Technologie uzdatniania wody.pdf

Technologie uzdatniania

CO OZNACZA?

WODA WYSOKIEJ CZYSTOŚCI (ULTRACZYSTA)

Woda jest podstawowym reagentem w laboratorium, który do niedawna był

przyjmowany jako coś zupełnie oczywistego. A tak jak piękno, czystość wody zależy

od obserwatora: jeśli konsument domowy traktuje wodę z kranu jako „czystą”, to

naukowiec uważa ją za silnie zanieczyszczoną. Współczesne wymogi przemysłu,

szczególnie w produkcji półprzewodników, stworzyły potrzebę uzyskiwania wody o

bardzo wysokim stopniu czystości. Nowe ultra-czułe techniki analityczne rozwinięte

do monitorowania tych procesów przemysłowych, same wymagają wody ultra-czystej.

Powszechne jest wśród naukowców zajmowanie się pierwiastkami i związkami

chemicznymi w zakresach stężeń części na miliard (ppb). Badania biotechnologiczne

są często bardzo czułe na zanieczyszczenia wszelkiego typu, szczególnie na metale

przejściowe oraz rozpuszczone związki organiczne. Wysokosprawna chromatografia

cieczowa (HPLC) wymaga ultra-czystej wody w wielu swoich zastosowaniach,

głównie jako eluent. Naturalnie, np. badania śladowych zanieczyszczeń wymagają

wody, która jest wolna od składników, które będą oznaczane.

Zanieczyszczenia wody (woda jako rozpuszczalnik)

Unikalne zdolności wody do rozpuszczania, do pewnego stopnia, prawie każdego

związku chemicznego oraz do podtrzymywania praktycznie każdej formy życia,

oznaczają jednocześnie, że źródła zasilania wodą zawierają ogromną gamę

zanieczyszczeń. Główne kategorie zanieczyszczeń znajdowanych w wodzie surowej

są następujące:

Zawiesiny cząstek stałych, w tym koloidy

Rozpuszczone sole nieorganiczne

Rozpuszczone związki organiczne

Mikroorganizmy

Pyrogeny

Rozpuszczone gazy

Zawiesiny stałe

Zawiesiny w wodzie składają się z zanieczyszczeń mulistych, brudu z rurociągów

oraz koloidów. Cząsteczki koloidalne, które mogą być pochodzenia organicznego lub

nieorganicznego – nie są ani zawiesiną, ani roztworem - powodują wzrost mętności

wody. Stopień zanieczyszczenia koloidalnego może być określony za pomocą

badania indeksu blokowania (FI – fouling index) , w którym mierzona jest szybkość

blokowania się standardowego filtra, lub za pomocą turbidymetrii. W metodzie

turbidymetrycznej – która określa całkowitą zawartość stałych zawiesin w wodzie –

promień światła jest przepuszczany przez wodę i mierzona jest część światła

rozproszona na cząsteczkach zawiesin.

Cząsteczki zawiesin mogą zablokować membrany odwróconej osmozy oraz kolumny

analityczne o małych średnicach, jak również wpływać na pracę zaworów oraz

czujników. Z tego względu 10-cio lub 20-to mikronowy filtr wstępny jest często

używany jako pierwszy składnik systemy oczyszczania wody w celu odfiltrowania

większych cząstek. Mniejsze cząstki mogą być następnie usunięte przez odwróconą

osmozę, filtrację sub-mikronową lub ultrafiltrację.

Rozpuszczone związki nieorganiczne

Substancje nieorganiczne w roztworze zawierają sole powodujące twardość,

pochodzące z warstw skalnych: wodorowęglany wapnia i magnezu dają wzrost

„twardości przemijającej”, podczas gdy siarczany i chlorki powodują „twardość

nieprzemijającą”.

Pośród innych zanieczyszczeń nieorganicznych obecnych w wodzie znajdują się:

dwutlenek węgla, który rozpuszcza się wodzie dając słaby kwas węglowy, sole

sodowe, krzemiany wyługowane z piaszczystych koryt rzek, związki żelazowe i

żelazawe pochodzące z minerałów i zardzewiałych rur stalowych, chlorki z wtrąceń

solnych, aluminium z dozowania chemikaliów i z minerałów, fosforany z detergentów,

oraz azotany z nawozów.

Całkowita zawartość stałych związków rozpuszczonych (TDS – total dissolved solids)

jest pozostałością w mg/l (lub ppm) otrzymaną przez tradycyjną metodę odparowania

próbki wody do suchości i ogrzewania w 180°C. Pozostałość ta zawiera koloidy,

nielotne związki organiczne oraz sole stabilne w tej temperaturze.

Ponieważ największą częścią w suchej pozostałości są sole nieorganiczne, TDS jest

używany jako wskaźnik całkowitej zawartości związków nieorganicznych obecnych w

wodzie zasilającej. Może on być mierzony bezpośrednio lub szacowany w sposób

przybliżony przez pomnożenie przewodnictwa wody w µS/cm w 25°C przez

współczynnik 0,7.

