Введение
Вода, обработанная для удаления всех примесей.
Очищенная вода – это вода, которая подверглась механической фильтрации или обработке для удаления примесей и придания ей пригодности для использования. Ранее дистиллированная вода была наиболее распространенной формой очищенной воды, но в последние годы воду все чаще очищают другими методами, включая емкостную деионизацию, обратный осмос, угольную фильтрацию, микрофильтрацию, ультрафильтрацию, ультрафиолетовое окисление или электродеионизацию. Комбинации этих процессов используются для получения сверхчистой воды настолько высокой чистоты, что содержание следовых загрязнений в ней измеряется в частях на миллиард (ppb) или частях на триллион (ppt). Очищенная вода имеет множество применений, в основном в производстве лекарственных средств, в научно-исследовательских и инженерных лабораториях и в промышленности, и производится с различной степенью чистоты. Она также используется в индустрии производства напитков в качестве основного ингредиента фирменных рецептур для обеспечения стабильности качества продукции. Ее можно производить непосредственно на месте для немедленного использования или приобретать в контейнерах. В разговорной речи под очищенной водой также может подразумеваться вода, которая была обработана для нейтрализации, но не обязательно для удаления веществ, считающихся вредными для людей или животных.
Дестилляция
Дистиллированная вода производится посредством процесса дистилляции. Дистилляция включает в себя кипячение воды и последующую конденсацию пара в чистую ёмкость, оставляя твёрдые загрязнения позади. Дистилляция позволяет получить воду высокой степени чистоты. В дистилляционном аппарате остаётся белый или желтоватый минеральный налёт, который требует регулярной очистки. Дистиллированную воду, как и любую другую очищенную воду, необходимо хранить в стерилизованной ёмкости для гарантии отсутствия бактерий. Для многих процедур существуют более экономичные альтернативы, такие как деионизированная вода, которые используются вместо дистиллированной воды.
Двойная дистилляция
Двойная дистиллированная вода (сокращенно "ddH2O", "Bidest. вода" или "DDW") получается путем медленного кипячения неконденсированного водяного пара, полученного при предыдущем медленном кипячении. Исторически она являлась фактическим стандартом для высокоочищенной лабораторной воды в биохимии и использовалась в лабораторном анализе микропримесей до широкого распространения комбинированных методов очистки воды.
Деионизация
Деионизированная вода (DI вода, DIW или деионизированная вода), часто является синонимом деминерализованной воды / DM воды, – это вода, из которой удалено почти все содержание минеральных ионов, таких как катионы, например натрий, кальций, железо и медь, и анионы, такие как хлорид и сульфат. Деионизация – это химический процесс, использующий специально разработанные ионообменные смолы, которые обменивают ионы водорода и гидроксида на растворенные минералы, а затем рекомбинируют их, образуя воду. Поскольку большинство нечастичных примесей в воде представляют собой растворенные соли, деионизация производит воду высокой чистоты, которая обычно аналогична дистиллированной воде, с тем преимуществом, что процесс происходит быстрее и не приводит к образованию накипи. Однако деионизация не удаляет в значительной степени незаряженные органические молекулы, вирусы или бактерии, за исключением случайной задержки в смоле. Специально разработанные сильнощелочные анионообменные смолы могут удалять грамотрицательные бактерии. Деионизацию можно проводить непрерывно и экономично с использованием электродеионизации. Существуют три типа деионизации: прямоточная, противоточная и смешанная.
Коакрутное деионизация
Совместная деионизация относится к исходному процессу нисходящего потока, при котором как исходная вода, так и реагенты для регенерации поступают в верхнюю часть ионообменной колонны и выходят внизу. Операционные расходы при совместной деионизации сравнительно выше, чем при противоточной деионизации, из-за большего расхода реагентов для регенерации. Поскольку реагенты для регенерации разбавлены при контакте с нижним или завершающим слоем ионообменной смолы в колонне, качество получаемой воды ниже, чем у колонны аналогичного размера, работающей в противоточном режиме. Этот процесс все еще применяется и может быть оптимизирован путем точной настройки потока реагентов для регенерации внутри ионообменной колонны.
