Technologie uzdatniania wody

[ Pobierz całość w formacie 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
·
(c) 2005 by
Wigo Gąsiorowski
 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.
(c) 2005 by
Wigo Gąsiorowski
 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
W
·cm). Jest wygodniejsza do pomiaru jakości wody wysoko-
oczyszczonej.
Rezystywność
(M
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
W
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.
(c) 2005 by
Wigo Gąsiorowski
·cm)
W
·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.
pH
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).
(c) 2005 by
Wigo Gąsiorowski
 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.
(c) 2005 by
Wigo Gąsiorowski
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]