Очищенная вода – это вода , прошедшая механическую фильтрацию или обработку для удаления примесей и придания ей пригодности для использования. Дистиллированная вода раньше была наиболее распространенной формой очищенной воды, но в последние годы воду чаще очищают с помощью других процессов, включая емкостную деионизацию , обратный осмос , угольную фильтрацию , микрофильтрацию , ультрафильтрацию , ультрафиолетовое окисление или электродеионизацию . Комбинации ряда этих процессов стали использоваться для производства сверхчистой воды такой высокой чистоты, что ее следы примесей измеряются в частях на миллиард (ppb) или частях на триллион (ppt).
Очищенная вода имеет множество применений, в основном при производстве лекарств, в научных и инженерных лабораториях и промышленности, и производится с различной степенью чистоты. Он также используется в индустрии коммерческих напитков в качестве основного ингредиента любой формулы розлива под торговой маркой, чтобы поддерживать консистенцию продукта. Его можно произвести на месте для немедленного использования или приобрести в контейнерах. Очищенная вода в разговорном английском языке может также относиться к воде, которая была обработана («сделана питьевой») для нейтрализации, но не обязательно удаления загрязнений, которые считаются вредными для людей или животных.
Очищенную воду обычно получают путем очистки питьевой воды или грунтовых вод . Примеси, которые, возможно, потребуется удалить:
Дистиллированную воду получают методом дистилляции . [1] Дистилляция включает кипячение воды и последующую конденсацию пара в чистый контейнер, оставляя после себя твердые загрязнения. Дистилляция дает очень чистую воду. [2] В перегонном аппарате остается белая или желтоватая минеральная накипь, которую необходимо регулярно очищать. Дистиллированную воду, как и любую очищенную воду, необходимо хранить в стерилизованной таре, чтобы гарантировать отсутствие бактерий. Для многих процедур доступны более экономичные альтернативы, такие как деионизированная вода, которые используются вместо дистиллированной воды.
Бидистиллированную воду (сокращенно «ddH 2 O», «Бидест. вода» или «DDW») готовят путем медленного кипячения незагрязненного сконденсировавшегося водяного пара от предварительного медленного кипячения. Исторически это был стандарт де-факто для высокоочищенной лабораторной воды для биохимии и использовался при лабораторном анализе следов до тех пор, пока не получили широкое распространение комбинированные методы очистки воды. [ нужна цитата ]
Деионизированная вода ( DI вода , DIW или деионизированная вода ), часто синоним деминерализованной воды / DM воды , [4] — это вода , из которой удалены почти все минеральные ионы, такие как катионы , такие как натрий , кальций , железо и медь и анионы , такие как хлорид и сульфат . Деионизация — это химический процесс, в котором используются специально изготовленные ионообменные смолы , которые заменяют ионы водорода и гидроксида на растворенные минералы, а затем рекомбинируют с образованием воды. Поскольку большинство примесей воды, не являющихся твердыми частицами, представляют собой растворенные соли, в результате деионизации получается очень чистая вода, которая в целом аналогична дистиллированной воде, с тем преимуществом, что этот процесс происходит быстрее и не образует накипи.
Однако деионизация не удаляет в значительной степени незаряженные органические молекулы, вирусы или бактерии, за исключением случайного захвата смолой. Специально изготовленные сильноосновные анионные смолы способны удалять грамотрицательные бактерии. Деионизацию можно проводить непрерывно и недорого с помощью электродеионизации .
Существует три типа деионизации: прямоточная, противоточная и смешанная.
Прямоточная деионизация относится к первоначальному процессу нисходящего потока, при котором и входная вода, и регенерирующие химикаты поступают в верхнюю часть ионообменной колонны и выходят в нижнюю часть. Эксплуатационные затраты на прямоточную деионизацию сравнительно выше, чем на противоточную деионизацию, из-за дополнительного использования регенерантов. Поскольку регенерирующие химикаты разбавляются, когда они сталкиваются с нижней или отделочной смолой в ионообменной колонне, качество продукта ниже, чем в противоточной колонне аналогичного размера.