Деионизация смешанного слоя
Деионизация смешанного слоя – это смесь катионной и анионной смолы в соотношении 40/60, объединенная в единой ионообменной колонне. При надлежащей предварительной обработке вода, очищенная при однократном прохождении через колонну смешанного слоя, является максимально чистой из возможных. Чаще всего смешанные деминерализаторы используются для финальной полировки воды, чтобы удалить последние ионы перед ее применением. Небольшие установки деионизации смешанного слоя не имеют возможности регенерации. Коммерческие установки деионизации смешанного слоя оснащены сложными внутренними системами распределения воды и регенерационного раствора для проведения регенерации. Система управления работает с насосами и клапанами для регенерации отработанных анионных и катионных смол в ионообменной колонне. Каждая смола регенерируется отдельно, а затем смешивается в процессе регенерации. Благодаря высокому качеству получаемой воды, а также из-за высокой стоимости и сложности регенерации, смешанные деминерализаторы применяются только в тех случаях, когда требуется вода максимально высокой чистоты.
Омягчение
Омягчение заключается в предотвращении возможного осаждения плохо растворимых минералов из природной воды из-за изменений физико-химических условий (таких как pCO2, pH и Eh). Оно применяется, когда плохо растворимые ионы, присутствующие в воде, могут осаждаться в виде нерастворимых солей (например, ), или взаимодействовать с химическим процессом. Вода "омягчается" путем замещения плохо растворимых двухвалентных катионов (преимущественно , и ) на растворимые катионы. Таким образом, размягченная вода имеет более высокую электропроводность, чем деионизированная вода. Размягченную воду нельзя считать полностью деминерализованной, но она больше не содержит катионов, ответственных за жесткость воды и вызывающих образование накипи – твердого мелового отложения, состоящего в основном из CaCO3, накапливающегося внутри чайников, водонагревателей и трубопроводов.
Деминерализация
В строгом смысле термин "деминерализация" должен означать удаление всех растворенных минеральных веществ из воды. Таким образом, удаляется не только растворенная соль, полученная простой деионизацией, но и нейтральные растворенные вещества, такие как растворенные гидроксиды железа или растворенная кремнекислота – два вещества, часто присутствующие в воде. В результате, деминерализованная вода имеет такую же электрическую проводимость, как и деионизированная вода, но она чище, поскольку не содержит неионизированных веществ, то есть нейтральных растворенных веществ. Однако деминерализованная вода часто используется как синоним деионизированной воды и может также смешиваться с умягченной водой, в зависимости от используемого определения: удаление только катионов, склонных к осаждению в виде нерастворимых минералов (отсюда и термин "деминерализация"), или удаление всех "минеральных веществ", присутствующих в воде, и, следовательно, не только растворенных ионов, но и нейтральных растворенных веществ. Таким образом, термин "деминерализованная вода" является расплывчатым, и для большей ясности часто предпочтительнее использовать термины "деионизированная вода" или "умягченная вода".
Другие процессы
Для очистки воды также используются другие процессы, включая обратный осмос, угольную фильтрацию, микропористую фильтрацию, ультрафильтрацию, ультрафиолетовое окисление или электродиализ. Они применяются вместо или в дополнение к вышеперечисленным процессам. Методы, делающие воду пригодной для питья, но не обязательно приближающие её к чистой H2O / гидроксидным + гидроксониевым ионам, включают использование разбавленного гипохлорита натрия, озона, смешанных окислителей (электрокатализированная H2O + NaCl) и йода; подробнее о методах обработки питьевой воды – в разделе "Влияние на здоровье" ниже.
Применение
Очищенная вода подходит для широкого спектра применений, включая автоклавы, наконечники, лабораторные исследования, лазерную резку и использование в автомобильной промышленности. Очистка удаляет загрязняющие вещества, которые могут мешать процессам или оставлять остатки после испарения. Хотя вода обычно считается хорошим проводником электричества – например, бытовые электросистемы считаются особенно опасными для людей при контакте с влажными поверхностями – чистая вода является плохим проводником. Проводимость воды измеряется в сименсах на метр (С/м). Типичная проводимость морской воды составляет 5 С/м, питьевой воды – от 5 до 50 мС/м, а высокоочищенной воды может достигать 5,5 мкС/м (0,055 мкС/см), что составляет соотношение примерно 1 000 000:1 000:1. Очищенная вода широко используется в фармацевтической промышленности в качестве сырья, ингредиента и растворителя при переработке, разработке состава и производстве фармацевтических продуктов, активных фармацевтических ингредиентов (АФИ) и промежуточных продуктов, фармакопейных статей и аналитических реагентов. Важно контролировать микробиологическое содержание воды, поэтому ее необходимо регулярно проверять, чтобы убедиться в поддержании микробиологического контроля. Очищенная вода также используется в индустрии производства коммерческих напитков в качестве основного ингредиента в рецептуре каждого торгового бренда для обеспечения стабильности вкуса, прозрачности и цвета. Это гарантирует потребителям надежно безопасный и приятный напиток. Перед розливом и герметизацией отдельные бутылки всегда промываются деионизированной водой для удаления частиц, которые могут повлиять на вкус. Деионизированная и дистиллированная вода используются в свинцово-кислотных аккумуляторах для предотвращения коррозии пластин, при этом деионизированная вода предпочтительнее, поскольку в процессе ее производства удаляется больше примесей.
