Очищенная вода — это вода , которая была механически отфильтрована или обработана для удаления примесей и сделана пригодной для использования. Дистиллированная вода была, ранее, наиболее распространенной формой очищенной воды, но, в последние годы, вода все чаще очищается другими процессами, включая емкостную деионизацию , обратный осмос , угольную фильтрацию , микрофильтрацию , ультрафильтрацию , ультрафиолетовое окисление или электродеионизацию . Сочетания ряда этих процессов стали использоваться для получения сверхчистой воды такой высокой чистоты, что ее следовые загрязняющие вещества измеряются в частях на миллиард (ppb) или частях на триллион (ppt).
Очищенная вода имеет множество применений, в основном в производстве лекарств, в научных и инженерных лабораториях и отраслях промышленности, и производится в диапазоне чистоты. Она также используется в коммерческой индустрии напитков в качестве основного ингредиента любой формулы розлива под торговой маркой, чтобы поддерживать постоянство продукта. Ее можно производить на месте для немедленного использования или покупать в контейнерах. Очищенная вода в разговорном английском может также относиться к воде, которая была обработана («сделана пригодной для питья») для нейтрализации, но не обязательно удаления загрязняющих веществ, которые считаются вредными для людей или животных.
Очищенная вода обычно получается путем очистки питьевой воды или грунтовых вод . Примеси, которые может потребоваться удалить, следующие:
Дистиллированная вода производится путем дистилляции . [ 1] Дистилляция включает кипячение воды и последующую конденсацию пара в чистую емкость, оставляя твердые загрязняющие вещества. Дистилляция дает очень чистую воду. [2] В дистилляционном аппарате остается белая или желтоватая минеральная накипь, которая требует регулярной очистки. Дистиллированная вода, как и вся очищенная вода, должна храниться в стерилизованной емкости, чтобы гарантировать отсутствие бактерий. Для многих процедур доступны более экономичные альтернативы, такие как деионизированная вода, и они используются вместо дистиллированной воды.
Двойная дистиллированная вода (сокращенно «ddH 2 O», «Bidest. water» или «DDW») готовится путем медленного кипячения незагрязненного конденсированного водяного пара из предшествующего медленного кипения. Исторически это был фактический стандарт для высокоочищенной лабораторной воды для биохимии и использовался в лабораторном анализе следов, пока комбинированные методы очистки воды не стали широко распространенными. [ необходима 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 обменивают ионы водорода и гидроксида на растворенные минералы, а затем рекомбинируют, образуя воду. Поскольку большинство нечастичных примесей в воде представляют собой растворенные соли, деионизация производит очень чистую воду, которая в целом похожа на дистиллированную воду, с тем преимуществом, что процесс происходит быстрее и не образует накипи.
Однако деионизация не удаляет значительно незаряженные органические молекулы, вирусы или бактерии, за исключением случайного захвата смолой. Специально изготовленные сильноосновные анионные смолы могут удалять грамотрицательные бактерии. Деионизация может осуществляться непрерывно и недорого с помощью электродеионизации .
Существует три типа деионизации: прямоточная, противоточная и смешанная.
Прямоточная деионизация относится к исходному процессу нисходящего потока, где и входная вода, и регенерационные химикаты поступают в верхнюю часть ионообменной колонны и выходят в нижней части. Эксплуатационные расходы при прямоточной деионизации сравнительно выше, чем при противоточной деионизации из-за дополнительного использования регенерирующих веществ. Поскольку регенерирующие химикаты разбавляются, когда они сталкиваются с нижними или финишными смолами в ионообменной колонне, качество продукта ниже, чем в противоточной колонне аналогичного размера.
Этот процесс используется до сих пор и может быть максимизирован за счет точной настройки потока регенерирующих растворов в ионообменной колонне.
Противоточная деионизация существует в двух формах, каждая из которых требует специальных внутренних устройств:
В обоих случаях необходимо настроить отдельные распределительные коллекторы (входная вода, входной регенерационный раствор, выходная вода и выходной регенерационный раствор) на: качество и расход входной воды, время работы между регенерациями и желаемый анализ получаемой воды.
Противоточная деионизация является более привлекательным методом ионного обмена. Химикаты (регенеранты) текут в направлении, противоположном потоку обслуживания. Требуется меньше времени на регенерацию по сравнению с прямоточными колоннами. Качество готового продукта может быть всего 0,5 частей на миллион. Главным преимуществом противоточной деионизации является низкая стоимость эксплуатации из-за низкого использования регенерантов в процессе регенерации.