Przewodnictwo

Sole nieorganiczne w wodzie składają się z dodatnio naładowanych kationów oraz

ujemnie naładowanych anionów - które będą przewodzić prąd elektryczny po

przyłożeniu napięcia pomiędzy dwoma elektrodami zanurzonymi w wodzie. Im więcej

jest obecnych jonów, tym większy prąd - większe przewodnictwo (i niższa

rezystywność).

Przewodnictwo jest wyrażane w mikrosimensach na centymetr (µS/cm) i jest

stosowane do mierzenia jakości wody surowej i wody oczyszczonej typu

podstawowego. Rezystywność jest odwrotnością przewodnictwa i jest wyrażana w

megaomach·cm (M

·cm). Jest wygodniejsza do pomiaru jakości wody wysoko-

oczyszczonej.

Rezystywność

0,1 1,0 10,0 18,2

Przewodnictwo

(µS/cm)

10,0 1,0 0,1 0,055

Wartości przewodnictwa mniejsze niż 2 µS/cm muszą być mierzone „w linii” ponieważ

wysoko-czysta woda szybko absorbuje zanieczyszczenia z otoczenia, szczególnie

dwutlenek węgla, co wiąże się ze wzrostem przewodnictwa.

Przewodnictwo i rezystywność są zależne od temperatury. W 25°C całkowicie czysta

woda ma rezystywność 18,2 M

Wzrost temperatury wody wywołuje

wyższe przewodnictwo i niższą

rezystywność. Nie powinno być to

jednak traktowane jako pogarszanie

się jakości wody uzdatnionej. Jeśli

temperatura wzrośnie o 1°C,

przewodnictwo wody wodociągowej

wzrośnie o około 2%, ale dla wody

ultra-czystej wzrost ten wyniesie około

6%. Normalnie w praktyce stosuje się

korektę wszystkich wartości

przewodnictwa i rezystywności do

25°C. Jest to wykonywane

automatycznie przez współczesne

mierniki przewodnictwa – jako istotne

dla dokładności pomiaru.

·cm)

·cm (przewodnictwo 0,055 µS/cm), z powodu

obecności jonów wodorowych i wodorotlenowych.

Zanieczyszczenia śladowe

Choć rezystywność służy jako doskonały wskaźnik jakości jonowej wody o wysokiej

czystości, nie jest ona wystarczająca w pewnych krytycznych zastosowaniach. W

przypadkach, gdy poziom poszczególnych zanieczyszczeń musi być mierzony w

częściach na miliard lub niżej, stosuje się takie techniki analityczne jak chromatografia

jonowa, spektrofotometria absorpcji atomowej w piecu grafitowym i plazmową

spektrometrię masową ze sprzężeniem indukcyjnym.

Pomiar pH wody ultra-czystej jest trudny. Nie tylko dlatego, że woda wysoko-czysta

szybko "łapie" zanieczyszczenia, które wpływają na jej pH, ale także posiada niską

konduktancję, która powoduje niestabilność pomiaru w większości pH-metrów, chyba

że są one specjalnie zaprojektowane do pracy w wodzie ultra-czystej.

Na szczęście, ponieważ stężenie jonów wodorowych w wodzie wpływa na pH i na

rezystywność, pH musi leżeć w określonych granicach dla danego odczytu

przewodnictwa. Na przykład, gdy rezystywność wynosi 10 M ·cm, wartość pH musi

leżeć pomiędzy 6,6 i 7,6.

pH ultra-czystej wody może spaść do 4,5 jako że absorbuje ona dwutlenek węgla z

atmosfery , ale nie oznacza to, że woda jest silnie zanieczyszczona; już kilka ppm

CO2 spowoduje spadek pH.

Rozpuszczone związki organiczne

Organiczne zanieczyszczenia wody pochodzą z rozkładu materii roślinnej –

zasadniczo są to kwasy huminowe i fulwowe – oraz z rolnictwa, papiernictwa oraz

ścieków komunalnych i przemysłowych. Zawierają one detergenty, tłuszcze, oleje,

rozpuszczalniki oraz pozostałości pestycydów i herbicydów.

Dodatkowo, zawarte w wodzie związki organiczne mogą zawierać związki

wyługowane z rurociągów, zbiorników oraz środków czyszczących.

System oczyszczania wody może być także źródłem zanieczyszczeń i wobec tego

musi być zaprojektowany nie tylko tak, żeby usuwać zanieczyszczenia z wody

zasilającej, ale żeby uniknąć dodatkowego ponownego zanieczyszczenia

pochodzącego z samego systemu.