Критика
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 пределам, частично или полностью, в одних и тех же или различных точках производственного процесса".
Электропроводность
Полностью обезгаженная сверхчистая вода имеет проводимость 1,2 × 10−4 С/м, в то время как при установлении равновесия с атмосферой она составляет 7,5 × 10−5 С/м из-за растворенного в ней CO2. Сверхчистую воду высших марок не следует хранить в стеклянных или пластиковых контейнерах, поскольку материалы этих контейнеров выщелачивают (выделяют) загрязняющие вещества в очень низких концентрациях. Для менее требовательных применений используются емкости из кварца, а для применений, требующих наивысшей чистоты – емкости из сверхчистого олова. Важно отметить, что хотя электрическая проводимость лишь указывает на наличие ионов, большинство распространенных загрязняющих веществ, содержащихся в воде, ионизируются в той или иной степени. Эта ионизация является хорошим показателем эффективности системы фильтрации, и более дорогие системы оснащаются сигнализацией на основе проводимости для индикации необходимости обновления или замены фильтров. Для сравнения, проводимость морской воды может достигать 5 С/м (указывается значение 53 мС/см), а у обычной неочищенной водопроводной воды она может составлять 5 × 10−3 С/м (50 мкС/см) (с точностью до порядка величины), что все равно примерно на 2–3 порядка величины выше, чем у воды, полученной с помощью хорошо работающего механизма деминерализации или дистилляции. Поэтому даже небольшие уровни загрязнения или снижение эффективности легко обнаруживаются.
Промышленное использование
Некоторые промышленные процессы, особенно в полупроводниковой и фармацевтической промышленности, требуют больших объемов особо чистой воды. В таких случаях исходная вода сначала очищается до воды высокой степени очистки, а затем дополнительно обрабатывается для получения сверхчистой воды. Другой класс сверхчистой воды, используемой в фармацевтической промышленности, называется Water For Inject (WFI), которая обычно производится методом многократной дистилляции или компрессионного испарения деионизированной воды (DI water) или воды, прошедшей обратный осмос и деионизацию (RO DI water). Для неё предъявляются более строгие требования к бактериальной обсемененности – не более 10 КОЕ на 100 мл, в отличие от 100 КОЕ на мл согласно USP.
Другие применения
Дистиллированная или деионизированная вода обычно используется для долива свинцово-кислотных аккумуляторов, применяемых в автомобилях и грузовиках, а также в других областях. Присутствие посторонних ионов, часто встречающихся в водопроводной воде, значительно сокращает срок службы свинцово-кислотного аккумулятора. Для автомобильных систем охлаждения предпочтительнее использовать дистиллированную или деионизированную воду, чем водопроводную. Использование деионизированной или дистиллированной воды в приборах, испаряющих воду, таких как паровые утюги и увлажнители, может уменьшить образование минерального налета, что продлевает срок службы прибора. Некоторые производители бытовой техники утверждают, что деионизированная вода больше не требуется. Очищенная вода используется в пресноводных и морских аквариумах. Поскольку она не содержит примесей, таких как медь и хлор, она помогает сохранить рыб здоровыми и предотвращает рост водорослей на аквариумных растениях из-за отсутствия фосфатов и силикатов. Деионизированную воду следует реминерализовать перед использованием в аквариумах, так как в ней не хватает макро- и микроэлементов, необходимых для растений и рыб. Вода (иногда смешанная с метанолом) используется для повышения эффективности авиационных двигателей. В поршневых двигателях она задерживает возникновение детонации. В турбинных двигателях она позволяет увеличить подачу топлива при заданном температурном пределе турбины и повышает массовый расход. Например, она использовалась на ранних моделях Boeing 707. Современные материалы и технологии сделали такие системы устаревшими для новых конструкций, однако распылительное охлаждение поступающего воздуха до сих пор ограниченно используется в турбированных двигателях внедорожников (гоночных автомобилей). Деионизированная вода часто используется в качестве ингредиента во многих косметических и фармацевтических препаратах. "Aqua" – стандартное наименование воды в Международной номенклатуре косметических ингредиентов, которое обязательно указывается на этикетках продукции в некоторых странах. Благодаря высокой относительной диэлектрической проницаемости (~80) деионизированная вода также используется (на короткие промежутки времени, когда допустимы резистивные потери) в качестве высоковольтного диэлектрика во многих приложениях импульсного питания, таких как установка Z Machine в Национальной лаборатории Sandia. Дистиллированная вода может использоваться в системах водяного охлаждения ПК и системах лазерной маркировки. Отсутствие примесей в воде обеспечивает чистоту системы и предотвращает размножение бактерий и водорослей. Кроме того, низкая проводимость снижает риск электрических повреждений при утечке. Однако известно, что деионизированная вода может вызывать трещины в латунных и медных фитингах. При использовании в качестве ополаскивателя после мытья автомобилей, окон и других подобных применений очищенная вода высыхает, не оставляя пятен от растворенных веществ. Деионизированная вода используется в системах пожаротушения водяным туманом, применяемых в чувствительных средах, например, где используется высоковольтное электрическое и чувствительное электронное оборудование. Форсунки "распылителя" создают гораздо более мелкие струи, чем другие системы, и работают под давлением до 35 МПа (350 бар; 5000 psi). Чрезвычайно мелкий туман быстро отводит тепло от огня, а мелкие капли воды непроводящие (при деионизации) и менее склонны повреждать чувствительное оборудование. Однако деионизированная вода по своей природе является кислотной, и загрязнители (такие как медь, пыль, нержавеющая и углеродистая сталь и многие другие распространенные материалы) быстро поставляют ионы, тем самым повторно ионизируя воду. Обычно не рекомендуется распылять воду на находящиеся под напряжением электрические цепи, и в целом нежелательно использовать воду в электрических системах. Дистиллированная или очищенная вода используется в хьюмидорах для предотвращения появления бактерий, плесени и загрязнений на сигарах, а также для предотвращения образования осадка на материале увлажнителя. Мойщики окон, использующие системы с подачей воды через шест, также используют очищенную воду, поскольку она позволяет окнам высыхать самостоятельно, не оставляя пятен или разводов. Использование очищенной воды из систем с подачей воды через шест также избавляет от необходимости использования лестниц и, следовательно, обеспечивает соответствие требованиям законодательства о работе на высоте в Великобритании.
Потребление минералов
Дистилляция удаляет все минералы из воды, а мембранные методы обратного осмоса и нанофильтрации удаляют большинство или практически все минералы. Это приводит к получению деминерализованной воды, которая не доказала свою более высокую пользу для здоровья по сравнению с питьевой водой. Всемирная организация здравоохранения исследовала влияние деминерализованной воды на здоровье в 1980 году и обнаружила, что она увеличивает диурез и выведение электролитов, а также снижает концентрацию калия в сыворотке крови. Магний, кальций и другие питательные вещества, содержащиеся в воде, могут способствовать защите от дефицита питательных веществ. Рекомендуемый минимум содержания магния составляет 10 мг/л, оптимальный уровень – 20–30 мг/л; для кальция – минимум 20 мг/л, оптимальный уровень – 40–80 мг/л, а общая жесткость воды (суммарное содержание магния и кальция) – 2–4 ммоль/л. Для фторидов рекомендуемая концентрация для здоровья зубов составляет 0,5–1,0 мг/л, при этом максимальное допустимое значение – 1,5 мг/л для предотвращения флюороза зубов. В муниципальных водопроводах часто добавляют или содержатся следовые количества примесей, уровни которых регулируются для обеспечения безопасности потребления. Большая часть этих дополнительных примесей, таких как летучие органические соединения, фториды и, по оценкам, более 75 000 других химических соединений, не удаляется при обычной фильтрации; однако дистилляция и обратный осмос удаляют почти все эти примеси.