Смешанная деионизация представляет собой смесь 40/60 катионной и анионной смолы, объединенных в одной ионообменной колонне. При надлежащей предварительной обработке очищенная вода, полученная за один проход через смешанную ионообменную колонну, является самой чистой, какую можно получить. Чаще всего деминерализаторы смешанного слоя используются для окончательной очистки воды, чтобы очистить последние несколько ионов в воде перед использованием. Небольшие установки деионизации смешанного слоя не имеют возможности регенерации. Коммерческие установки деионизации смешанного слоя имеют сложные внутренние системы распределения воды и регенерирующего средства для регенерации. Система управления управляет насосами и клапанами для регенерирующих средств отработанных анионных и катионных смол в ионообменной колонне. Каждый из них регенерируется отдельно, затем повторно смешивается в процессе регенерации. Из-за высокого качества получаемой воды, а также из-за затрат и сложности регенерации деминерализаторы смешанного слоя используются только тогда, когда требуется вода наивысшей чистоты.
Умягчение заключается в предотвращении возможного осаждения труднорастворимых минералов из природной воды из-за изменений физико-химических условий (таких как pCO 2 , pH и E h ). Оно применяется, когда труднорастворимые ионы, присутствующие в воде, могут выпадать в осадок в виде нерастворимых солей (например, CaCO
3, CaSO
4...), или взаимодействовать с химическим процессом. Вода «смягчается» путем обмена плохо растворимых двухвалентных катионов (в основном Ca2+
, Мг2+
и Fe2+
) с растворимым Na+
катион. Умягченная вода, таким образом, имеет более высокую электропроводность , чем деионизированная вода. Умягченная вода не может считаться по-настоящему деминерализованной водой, но она больше не содержит катионов, ответственных за жесткость воды и вызывающих образование накипи , твердого мелового осадка, в основном состоящего из CaCO3 , который накапливается внутри чайников , водогрейных котлов и трубопроводов .
В строгом смысле термин деминерализация должен подразумевать удаление всех растворенных минеральных видов из воды. Таким образом, удаляются не только растворенные соли, полученные простой деионизацией, но и нейтральные растворенные виды, такие как растворенные гидроксиды железа ( Fe(OH)
3) или растворенный кремний ( Si(OH)
4), два растворенных вещества, часто присутствующих в воде. Таким образом, деминерализованная вода имеет ту же электропроводность, что и деионизированная вода, но она чище, поскольку не содержит неионизированных веществ, т. е. нейтральных растворенных веществ. Однако деминерализованная вода часто используется взаимозаменяемо с деионизированной водой и может также путаться с умягченной водой, в зависимости от точного используемого определения: удаление только катионов, подверженных осаждению в виде нерастворимых минералов (отсюда «деминерализация»), или удаление всех «минеральных видов», присутствующих в воде, и, таким образом, не только растворенных ионов, но и нейтральных видов растворенных веществ. Таким образом, термин «деминерализованная вода» является неопределенным, и для большей ясности вместо него часто следует предпочесть термин «деионизированная вода» или «умягченная вода».
Для очистки воды также используются другие процессы, включая обратный осмос , угольную фильтрацию , микропористую фильтрацию, ультрафильтрацию , ультрафиолетовое окисление или электродиализ . Они используются вместо или в дополнение к процессам, перечисленным выше. Процессы, делающие воду питьевой, но не обязательно 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 относительно 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 загрязняющие вещества, 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 воды измеряется в сименсах на метр (См/м). Проводимость морской воды обычно составляет 5 См/м, [5] питьевой воды обычно находится в диапазоне 5-50 мСм/м, в то время как высокоочищенная вода может быть всего лишь 5,5 мкСм/м (0,055 мкСм/см), соотношение примерно 1 000 000:1 000:1.
Очищенная вода используется в фармацевтической промышленности. Вода такого качества широко используется в качестве сырья, ингредиента и растворителя при обработке, разработке и производстве фармацевтических продуктов, активных фармацевтических ингредиентов (АФИ) и промежуточных продуктов, фармакопейных статей и аналитических реагентов. Микробиологическое содержание воды имеет важное значение, и воду необходимо регулярно контролировать и тестировать, чтобы показать, что она остается под микробиологическим контролем. [6]
Очищенная вода также используется в коммерческой индустрии напитков в качестве основного ингредиента любой формулы розлива под торговой маркой, чтобы поддерживать критическую последовательность вкуса, прозрачности и цвета. Это гарантирует потребителю надежное безопасное и удовлетворяющее питье. В процессе перед наполнением и укупоркой отдельные бутылки всегда ополаскиваются деионизированной водой для удаления любых частиц, которые могут вызвать изменение вкуса.
