طرز تهیه و کاربردهای آب دیونیزه چیست؟

آب دیونیزه چیست؟

در آب های تصفیه شده، یون هایی وجود دارد که برای بدن انسان مضر هستند. به آبی که یون های مضر آن زدوده شده، آب دیونیزه یا آب یون زدایی شده (Deionized Water) می گویند. البته لازم به ذکر است که برخی از املاح معدنی برای بدن لازم هستند و نباید از آب جدا شوند.  از جمله یون های مضر برای بدن میتوان به کلسیم، سدیم، منیزیم ، آهن و غیره اشاره کرد.

کلیه واکنش های شیمیایی، بیوشیمیایی و درنهایت بیولوژیکی در محیط آبی صورت می گیرد. به همین دلیل کلیه پیوندهای بین مولکولی خصوصا پیوندهای یونی، واندروالسی، الکترواستاتیک و هیدروژنی که پایه و اساس واکنش های آزمایشگاهی هستند تحت تاثیر مواد محلول و غیرمحلول آب قرار می گیرند. بنابراین می توان گفت مهمترین ماده شیمیایی مورد استفاده در یک آزمایشگاه، مرکز تحقیقاتی و یا کارخانه های تولید محصولات شیمیایی و غذایی، آب خالص می باشد که تاکنون تهیه آن با روش های متداول به علت مصرف انرژی بالا، پساب بسیار زیاد آن و هزینه های نگهداری آن، مشکلات فراوانی را برای آزمایشگاه ها بوجود می آورده است.

خوشبختانه با استفاده از فن آوری های جدید در عرصه تصفیه و تخلیص آب که در چند سال اخیر رواج یافته این مشکل تا حد بسیار زیادی حل شده است تا آنجا که می توان خلوص آب را تا هدایت الکتریکی معادل 0.56µs/cm نیز که حد نهایی تخلیص آب می باشد رساند. در صورتی که با روش های تقطیر در شرایط بسیار مطلوب و به صورت دوبار تقطیر حداکثر می توان خلوص آب را معادل 1µs/cm رساند که آن نیز به علت گرمای زیاد آب تولیدی ناپایدار بوده و به سرعت ذرات معلق هوا را جذب خود می کند.

چگونه آب دیونیزه درست کنیم؟

به طور کلی فرایند خالص سازی آب شامل 4 روش زیر می باشد:

1- تقطیر Distillation

2- جذب Adsorption

3- تبادل یونی Ion Exchange

4- اسمز معکوس Reverse Osmosis (RO)

روش اول روش سنتی و قدیمی تهیه آب خالص و سه روش بعدی نسبتا روش های جدیدی هستند.

تقطیر آب

این روش از روش های قدیمی خالص سازی آب است که شامل پروسه جوشاندن آب و عبور دادن بخار آن از یک خنک کننده که توان خنک کردن آن را تا حد مایع داشته باشد، می باشد.

انواع جدید آب مقطر گیرها شامل بویلر و مبرد شیشه ای اند و بهترین نوع المنت از نوع المنت هایی با روکش شیشه ای از جنس سیلیکا می باشد. المنت های متداول که با برق 220-240V یا سه فاز کار می کنند مصرف برقی حدود 3kw در ساعت دارند و 4lit در ساعت آب مقطر تولید می کنند و بالطبع آب مقطرگیرهایی که 8lit در ساعت آب مقطر و یا 4lit در ساعت آب مقطر دو بار تقطیر تولید می کنند 6kw در ساعت مصرف برق دارند.

لازم به ذکر است که برای خنک کردن بخار آب بوجود آمده در هر ساعت نیاز به 60 لیتر آب خنک داریم یعنی به ازای هر 1 لیتر محصول 15 لیتر پساب خواهیم داشت.

حذف مواد آلوده کننده بستگی به نوع طراحی آب مقطرگیری دارد. افزایش بیش از حد دمای آب در بویلر می تواند باعث پرتاب قطرات آب به درون مبرد شده و موجب تداخل مقداری آلودگی در آب مقطر گردد. در ضمن عدم کنترل حرارت باعث حضور مواد با نقطه جوش پایین مانند الکل ها در آب می شود. بیشترین حد خلوص آب در این روش در بهترین نوع طراحی دستگاه بیش از 1µs/cm می باشد که آنهم به دلیل حرارت بالای آب خروجی که گاهی تا 60 درجه سانتیگراد نیز می رسد و در پی آن جذب ذرات معلق و گازهای هوا ناپایدار بوده و افزایش می یابد. به طوری که در اغلب موارد با حل شدن CO2 هوا در آب به صورت H2CO3 شاهد پایین آمدن pH آب در حد 4.5 تا 5 خواهیم بود.

درنهایت به علت وجود نمک های کلسیم و منیزیم که به عنوان سختی آب درنظر گرفته می شوند رسوب آنها روی بویلر و المنت شستشوی آب مقطرگیری را با اسید کلریدریک به طور متناوب و در برخی مناطق با سختی آب بالا حتی 3 بار در هفته باید انجام داد که خود یکی از مشکلات عدیده این روش می باشد. آب دیونیزه آبی است عاری از یون با حداقل مقاومت الکتریکی 1MΩ.cm (یا حداکثر هدایت الکتریکی 1µs/cm)

آب دیونیزه به علت نداشتن یون های تداخل کننده در واکنش های شیمیایی و داشتن pH خنثی امروزه کاربرد وسیعی در انجام آزمایشات یافته است به طوری که تا حد قابل توجهی دقت آزمایش را افزایش می دهد. و بدین جهت دستگاه دیونایزر یکی از ضروریات آزمایشگاه های بزرگ و مجهز دنیا شمرده می شود و در حال حاضر اغلب مراکز تحقیقاتی- آزمایشگاهی مجهز به دیونایزر جهت انجام آزمایشات حساس از قبیل HPLC، الکتروفورز، آزمایش های براساس سنجش ایمنی (ELISA،RIA،IRMA کمی لومینسانس)، ساخت محیط کشت های میکروبی (که pH آب اهمیت ویژه ای دارد)، ساخت بافرهای آزمایشگاهی، استفاده در اتوآنالایزرهای حساس بیوشیمیایی (از قبیل سری اتو آنالایزرهای هیتاچی)، استفاده در دستگاه های سنجش یون (Flame Photometer) و ساخت محلول های استاندارد می باشند.

در حال حاضر تنها روش در دسترس که می توان بوسیله آن آب دیونیزه در حد 0.1µs/cm بدست آورد. استفاده از ستون های رزینی می باشد و روش های دیگر به تنهایی قادر به رساندن آب تا این درجه خلوص نیستند.

از طرفی مشکل رزین های اشباع سریع آنها می باشد (بسته به نوع آب ورودی از چند روز تا چند هفته) که سابقا برای حل این مشکل از ستون های متعدد و بزرگ رزینی جهت دیونیزه کردن آب استفاده می شد تا مدت اشباع رزین ها افزایش یابد.

جدیدا با استفاده از ترکیب سه روش جذب (فیلترهای پلی پروپیلنی و کربن)، تبادل یونی (رزین) و اسمزمعکوس (فیلتر غشایی) توانسته اند زمان اشباع رزین ها را تا چندین ماه افزایش دهند.

روش جذب

این روش بوسیله فیلترهای پلی پروپیلنی، سرامیک-کوارتز و انواع فیلترهای کربن (گرانول یا اکتیو) انجام می شود. این فیلترها با جذب ناخالصی های مختلف می توانند آب را تا حد میکرون پیش تصفیه کنند.

فیلترهای سرامیکی و کوارتز عمل جذب مواد آلی ا قبیل نیترات ها و بسیاری از میکروارگانیسم ها را به عهده دارند.