Этот процесс все еще используется, и его можно максимизировать за счет точной настройки потока регенерантов внутри ионообменной колонны.
Противоточная деионизация существует в двух формах, каждая из которых требует специальных внутренних устройств:
В обоих случаях отдельные распределительные коллекторы (входная вода, входной регенерант, выходная вода и выходной регенерант) должны быть настроены на: качество и расход входной воды, время работы между регенерациями и желаемый анализ полученной воды.
Противоточная деионизация является более привлекательным методом ионного обмена. Химические вещества (регенеранты) текут в направлении, противоположном технологическому потоку. Для регенерации требуется меньше времени по сравнению с прямоточными колонками. Качество готового продукта может составлять всего 0,5 частей на миллион. Основным преимуществом противоточной деионизации являются низкие эксплуатационные расходы из-за низкого использования регенерантов в процессе регенерации.
Деионизация смешанного слоя представляет собой смесь катиона и анионитовой смолы в соотношении 40/60, объединенную в одной ионообменной колонке. При правильной предварительной очистке продуктивная вода, очищенная за один проход через ионообменную колонку со смешанным слоем, является самой чистой из возможных. Чаще всего деминерализаторы смешанного действия используются для окончательной очистки воды, чтобы очистить воду от последних нескольких ионов перед ее использованием. Небольшие установки деионизации смешанного слоя не имеют возможности регенерации. Коммерческие установки деионизации смешанного слоя имеют сложные внутренние системы распределения воды и реагентов для регенерации. Система управления управляет насосами и клапанами регенераторов отработанных анионов и катионитов внутри ионообменной колонны. Каждый из них регенерируется отдельно, а затем повторно смешивается в процессе регенерации. Из-за высокого качества получаемой воды, а также из-за дороговизны и сложности регенерации деминерализаторы смешанного действия используются только тогда, когда требуется вода высочайшей чистоты.
Умягчение заключается в предотвращении возможного выпадения в осадок малорастворимых минералов из природной воды вследствие изменения, происходящего в физико-химических условиях (таких как pCO 2 , pH и E h ). Его применяют, когда плохо растворимые ионы, присутствующие в воде, могут осаждаться в виде нерастворимых солей (например, CaCO
3, CaSO
4...) или взаимодействовать с химическим процессом. Вода «умягчается» за счет обмена плохо растворимых двухвалентных катионов (в основном Ca2+
, мг2+
и Fe2+
) с растворимым Na+
катион. Поэтому умягченная вода имеет более высокую электропроводность , чем деионизированная вода. Умягченная вода не может считаться по-настоящему деминерализованной водой, поскольку она больше не содержит катионов, ответственных за жесткость воды и вызывающих образование известкового налета , твердого известкового налета, состоящего в основном из CaCO 3 , скапливающегося внутри чайников , водогрейных котлов и трубопроводов. .
В строгом смысле термин деминерализация должен подразумевать удаление из воды всех растворенных минеральных веществ. Таким образом, удаляются не только растворенные соли, полученные простой деионизацией, но и нейтральные растворенные вещества, такие как растворенные гидроксиды железа ( Fe(OH)).
3) или растворенный кремнезем ( Si(OH)
4), два растворенных вещества часто присутствуют в воде. Таким образом, деминерализованная вода имеет такую же электропроводность, как и деионизированная вода, но более чистая, поскольку не содержит неионизированных веществ, то есть нейтральных растворенных веществ. Однако деминерализованную воду часто используют как синоним деионизированной воды, а также ее можно спутать с умягченной водой, в зависимости от точного используемого определения: удаление только катионов, склонных к осаждению в виде нерастворимых минералов (отсюда «деминерализация»), или удаление всех «минеральные виды», присутствующие в воде, и, следовательно, не только растворенные ионы, но и нейтральные растворенные вещества. Таким образом, термин «деминерализованная вода» является расплывчатым, и для большей ясности вместо него часто следует отдавать предпочтение деионизированной воде или умягченной воде.
