływem rozpuszczanego dwutlenku węgla osiąga ona lekko kwaśne pH w przeciągu kilku godzin. Dodatkowo, warto wspomnieć, że pH wody ultra czystej jest trudne do pomiaru. Wynika to z faktu, że woda ta szybko wyłapuje zanieczyszczenia, np. takie jak CO2, co wpływa na zmianę pH; ale również ma on niską przewodność, co może wpływać na dokładność pomiaru pH. Na przykład, absorpcja tylko kilku ppm dwutlenku węgla może spowodować spadek pH ultra czystej wody do 4.5, chociaż woda ta ma nadal wysoka jakość.

Najbardziej dokładny pomiar pH wody ultra czystej jest osiągany poprzez mierzenie jej oporności. Dla danej oporności, wartość pH musi się mieścić w pewnym zakresie. Na przykład, jeśli oporność wody wynosi 10.0 MWcm, pH musi być pomiędzy wartościami 6.6 i 7.6. Zależność pomiędzy opornością a wartością pH wody o wysokiej czystości jest przedstawione na wykresie poniżej [2].

Oporność elektryczna versus pH wody dejonizowanej [2]

 

Rodzaj cieczy pH
Mleko 6.5
Woda destylowana 5.8
Piwo 4.0-5.0
Kawa 2.5-3.5
Sok pomarańczowy 3.5
Napoje gazowane 2.0-4.0
Coca Cola 2.5
Wino 2.3-3.8
(kwas żołądkowy) 1.0-2.0
(kwas baterii) 1.0

W porównaniu z innymi typami cieczy woda dejonizowana ma wyraźnie lekko kwaśny odczyn (pH).

Zgodnie z Merck Manual ludzkie ciało używa substancji buforujących, aby zrównoważyć pH. Jeśli człowiek skonsumuje coś kwaśnego, więcej wodorowęglanów a mniej dwutlenku węgla jest produkowanych we krwi w celu zneutralizowania kwaśnego odczynu. I odwrotnie, więcej dwutlenku węgla a mniej wodorowęglanów jest produkowanych we krwi jeśli substancja zasadowa jest spożywana. A wiec spożywanie wody destylowanej, nie spowoduje kwaśnego odczynu w ludzkim ciele.

Źródło:
[1] F. N. Kemmer; The Nalco water handbook; 2. Edition; 1988
[2] www.purite.com
[3] Degremont; Water treatment handbook; sixth edition; 1991
[4] Osmonics Pure Water Handbook; 2. Edition; 1997

Więcej terminologii możesz sprawdzić w naszym Słowniku na temat wody lub w przeglądzie FAQ o wodzie

Jeśli znasz jakieś inne interesujące lub nowe książki, publikacje, raporty lub artykuły dotyczące wody dejonizowanej lub demineralizowanej, daj nam znać żebyśmy mogli uwzględnić więcej interesujących faktów na naszej stronie dotyczącej tego tematu.







Lenntech BV

Rotterdamseweg 402 M
2629 HH Delft
The Netherlands

tel: +31 15 27 55 709

fax: +31 15 261 62 89

e-mail: info@lenntech.com











Bookmark and Share