تبادل یونی

در روش تبادل یونی رزین های کاتیونی عمل تبادل یون را انجام می دهند.

رزین ها می توانند به صورت Two Bed (دوبستری)، Mixed Bed (بستر مخلوط) مورد استفاده قرار گیرند.

در روش دوبستری رزین های کاتیونی و آنیونی به صورت مجزا در دو ستون قرار می گیرند. آب ابتدا وارد ستون کاتیونی شده و عمل تبادل یون های مثبت با H+ رزین ها انجام می شود. سپس وارد ستون آنیونی شده و دیون های منفی نیز با گروه OH- رزین ها جایگزین می شود و در نهایت یون های H+ و OH- آزاد به صورت H2O حاصل می شوند.

سیستم بستر مخلوط (Mixed Bed)، مخلوطی از رزین های کاتیونی و آنیونی با نسبت خاصی است که در یک ستون قرار می گیرند و عملی مشابه سیستم دوبستری را به صورت یکجا انجام می دهند با این تفاوت که در این روش به علت بوجود نیامدن محیط اسیدی بعد از ستون کاتیونی مناسب تر از روش قبلی است و محصول بهتری ارایه می کند.

در هر صورت استفاده از رزین به صورت مستقیم نتیجه ای جز اشباع سریع آن در پی نخواهد داشت. لذا می توان با استفاده از یک سیستم پیش تصفیه و علاوه بر آن استفاده از روش بسیار کارای اسمزمعکوس قبل از رزین این نقیصه را رفع کرده و عمر رزین را تا چندین ماه افزایش دهیم.

اسمز معکوس

در این روش با استفاده از یک غشای نیمه تراوا توسط خاصیت اسمزی می توان آب خالص با درجه خلوص بسیار بالا تهیه نمود.

اسمز معکوس برخلاف خاصیت اسمزی عمل می نماید. بدین صورت که در شرایط طبیعی آب از محلول رقیق تر در یک سمت از غشا اسمزی (Membrane) عبور کرده و به محلول غلیظ تر اضافه می شود تا آنجا که غلظت محلول های طرفین برابر گردد. در حین این انتقال فشاری متناوب با اختلاف غلظت محلول ها ایجاد می شود. که به آن فشار اسمزی گویند. اما در اسمز معکوس این فرایند به صورت معکوس عمل می کند بدین صورت که با ایجاد فشار بر روی محلول غلیظ تر، جهت انتشار آب عوض شده و از محلول غلیظ تر به سمت رقیق تر حرکت می کند و آب آلوده بسیار غلیظ به صورت پساب خارج می شود. این سیستم توانایی کاهش مواد محلول را تا 99% و حذف باکتری ها، ویروس ها و دیگر میکروارگانیسم ها را تا 99.9% دارا می باشد.

بعد از این سیستم می توان با قرار دادن یک کارتریج کوچک بستر مخلوط رزین (Mixed Bed) به عنوان پولیش دهنده، کلیه ذرات یونی باقیمانده را جدا نمود.

انرژی مصرفی این سیستم بسیار پایین بوده و فقط جهت ایجاد فشار معادل 150psi برای عبور آب از غشا اسمزی نیاز است که حدودا برابر 0.1kw/h می شود که خیلی پایین تر از مصرف دستگاه های تقطیر میعانی است. پساب نیز بسته به نوع ورودی آب بین 1/3  الی 2/3 می باشد که در مقایسه با تقطیر (15 لیتر پساب به ازای 1 لیتر آب مقطر) بسیار پایین است.

همانطور که ملاحظه شد این سیستم ترکیبی، با قابلیت بسیار بالا و تولید محصول منحصر به فرد و طول عمر بالا می تواند بدون اتلاف انرژی و آب و دبی خروجی مناسب پاسخگوی نیاز آب خالص مراکز آزمایشگاهی- تحقیقاتی باشد.

مطالب مرتبط :

برقکافت آب

فیلتر ممبران چیست؟