Деионизированная и дистиллированная вода используется в свинцово-кислотных аккумуляторах для предотвращения эрозии ячеек, хотя деионизированная вода является лучшим выбором, поскольку в процессе ее создания из воды удаляется больше примесей. [7]
Технические стандарты качества воды были установлены рядом профессиональных организаций, включая Американское химическое общество (ACS), ASTM International , Национальный комитет США по клиническим лабораторным стандартам (NCCLS), который сейчас называется CLSI , и Фармакопея США (USP) . ASTM, NCCLS и ISO 3696 или Международная организация по стандартизации классифицируют очищенную воду на классы 1–3 или типы I–IV в зависимости от уровня чистоты. Эти организации имеют схожие, хотя и не идентичные, параметры для высокоочищенной воды.
Обратите внимание, что Европейская Фармакопея использует термин «высокоочищенная вода» (HPW) в качестве определения для воды, соответствующей качеству «воды для инъекций», но не прошедшей дистилляцию. В лабораторном контексте термин «высокоочищенная вода» используется для обозначения различных качеств воды, прошедших «высокую» очистку.
Независимо от того, какой стандарт качества воды используется организацией, даже вода типа I может потребовать дополнительной очистки в зависимости от конкретного лабораторного применения. Например, вода, используемая для молекулярно-биологических экспериментов, должна быть свободна от ДНКазы или РНКазы , что требует специальной дополнительной обработки или функционального тестирования. Вода для микробиологических экспериментов должна быть полностью стерильной, что обычно достигается путем автоклавирования. Вода, используемая для анализа следовых металлов, может потребовать устранения следовых металлов до стандарта, превышающего стандарт для воды типа I.
Член комитета ASTM D19 (вода) Эрих Л. Гиббс раскритиковал стандарт ASTM D1193, заявив: «Вода типа I может быть практически любой — водой, которая соответствует некоторым или всем ограничениям, часть времени или все время, на одних и тех же или разных этапах производственного процесса». [9]
Полностью дегазированная сверхчистая вода имеет проводимость 1,2 × 10−4 См /м, тогда как при уравновешивании с атмосферой она составляет 7,5 × 10−5 См /м из-за растворенного в ней CO2. [ 10] Сверхчистую воду наивысшего качества не следует хранить в стеклянных или пластиковых контейнерах, поскольку эти материалы контейнеров выщелачивают (выделяют) загрязняющие вещества в очень низких концентрациях. Сосуды для хранения, изготовленные из кремния, используются для менее требовательных приложений, а сосуды из сверхчистого олова используются для приложений с наивысшей степенью чистоты. Стоит отметить, что, хотя электропроводность указывает только на присутствие ионов, большинство распространенных загрязняющих веществ, встречающихся в воде естественным образом, в некоторой степени ионизируются. Эта ионизация является хорошим показателем эффективности системы фильтрации, и более дорогие системы включают в себя основанные на проводимости сигналы тревоги, указывающие, когда фильтры следует обновить или заменить. Для сравнения, [11] морская вода имеет проводимость около 5 См/м (приведено значение 53 мСм/см), в то время как обычная неочищенная водопроводная вода может иметь проводимость 5 × 10−3 См /м (50 мкСм/см) (с точностью до порядка), что все еще примерно на 2 или 3 порядка выше, чем выход хорошо функционирующего деминерализующего или дистилляционного механизма, поэтому низкие уровни загрязнения или ухудшение производительности легко обнаруживаются. [ необходима ссылка ]
Некоторые промышленные процессы, особенно в полупроводниковой и фармацевтической промышленности, требуют больших объемов очень чистой воды. В таких ситуациях исходная вода сначала перерабатывается в очищенную воду, а затем подвергается дальнейшей обработке для получения сверхчистой воды .
Другой класс сверхчистой воды, используемой в фармацевтической промышленности, называется Вода для инъекций (WFI), обычно получаемая путем многократной дистилляции или процесса сжатого испарения [ проверьте написание ] деионизированной воды или деионизированной воды обратного осмоса. Она имеет более жесткие требования к бактериям, как 10 КОЕ на 100 мл, вместо 100 КОЕ на мл согласно USP.
Дистиллированная или деионизированная вода обычно используется для доливки свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых в автомобилях и грузовиках, а также для других целей. Наличие посторонних ионов, обычно встречающихся в водопроводной воде, резко сократит срок службы свинцово-кислотного аккумулятора.
Для использования в автомобильных системах охлаждения предпочтительнее использовать дистиллированную или деионизированную воду, а не водопроводную.
Использование деионизированной или дистиллированной воды в приборах, которые испаряют воду, таких как паровые утюги и увлажнители, может уменьшить образование минеральной накипи , которая сокращает срок службы прибора. Некоторые производители приборов утверждают, что деионизированная вода больше не нужна. [12] [13]
Очищенная вода используется в пресноводных и морских аквариумах . Поскольку она не содержит примесей, таких как медь и хлор, она помогает защитить рыб от болезней и предотвращает образование водорослей на аквариумных растениях из-за отсутствия фосфата и силиката. Деионизированную воду следует повторно минерализовать перед использованием в аквариумах, поскольку в ней отсутствуют многие макро- и микроэлементы, необходимые растениям и рыбам.
Вода (иногда смешанная с метанолом ) использовалась для увеличения производительности авиационных двигателей. В поршневых двигателях она действует, чтобы задержать начало детонации двигателя . В турбинных двигателях она обеспечивает больший поток топлива для заданного предела температуры турбины и увеличивает массовый расход. Например, она использовалась в ранних моделях Boeing 707. [14] Современные материалы и инженерия с тех пор сделали такие системы устаревшими для новых конструкций; однако распылительное охлаждение входящего воздушного заряда все еще используется в ограниченной степени с внедорожными турбированными двигателями (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 , которое является обязательным на этикетках продуктов в некоторых странах.
Благодаря своей высокой относительной диэлектрической проницаемости (~80) деионизированная вода также используется (в течение коротких промежутков времени, когда резистивные потери приемлемы) в качестве высоковольтного диэлектрика во многих импульсных силовых установках, 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. [ необходима цитата ]
При использовании в качестве ополаскивателя после мытья автомобилей, окон и других аналогичных целей очищенная вода высыхает, не оставляя пятен, вызванных растворенными веществами.
Деионизированная вода используется в системах пожаротушения водяным туманом, используемых в чувствительных средах, например, там, где используется высоковольтное электрическое и чувствительное электронное оборудование. Форсунки «спринклер» используют гораздо более тонкие струи распыления, чем другие системы, и работают при давлении до 35 МПа (350 бар; 5000 фунтов на кв. дюйм). Образующийся чрезвычайно мелкий туман быстро отводит тепло от огня, а мелкие капли воды непроводящие (при деионизации) и с меньшей вероятностью могут повредить чувствительное оборудование. Однако деионизированная вода по своей природе является кислотной, а загрязняющие вещества (такие как медь, пыль, нержавеющая и углеродистая сталь и многие другие распространенные материалы) быстро поставляют ионы, тем самым повторно ионизируя воду. Обычно не считается приемлемым распылять воду на электрические цепи, которые находятся под напряжением, и обычно считается нежелательным использовать воду в электрических контекстах. [15] [16] [17]
Дистиллированная или очищенная вода используется в хьюмидорах для предотвращения скопления бактерий , плесени и загрязнений на сигарах , а также для предотвращения образования осадка на материале увлажнителя .
Мойщики окон, использующие системы с водяными шестами, также используют очищенную воду, поскольку она позволяет окнам высохнуть самостоятельно, не оставляя пятен и разводов. Использование очищенной воды из водяных шестов также исключает необходимость использования лестниц и, следовательно, обеспечивает соблюдение Законодательства о работе на высоте в Великобритании.
Дистилляция удаляет все минералы из воды, а мембранные методы обратного осмоса и нанофильтрации удаляют большинство или практически все минералы. В результате получается деминерализованная вода, которая, как не 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 этом снижается концентрация калия в сыворотке. Магний, кальций и другие питательные вещества в воде могут помочь защитить от дефицита питательных веществ. Рекомендации по магнию были установлены на уровне минимум 10 мг/л с оптимумом 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 рекомендуемая концентрация для здоровья зубов составляет 0,5–1,0 мг/л, при этом максимальное рекомендуемое значение составляет 1,5 мг/л для предотвращения флюороза зубов . [18]
Муниципальные водопроводы часто добавляют или имеют следовые примеси в уровнях, которые регулируются, чтобы быть безопасными для потребления. Многие из этих дополнительных примесей, таких как летучие органические соединения , фторид и, по оценкам, более 75 000 других химических соединений [19] [20] [21], не удаляются с помощью обычной фильтрации; однако дистилляция и обратный осмос устраняют почти все эти примеси.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )