Agua de proceso desmineralizada

Es difícil encontrar rápidamente definiciones de limpieza y estándares para el agua desionizada, destilada y desmineralizada. Probablemente la forma más fácil para familiarizarse con el tema de producción (ultra) pura de agua es, a saber, con el método más antiguo y mejor conocido: la destilación.

El agua destilada es agua que ha sido hervida en un aparato llamado un “Alambique” y luego recondensada en una unidad de enfriamiento (condensador) para regresar el agua al estado líquido. La destilación se usa para purificar agua. los contaminantes disueltos como sales son dejados atrás en la olla hirviendo a medida que el vapor de agua se eleva. Puede no funcionar si los contaminantes son volátiles, ya que se pueden hervir y recondensar, tal como tener un poco de alcohol disuelto. Los alambiques muy elegantes pueden condensar (licuar) selectivamente agua desde otras sustancias volátiles, pero la mayoría de los procesos de destilación permiten el arrastre de al menos algunas sustancias volátiles, y muy poco de material no-volátil que haya sido arrastrado en la corriente de vapor de agua como ráfagas de burbujas a la superficie del agua hirviendo. La pureza máxima de tales alambiques es usualmente 1.0 MWcm; y dado que no hay protección de dióxido de carbono (CO₂) que se disuelve en el destilado, el pH es generalmente 4.5-5.0. adicionalmente, usted debe ser cuidadoso con no re-contaminar el agua después de destilarla.

Desionización: proceso que utiliza resinas de intercambio iónico de fabricación especial que remueven sales ionizadas del agua. teóricamente puede remover el 100% de las sales. La desionización típicamente no remueve orgánicos, virus o bacterias excepto a través de captura “accidental” en la resina y especialmente si son resinas aniónicas hechas de base fuerte, las cuales removerán bacterias Gramnegativas [4]. Otro proceso posible para crear agua desionizada es la Electrodesionización.

Desmineralización: cualquier proceso utilizado para remover minerales del agua. Sin embargo, comúnmente el término es restringido al proceso de intercambio iónico [1].

Agua Ultra Pura: agua altamente tratada, de alta resistividad y sin componentes orgánicos; usualmente utilizada en las industrias farmacéuticas y de los semiconductores. [4]

La desionización implica la remoción de sustancias disueltas eléctricamente cargadas (ionizadas) uniéndolas a sitios cargados positiva o negativamente en una resina a medida que el agua pasa a través de una columna llena con esta resina. Este proceso es llamado “intercambio iónico” y puede ser usado de diferentes formas para producir agua desionizada de varias calidades.

• Sistemas de resina de catión ácido fuerte + anión de base fuerte

Estos sistemas están compuestos por dos recipientes – uno que contiene una resina de intercambio catiónico en la forma de hidrógeno (H+) y el otro que contiene una resina aniónica en la forma de hidroxilo (OH-) (ver imagen abajo). Los flujos de agua atraviesan la columna catiónica, después de lo cual todos los cationes son intercambiados por iones de hidrógeno. El agua decationizada entonces fluye a través de la columna aniónica. A la vez, todos los iones cargados negativamente son intercambiados por iones de hidróxido que luego se combinan con los iones de hidrógeno para formar agua (H₂O) [2].

Estos sistemas remueven todos los iones, incluyendo la sílice. En la mayoría de los casos es aconsejable reducir el flujo de iones pasados al intercambiador de aniones instalando una unidad de remoción de CO₂ entre los recipientes de intercambio iónico. Esto reduce el contenido de CO₂ a unos pocos mg/l y provoca una reducción del siguiente volumen de la resina aniónica de base fuerte y en los requerimientos del reactivo de regeneración.

En general, el sistema de resina de catión ácido fuerte y de anión base fuerte es la disposición más simple, y puede ser obtenida con este un agua desionizada que puede ser usada en una amplia variedad de aplicaciones [3].

Sistemas de resina de catión ácido + anión de base débil + anión de base fuerte

• Esta combinación es una variación de la anterior. Provee la misma calidad de agua desionizada, mientras ofrece ventajas económicas cuando el tratamiento de agua contiene altas cargas de aniones fuertes (cloruro y sulfatos). El subtítulo indica que el sistema es equipado con un intercambiador aniónico de base débil antes del intercambiador aniónico de base fuerte final. La unidad opcional de remoción de CO₂ puede ser instalada ya sea después del intercambiador catiónico, o entre los dos intercambiadores aniónicos (ver imagen abajo). La regeneración de los intercambiadores aniónicos toma lugar con la primera solución de soda cáustica (NaOH) que pasa a través de la resina de base fuerte y luego a través de la resina de base débil. Este método requiere menos soda cáustica que el método descrito anteriormente porque la solución de regeneración restante después del intercambiador aniónico de base fuerte es usualmente suficiente para regenerar completamente la resina de base débil. Además, cuando el agua cruda contiene una alta proporción de materia orgánica, la resina de base débil protege la resina de base fuerte. [3]

• Desionización de lecho mixto

En desionizadores de lecho mixto las resinas de intercambio catiónico e intercambio aniónico son íntimamente mezcladas y contenidas en un recipiente de presión individual. Las dos resinas son mezcladas por agitación con aire comprimido, de tal manera que el lecho del agujero pueda ser considerado como un número infinito de intercambiadores aniónicos y catiónicos en series (resina de lecho mixto). [2,3]

Para llevar a cabo la regeneración, las dos resinas son separadas hidráulicamente durante la fase de aflojamiento. Como la resina aniónica es más ligera que la resina catiónica, se eleva al máximo mientras que la resina catiónica cae al fondo.  Después del paso de separación, la regeneración es llevada a cabo con soda cáustica y un ácido fuerte. Cualquier exceso de regenerante es removido enjuagando cada lecho separadamente.

Las ventajas del sistema de lecho mixto son las siguientes:

• El agua obtenida es de muy alta pureza y su calidad permanece constante en todos los ciclos,
• El pH es casi neutro,
• Los requerimientos de enjuague de agua son muy bajos.  

Las desventajas de los sistemas de lecho mixto son una capacidad más baja de intercambio y un procedimiento operacional más complicado por los pasos de separación y remezclado que se tienen que llevar a cabo. [3]

Los siguientes sistemas de intercambio iónico de agua desionizada pueden ser producidos con plantas de Ósmosis Inversa (RO). La Ósmosis Inversa es lo últimamente conocido. Este proceso permitirá la remoción de partículas tan pequeñas como los iones de una solución. La Ósmosis Inversa es utilizada para purificar el agua y remover sales y otras impurezas con el fin de mejorar el color, el sabor o propiedades del fluido. La Ósmosis Inversa es capaz de rechazar bacterias, sales, azucares, proteínas, partículas, tintes y otros constituyentes que tienen un peso molecular de más de 150-250 Dalton.    

La Ósmosis Inversa puede reunir la mayoría de los estándares con un sistema de paso simple y los estándares más altos con un sistema de paso doble. Este proceso logra rechazar el 99.9% de virus, bacteria y pirógenos. La presión en el rango de 50 a 1000 psi (3.4 a 69 bar) es la fuerza de conducción del proceso de purificación por Ósmosis Inversa. Es mucho más energía-eficiente comparada con la fase de cambio de procesos (destilación) y más eficiente que los químicos fuertes requeridos para regeneración por intercambio iónico. La separación de iones con Ósmosis Inversa es ayudada por partículas cargadas. Esto quiere decir que es muy probable que los iones disueltos que llevan una carga, tal como las sales, sean rechazados por la membrana, a diferencia de aquellos que no están cargados, tales como los orgánicos. Entre más grande sea la carga y más grande sea la partícula, es más probable que sea rechazada. [4] 

Medición de la pureza

La pureza del agua puede ser medida de varias formas. Uno puede intentar determinar el peso de todos los materiales disueltos (“soluto”); este es más fácilmente de hacer para sólidos disueltos, a diferencia de los líquidos o gases disueltos. Adicionalmente, para pesar realmente las impurezas, uno puede estimar sus niveles a través del grado en el cual ellos incrementan el punto de ebullición o del más bajo punto de congelación del agua. El índice de refracción (una medida de cómo los materiales transparentes doblan las ondas de luz) también es afectado por los solutos en agua. Alternativamente, la pureza del agua se puede estimar rápidamente sobre la base de la conductividad eléctrica o la resistencia – el agua muy pura conduce la electricidad de forma deficiente, así que su resistencia es alta.

Valor pH

El agua por definición es ligeramente ácida y el agua destilada se pondrá a prueba alrededor de pH 5,8. la razón es que el agua destilada disuelve dióxido de carbono desde el aire. Disuelve dióxido de carbono hasta que está en equilibrio dinámico con la atmósfera. Esto significa que la cantidad que es disuelta balancea la cantidad que sale de la solución. La cantidad total en el agua es determinada por la concentración en la atmósfera. El dióxido de carbono disuelto reacciona con el agua y finalmente forma ácido carbónico.

2 H2O + CO2 --> H2O + H2CO3 (ácido carbónico) --> (H30+) (agua acidificada cargada) + (HCO3-) (ion de bicarbonato cargado)

Solo el agua destilada que ha sido producida recientemente tiene un valor de pH de aproximadamente 7, pero al ser afectado por la presencia de dióxido de carbono alcanzará un valor de pH ligeramente acídico dentro de un par de horas.

Adicionalmente, es importante mencionar que el pH del agua ultrapura es difícil de medir. El agua de alta pureza no solo recoge rápidamente los contaminantes – como dióxido de carbono (CO₂) – que afectan su pH, pero también tiene una baja conductividad que puede afectar la precisión de los medidores de pH. Por ejemplo, la absorción de solo un poco de CO₂ puede causar que el pH del agua ultrapura caiga hasta 4.5, a pesar de que el agua esencialmente es de alta pureza todavía.

La estimación más precisa del pH de agua ultrapura es obtenida a través de la medición de su resistencia; para una dada resistencia, el pH debe estar entre ciertos límites. Por ejemplo, si la resistencia es 10,0 MWcm, el pH debe estar entre 6,6 y 7,6. La relación entre la resistencia y el pH del agua de alta pureza es mostrada en la siguiente figura: [2]

Resistividad eléctrica versus pH de agua desionizada [2]

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