Związki organiczne zawarte w wodzie surowej często dają żółto-brązowe zabarwienie

i mogą zablokować żywice jonowymienne, jak również zanieczyścić wodę

wyprodukowaną. Stopień zanieczyszczenia organicznego może być mierzony za

pomocą testu absorpcji tlenu (OA – oxygen absorbed) wykorzystującego roztwór

nadmanganianu potasu, lub testu chemicznego zapotrzebowania tlenu ( COD ).

Obecnie coraz szerzej są stosowane analizatory całkowitego węgla organicznego

( TOC - total organic carbon ), z powodu ich czułości w wykrywaniu niskich poziomów

związków organicznych w próbkach wody. (Mówiąc ściśle, instrumenty te mierzą

całkowity utlenialny węgiel organiczny (TOOC) obecny w próbkach).

Woda o bardzo niskiej zawartości TOC (poniżej 10 ppb) jest szczególnie ważna dla

użytkowników takich technik jak HPLC, analiza fluoroscencyjna oraz kultury

tkankowe. Równie ważna, w przypadku gdy używane są systemy detekcji

ultrafioletowej, jest konieczność, żeby woda miała bardzo niski poziom absorpcji

światła UV (idealnie mniej niż 0,0001 jednostek absorpcji przy 254 nm).

Mikro-organizmy

Wody powierzchniowe zawierają szeroką różnorodność mikro-organizmów, w tym

ameby, bakterie, pierwotniaki, wrotki, okrzemki i algi. Ponieważ jednak większość

wody w laboratorium pochodzi z miejskiej stacji uzdatniania wody, i jest silnie

uzdatniona dla usunięcia mikroorganizmów, podstawowymi mikroorganizmami

istotnymi dla systemu oczyszczania wody są bakterie. Typowy poziom bakterii w

pitnej wodzie zasilającej laboratorium wynosi jedną kolonię na mililitr lub mniej.

Rozwój bakterii jest utrzymywany na tak niskim poziomie przy użyciu resztkowego

poziomu chloru lub innego środka dezynfekującego. Gdy te środki dezynfekujące

zostają usunięte podczas procesu oczyszczania wody – bakterie mają szansę

rozwoju.

Zadania systemu wody ultra-czystej (w zakresie mikrobiologii) są następujące:

1.Usunąć bakterie obecne w wodzie zasilającej.

2.Uniemożliwić bakteriom przeniknięcie do systemu i ponownego jego zakażenie.

3.Zahamować rozwój bakterii w systemie.

4.Zapewnić, że w wodzie wyprodukowanej nie ma bakterii.

Bakterie są jednokomórkowymi organizmami, których liczba rośnie w sposób

wykładniczy, dobrze rozwijają się w stojącej wodzie, i mogą być obecne na różnych

powierzchniach i w powietrzu. Potrafią przetrwać i rozwijać się w różnorodnych

środowiskach, w tym w rozpuszczonych związkach organicznych i nieorganicznych.

Bakterie przetwarzające żelazo, siarkę oraz azot, są dobrymi przykładami

organizmów wykorzystujących dostępne media. Bakterie łatwo rozwijają się w

systemach wody ultra-czystej.

Bakterie przenikną do niezabezpieczonego systemu oczyszczania wody z wody

zasilającej, przez wszelkie „dziury” w systemie, lub przez punkty poboru wody

oczyszczonej. Już w systemie, niektóre bakterie potrafią wydzielić lepką polimeryczną

substancję, która przykleja je do powierzchni zbiorników magazynowych, wkładów

dejonizacyjnych, rurociągów i w „ukrytych” miejscach takich jak zawory kulowe.

Bakterie mogą być zwykle wykryte i policzone przez przefiltrowanie próbki wody przez

filtr 0,45 mikrona i hodowlę filtra z bakteriami na odpowiedniej pożywce przez kilka

dni. Liczba bakterii jest określana w jednostkach tworzących kolonię na mililitr

(CFU/ml) . Bakterie mogą być zniszczone przez środki dezynfekujące takie jak

nadtlenek wodoru, podchloryn i wodorosiarczyn. Gdy jednak bakterie zostaną

zniszczone, ich polimeryczne wydzieliny oraz lipopolisacharydowe fragmenty

komórek pozostają i mogą wywołać problemy, jeśli nie zostaną również usunięte.

Pyrogeny , nazwa nadana fragmentom błony komórkowej bakterii, oznacza

„wywołujące gorączkę”. Gdy woda zawierająca pyrogeny zostanie wstrzyknięta

ssakom, wystąpi wzrost temperatury ich ciała. Dlatego woda typu farmaceutycznego

musi być apyrogenna. Stwierdzono także, że pyrogeny mają niekorzystny wpływ na

eksperymenty z kulturami tkankowymi.

Pyrogeny są wykrywane albo przez wstrzykiwanie próbki wody specjalnie

hodowanym królikom i monitorowanie ich na wzrost temperatury, albo przez test LAL

(Limulus Amoebocyte Lysate) , czuły test na wykrywanie bardzo niskich poziomów

endotoksyn.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: