Acqua deionizzata/demineralizzata

Acqua distillata, deionizzata e demineralizzata e misure di purezza

E' piuttosto difficile trovare delle definizioni chiare e degli standard per acqua distillata, demineralizzata e acqua deionizzata. Probabilmente il modo piu' facile per familiarizzare con il tema della produzione di acqua (ultra)pura e' iniziare con il metodo piu' antico e meglio conosciuto: la distillazione.
L'acqua distillata è acqua che è stata fatta bollire in un apparecchio denominato "still" e quindi ricondensata in un'unità di raffreddamento ("condensatore") per restituirle lo stato liquido. La distillazione è usata per purificare l'acqua. Gli agenti inquinanti dissolti come i sali sono lasciati nel contenitore d'ebollizione mentre il vapore acqueo fuoriesce. Potrebbe non funzionare se gli agenti inquinanti fossero volatili perche' anch'essi bollirebbero e ricondenserebbero, producendo degli alcool dissolti. Alcuni still molto eleganti possono condensare selettivamente (liquefare) l'acqua da altre sostanze volatili, ma la maggior parte dei processi di distillazione permettono il trasporto di almeno alcune sostanze volatili e di pochissimo materiale non volatile, che viene trasportato nella corrente di vapore acqueo, come bolle che scoppiano alla superficie dell'acqua in ebollizione. La purezza massima per tali still è solitamente 1,0 MWcm e poiché non vi è protezione dall'anidride carbonica (CO2) che si dissolve nel distillato, il pH è generalmente 4.5-5.0. Inoltre bisogna fare attenzione a non ricontaminare l'acqua dopo averla distillata.
Deionisation: Processo che utilizza resine a scambio ionico appositamente elaborate per la rimozione di sali ionizzati dall'acqua. Puo' rimuovere teoricamente il 100% dei sali. La deionizzazione non rimuove tipicamente i prodotti organici, il virus o i batteri, tranne con l'intrappolamento "accidentale" nella resina e o attraverso resine speciali ad alta base anionica che rimuovono i batteri gram-negativi. [4]

Demineralisation: Ogni processo usato per rimuovere i minerali dall'acqua. Tuttavia il termine si limita comunemente ad indicare processi di scambio ionico. [1]

Acqua ultra pura: acqua altamente trattata ad alta resistività e priva di organici; usata solitamente nei semiconduttori e nelle industrie farmaceutiche [4]

La deionizzazione richiede la rimozione delle sostanze dissolte (ionizzate) elettricamente caricate: esse si legano in zone positivamente o negativamente caricate a una resina mentre l'acqua attraversa una colonna riempita di questa resina. Questo processo è denominato scambio ionico e può essere usato in modi differenti per produrre acqua deionizzata di varie qualità.
  • Sistemi a resina cationica altamente acida + anionica altamente basica
    Questi sistemi consistono in due vasi - uno contenente una resina a scambio cationico nella forma dell'idrogeno (H+) e l'altro contenente una resina anionica nella forma dell'idrossile (OH-) (vedi l'immagine qui sotto). L'acqua attraversa la colonna cationica, al che tutti i cationi sono scambiati con gli ioni idrogeno. L'acqua decationizzata quindi attraversa la colonna anionica. Questa volta, tutti gli ioni negativamente caricati sono scambiati con gli ioni dell'idrossido, che quindi si uniscono con gli ioni idrogeno per formare l'acqua (H2O). [2]
    Questi sistemi rimuovono tutti gli ioni, compreso il silice. Nella maggior parte dei casi è consigliabile ridurre il flusso degli ioni passati allo scambiatore di anioni installando un'unità di rimozione del CO2 fra i vasi di scambio ionico. Ciò riduce il contenuto di CO2 ad alcuni mg/l e determina una riduzione del successivo volume di resina anionica altamente basica e dell'impiego dell'agente rigenerante. In generale il sistema a resina a catione altamente acido e anione altamente basico è la disposizione più semplice e grazie ad esso si puo' ottenere un'acqua deionizzata che può essere usata in un'ampia varietà di applicazioni. [3]

  • Sistemi a resine a catione altamente acido + anione debolmente basico + anione altamente basico
    Questa combinazione è una variazione di quella precedente. Fornisce la stessa qualità di acqua deionizzata, mentre offre vantaggi economici quando viene trattata acqua contenente alti carichi di anioni forti (cloruri e solfati). Il sottotitolo indica che il sistema è dotato di uno scambiatore di anioni debolmente basico supplementare prima dello scambiatore di anioni altamente basico finale. L'unità facoltativa di rimozione del CO2 può essere installata dopo lo scambiatore cationico, o fra i due scambiatori anionici (vedi l'immagine qui sotto). La rigenerazione degli scambiatori di anioni avviene con la soluzione di soda caustica (NaOH) prima passando attraverso la resina altamente basica e quindi attraverso la resina debolmente basica. Questo metodo richiede meno soda caustica che il metodo descritto prima, perché la resante soluzione rigenerativa dopo lo scambiatore di anioni altamente basico e' solitamente sufficiente per rigenerare completamente la resina debolmente basica. Inoltre, quando l'acqua non depurata contiene una proporzione elevata di materiale organico, la resina debolmente basica protegge la resina altamente acida. [3]

  • Deionizzazione a letto misto
    Nei deionizzatori a letto misto le resine di scambio anionico e di scambio cationico sono intimamente mescolate e contenute in un singolo contenitore a pressione. Le due resine sono mescolate attraverso agitazione con aria compressa, di modo che l'intero strato può essere visto come un numero infinito di anioni e di scambiatori cationici in serie (resina a letto misto). [2,3]

    Per effettuare la rigenerazione, le due resine sono separate idraulicamente durante la fase d'allentamento. Poichè la resina dell'anione è più leggera della resina del catione essa sale verso l'altro, mentre la resina del catione scende verso il basso. Dopo la fase di separazione la rigenerazione e' effettuata con soda caustica e un acido forte. Tutto il rigenerante eccedente è rimosso risciacquando separatamente ogni strato.
    I vantaggi dei sistemi a strato misto sono i seguenti:

    - l'acqua ottenuta è di elevata purezza e la sua qualità rimane costante durante il ciclo,
    - il pH e' quasi neutrale,
    - i requisiti dell'acqua impiegata nella fase di risciacquatura sono molto bassi

    Gli svantaggi dei sistemi a strato misto sono una capacita' di scambio più bassa e un processo di utilizzazione più complicato, a causa della separazione e delle fasi di rimescolamento che devono essere effettuate. [3]
A fianco dei sistemi a scambio ionico l'acqua deionizzata può essere prodotta con impianti di osmosi inversa. L'osmosi inversa è la filtrazione più fine conosciuta. Questo processo permetterà la rimozione di particelle piccole come ioni da una soluzione. L'osmosi inversa è usata per purificare l'acqua: rimuovere i sali ed altre impurità e migliorare il colore, il gusto o le proprietà del liquido. L'osmosi inversa è ingrado di eliminare batteri, sali, zuccheri, proteine, particelle, coloranti e altri costituenti che hanno un peso molecolare più alto di di 150-250 Dalton. Il RO può soddisfare la maggior parte degli standard dell'acqua con un sistema a passaggio singolo ed gli standard piu' alti con un sistema a passaggio doppio. Questo processo raggiunge una rimozione del 99,9+% di virus, batteri e pirogeni. Una pressione nella gamma di 50 - 1000 psig (da 3,4 a 69 bar) è la forza di azionamento del processo di depurazione a RO. Ha un rendimento molto piu' elevato se confrontato con processi a cambiamento di fase (distillazione) ed e' più efficiente dei forti prodotti chimici richiesti per la rigenerazione a scambio ionico. La separazione degli ioni con osmosi inversa è favorita dalle particelle caricate. Ciò significa che gli ioni dissolti che trasportano carica, quali i sali, hanno maggiori possibilita' di essere rifiutati dalla membrana rispetto a quelli che non sono caricati, quali i prodotti organici. Più grande e' la carica e più grande la particella, più probabilmente sarà rifiutata. [4]

Misurazione della purezza

La purezza dell'acqua può essere misurata in vari modi. Si può tentare di determinare il peso di tutto il materiale dissolto ("soluto"); ciò è piu' facile per i solidi dissolti, a differenza che per i liquidi o i gas dissolti. Oltre che pesare effettivamente le impurità, si può valutare il loro livello dal grado in cui aumentano il punto di ebollizione o abbassano il punto di congelazione dell'acqua. L'indice di rifrazione (una misura di come la onde di luce attraversano i materiali trasparenti) inoltre è influenzato dalla presenza di soluti in acqua. Alternativamente, la purezza dell'acqua può essere valutata rapidamente in base a conduttività elettrica o a resistenza -- l'acqua molto pura conduce male l'elettricità, quindi la sua resistivita' è alta.

[2]

Valore del pH

L'acqua pura è per definizione leggermente acida e si attesta a valori di pH intorno a 5.8. Il motivo è che l'acqua distillata dissolve l'anidride carbonica presente nell'aria, fino a che non e' in equilibrio dinamico con l'atmosfera. Questo significa che la quantita' dissolta bilancia la quantita' che esce dalla soluzione. La quantità totale di CO2 nell'acqua è determinata dalla concentrazione nell'atmosfera. L'anidride carbonica dissolta reagisce con l'acqua per formare alla fine l'acido carbonico.

2 H2O + CO2 --> H2O + H2CO3 (acido carbonico) --> (H30+) (acqua acidificata carica) + (HCO3-) (ione bicerbonato carico)

Soltanto recentemente e' stata prodotta acqua distillata con un valore di pH di circa 7 ma, affetta dalla presenza di anidride carbonica, raggiungerà un valore di pH leggermente acido in un paio d'ore. In aggiunta, è importante dire che il pH dell'acqua ultra-pura è difficile da misurare. L'acqua di grande purezza non soltanto seleziona velocemente gli agenti inquinanti - come l'anidride carbonica (CO2) - che agisce sul suo pH, ma ha inoltre una conducibilità bassa che può alterare l'esattezza della scala di pH. Per esempio, l'assorbimento di solo alcune ppm di CO2 può causare la discesa del pH dell' acqua ultra pura a 4.5, anche se l'acqua è ancora di qualità essenzialmente alta.

Una valutazione più accurata del pH dell'acqua ultra pura è ottenuta misurando la sua resistivita'; per una data resistivita', il pH deve trovarsi fra determinati limiti. Per esempio, se la resistivita' è 10.0 MWcm, il pH deve trovarsi fra 6.6 e 7.6. Il rapporto fra la resistivita' ed il pH dell'acqua ad elevata purezza è indicato nella la figura qui sotto. [2]

Electrical resistivity versus pH of deionised water [2]

 

Bevande pH
Latte 6.5
Acqua distillata 5.8
Birra 4.0-5.0
Caffe' 2.5-3.5
Aranciata 3.5
Bevanda leggera 2.0-4.0
Coca Cola 2.5
Vino 2.3-3.8
(Acido dello stomaco) 1.0-2.0
(Acido della batteria) 1.0
Se confrontata con alcune bevande l'acqua deionizzata ha un valore di pH leggermente acido.

Secondo il manuale del Merck il corpo umano usa delle riserve per equilibrare il pH. Se una persona consuma qualche cosa di acido, il sangue produrrà più bicarbonato e meno anidride carbonica per neutralizzare l'acidità. Inoltre il sangue produrrà più anidride carbonica e meno bicarbonato se viene consumata una sostanza alcalina. L'acqua distillata che viene bevuta non mette quindi un corpo umano in una condizione di acidita'.

 

Fonti:
[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

Per la terminologia riguardante l'acqua visita il Water Glossario dell'Acqua o la sezione FAQ-acqua

Se conosci altri interessanti o piu' recenti libri, relazioni, articoli o pubblicazioni riguardanti acqua deionizzata e demineralizzata, faccelo sapere, in modo che possiamo includere ulteriori dati nel testo sopra riportato.







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