Для очистки воды также используются другие процессы, в том числе обратный осмос , угольная фильтрация , микропористая фильтрация, ультрафильтрация , ультрафиолетовое окисление или электродиализ . Они используются вместо или в дополнение к процессам, перечисленным выше. Процессы, делающие воду пригодной для питья, но не обязательно более близкой к чистой H 2 O/ гидроксид + ионы гидроксония , включают использование разбавленного гипохлорита натрия , озона , смешанных окислителей (электрокатализируемая H 2 O + NaCl) и йода ; См. обсуждение обработки питьевой воды в разделе «Влияние на здоровье» ниже.
Очищенная вода подходит для многих применений, включая автоклавы, наконечники, лабораторные испытания, лазерную резку и использование в автомобилях. Очистка удаляет загрязнения, которые могут мешать процессам или оставлять остатки при испарении. Хотя вода обычно считается хорошим электрическим проводником (например, бытовые электрические системы считаются особенно опасными для людей, если они могут контактировать с влажными поверхностями), чистая вода является плохим проводником. Проводимость морской воды обычно составляет 5 См/м, [5] питьевой воды обычно находится в диапазоне 5-50 мСм/м, тогда как проводимость высокоочищенной воды может составлять всего 5,5 мкСм/м (0,055 мкСм/см). , соотношение примерно 1 000 000:1000:1.
Очищенная вода используется в фармацевтической промышленности. Вода этого сорта широко используется в качестве сырья, ингредиента и растворителя при обработке, составлении и производстве фармацевтических продуктов, активных фармацевтических ингредиентов (API) и промежуточных продуктов, фармакопейных статей и аналитических реагентов. Микробиологический состав воды имеет важное значение, и воду необходимо регулярно контролировать и проверять, чтобы показать, что она остается под микробиологическим контролем. [6]
Очищенная вода также используется в индустрии коммерческих напитков в качестве основного ингредиента любой формулы розлива под торговой маркой, чтобы поддерживать критическую стабильность вкуса, прозрачности и цвета. Это гарантирует потребителю надежное и приятное питье. В процессе розлива и укупоривания отдельные бутылки всегда промываются деионизированной водой, чтобы удалить любые частицы, которые могут вызвать изменение вкуса.
Деионизированная и дистиллированная вода используется в свинцово-кислотных батареях для предотвращения эрозии элементов, хотя деионизированная вода является лучшим выбором, поскольку в процессе создания из воды удаляется больше примесей. [7]
Технические стандарты качества воды были установлены рядом профессиональных организаций, в том числе Американским химическим обществом (ACS), ASTM International , Национальным комитетом США по клиническим лабораторным стандартам (NCCLS), который сейчас называется CLSI , и Фармакопеей США (USP). . ASTM, NCCLS и ISO 3696 или Международная организация по стандартизации классифицируют очищенную воду по классам 1–3 или типам I–IV в зависимости от уровня чистоты. Эти организации имеют схожие, хотя и не идентичные параметры высокоочищенной воды.
Обратите внимание, что Европейская фармакопея использует высокоочищенную воду (HPW) в качестве определения воды, соответствующей качеству воды для инъекций, но не подвергнутой дистилляции. В лабораторном контексте высокоочищенная вода используется для обозначения воды различного качества, прошедшей «высокую» очистку.
Независимо от того, какой стандарт качества воды используется, даже вода I типа может потребовать дополнительной очистки в зависимости от конкретного лабораторного применения. Например, вода, используемая для молекулярно-биологических экспериментов, не должна содержать ДНКазы или РНКазы , что требует специальной дополнительной обработки или функционального тестирования. Вода для микробиологических экспериментов должна быть полностью стерильной, что обычно достигается автоклавированием. Вода, используемая для анализа следов металлов, может потребовать удаления следов металлов до уровня, превышающего стандарты для воды типа I.
* Требуется использование мембранного фильтра 0,2 мкм.
**Получено путем перегонки.
***Требуется использование мембранного фильтра 0,45 мкм.
Член комитета ASTM D19 (Вода) Эрих Л. Гиббс раскритиковал стандарт ASTM D1193, заявив: «Вода типа I может быть практически чем угодно – водой, которая соответствует некоторым или всем ограничениям, частично или всегда, при одни и те же или разные моменты производственного процесса». [9]
Полностью дегазированная сверхчистая вода имеет проводимость 1,2 х 10 -4 См/м, тогда как при уравновешивании с атмосферой она составляет 7,5 х 10 -5 См/м за счет растворенного в ней CO 2 . [10] Сверхчистую воду высочайшего качества не следует хранить в стеклянных или пластиковых контейнерах, поскольку эти материалы контейнеров выщелачивают (выделяют) загрязняющие вещества в очень низких концентрациях. Емкости для хранения из кремнезема используются для менее требовательных применений, а сосуды из сверхчистого олова используются для применений с наивысшей чистотой. Стоит отметить, что, хотя электропроводность указывает только на наличие ионов, большинство распространенных загрязнений, встречающихся в воде в природе, в той или иной степени ионизируются. Эта ионизация является хорошим показателем эффективности системы фильтрации, а более дорогие системы включают в себя сигнализацию на основе проводимости, указывающую, когда фильтры следует обновить или заменить. Для сравнения, [11] морская вода имеет проводимость около 5 См/м (указывается 53 мСм/см), тогда как обычная неочищенная водопроводная вода может иметь проводимость 5 × 10 -3 См/м (50 мкСм/см). (с точностью до порядка), что все же примерно на 2 или 3 порядка выше, чем производительность хорошо функционирующего механизма деминерализации или дистилляции, поэтому легко обнаружить низкие уровни загрязнения или снижение производительности. [ нужна цитата ]
Некоторые промышленные процессы, особенно в полупроводниковой и фармацевтической промышленности, требуют большого количества очень чистой воды. В таких ситуациях питательная вода сначала перерабатывается в очищенную воду, а затем подвергается дальнейшей обработке для получения сверхчистой воды .
Другой класс сверхчистой воды, используемой в фармацевтической промышленности, называется водой для инъекций (WFI), обычно получаемой путем многократной дистилляции или сжатого испарения [ проверьте написание ] деионизированной воды или воды обратного осмоса. У него более жесткие требования к бактериям: 10 КОЕ на 100 мл вместо 100 КОЕ на мл согласно USP.
Дистиллированная или деионизированная вода обычно используется для пополнения свинцово-кислотных аккумуляторов , используемых в легковых и грузовых автомобилях, а также для других целей. Присутствие посторонних ионов, обычно встречающихся в водопроводной воде, резко сокращает срок службы свинцово-кислотного аккумулятора.
Дистиллированная или деионизированная вода предпочтительнее водопроводной воды для использования в автомобильных системах охлаждения.
Использование деионизированной или дистиллированной воды в приборах, испаряющих воду, таких как паровые утюги и увлажнители воздуха, может уменьшить образование минерального налета , что сокращает срок службы прибора. Некоторые производители бытовой техники заявляют, что деионизированная вода больше не нужна. [12] [13]
Очищенная вода используется в пресноводных и морских аквариумах . Поскольку он не содержит примесей, таких как медь и хлор, он помогает защитить рыб от болезней и предотвращает образование водорослей на аквариумных растениях из-за отсутствия фосфатов и силикатов. Деионизированную воду следует повторно минерализовать перед использованием в аквариумах, поскольку в ней не хватает многих макро- и микроэлементов, необходимых растениям и рыбам.
Вода (иногда смешанная с метанолом ) использовалась для увеличения производительности авиационных двигателей. В поршневых двигателях он замедляет возникновение детонации . В газотурбинных двигателях это позволяет увеличить расход топлива при заданном пределе температуры турбины и увеличивает массовый расход. Например, он использовался на ранних моделях Boeing 707 . [14] Современные материалы и технологии с тех пор сделали такие системы устаревшими для новых разработок; однако распылительное охлаждение входящего воздушного заряда по-прежнему используется в ограниченной степени во внедорожных двигателях с турбонаддувом (гоночные автомобили).
Деионизированная вода очень часто используется в качестве ингредиента во многих косметических и фармацевтических препаратах. «Аква» — это стандартное название воды в стандарте Международной номенклатуры косметических ингредиентов , который является обязательным на этикетках продуктов в некоторых странах.
Из-за своей высокой относительной диэлектрической проницаемости (~ 80) деионизированная вода также используется (на короткое время, когда резистивные потери приемлемы) в качестве диэлектрика высокого напряжения во многих устройствах с импульсной энергией , таких как Z-машина Sandia National Laboratories .
Дистиллированную воду можно использовать в системах водяного охлаждения ПК и системах лазерной маркировки. Отсутствие примесей в воде означает, что система остается чистой и предотвращает накопление бактерий и водорослей. Кроме того, низкая проводимость снижает риск электрического повреждения в случае утечки. Однако известно, что деионизированная вода вызывает трещины в латунных и медных фитингах. [ нужна цитата ]
При использовании в качестве ополаскивателя после мытья автомобилей, окон и т.п. очищенная вода высыхает, не оставляя пятен, вызванных растворенными растворенными веществами.
Деионизированная вода используется в системах пожаротушения водяным туманом, используемых в чувствительных средах, например, там, где используется высоковольтное электрическое и чувствительное электронное оборудование. В спринклерных форсунках используются гораздо более тонкие струи, чем в других системах, и они работают при давлении до 35 МПа (350 бар; 5000 фунтов на квадратный дюйм). Создаваемый чрезвычайно мелкий туман быстро отводит тепло от огня, а мелкие капли воды не проводят ток (при деионизации) и с меньшей вероятностью повредят чувствительное оборудование. Однако деионизированная вода по своей природе является кислой, и загрязняющие вещества (такие как медь, пыль, нержавеющая и углеродистая сталь и многие другие распространенные материалы) быстро поставляют ионы, тем самым повторно ионизируя воду. Обычно считается неприемлемым распылять воду на электрические цепи, находящиеся под напряжением, и обычно считается нежелательным использовать воду в электрических целях. [15] [16] [17]
Дистиллированная или очищенная вода используется в хьюмидорах для предотвращения скопления в сигарах бактерий , плесени и загрязнений, а также для предотвращения образования остатков на материале увлажнителя .
Мойщики окон, использующие системы стоек с подачей воды, также используют очищенную воду, поскольку она позволяет окнам высыхать самостоятельно, не оставляя пятен и разводов. Использование очищенной воды из опор с подачей воды также исключает необходимость использования лестниц и, следовательно, обеспечивает соблюдение законодательства Великобритании о работе на высоте.
Дистилляция удаляет из воды все минералы, а мембранные методы обратного осмоса и нанофильтрации удаляют большую часть или практически все минералы. В результате получается деминерализованная вода, которая, как доказано, полезнее питьевой воды . Всемирная организация здравоохранения исследовала влияние деминерализованной воды на здоровье в 1980 году и обнаружила, что деминерализованная вода увеличивает диурез и выведение электролитов при снижении концентрации калия в сыворотке. Магний, кальций и другие питательные вещества в воде могут помочь защитить от дефицита питательных веществ. Рекомендации по магнию составляют минимум 10 мг/л и оптимальный уровень 20–30 мг/л; для кальция минимум 20 мг/л и оптимум 40–80 мг/л, а общая жесткость воды (с добавлением магния и кальция) 2–4 ммоль/л . Для фторида концентрация, рекомендуемая для здоровья зубов, составляет 0,5–1,0 мг/л, при этом максимальное рекомендуемое значение составляет 1,5 мг/л, чтобы избежать флюороза зубов . [18]
Муниципальное водоснабжение часто содержит примеси или следы примесей в количествах, которые регулируются как безопасные для потребления. Большая часть этих дополнительных примесей, таких как летучие органические соединения , фторид и, по оценкам, более 75 000 других химических соединений [19] [20] [21] не удаляются посредством обычной фильтрации; однако дистилляция и обратный осмос удаляют почти все эти примеси.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )