Armatura laboratoryjna do wody demineralizowanej - która będzie najlepsza?

Woda demineralizowana odgrywa w laboratoriach coraz większą rolę. Początkowo stosowano ją głównie do czyszczenia i płukania, jednak z czasem znalazła znacznie szersze zastosowanie.

Kiedyś w praktyce wystarczyła niejednokrotnie czystość wody destylowanej. Istotnej roli nie odgrywało również zachowanie dokładnie zdefiniowanego stopnia czystości. W pracy dzisiejszego laboratorium pojawiają się coraz częściej czynności, w przypadku których woda jest wykorzystywana jako rozpuszczalnik do przeprowadzenia niezwykle dokładnych analiz. I tak np. niektóre badania z zakresu biotechnologii wymagają wody, która musi być całkowicie wolna od nukleazy, DNA i drobnoustrojów chorobotwórczych (pirogenów). Także takie zastosowania jak np. w hodowli ryb, gdzie ściśle zdefiniowany poziom składników mineralnych osiąga się poprzez dodanie ich do wody demineralizowanej, stają się w coraz większym stopniu częścią zakresu wykorzystania wody uzdatnionej. Inne typowe obszary zastosowania to produkcja leków, przemysł półprzewodników, produkcja ogniw słonecznych, fotolitografia czy elektrownie (jako woda zasilająca). Takie wykorzystanie wymaga wysokiej czystości i całkowitego odsolenia wody. Należy przy tym możliwie maksymalnie ograniczyć wahania parametrów przewodnictwa podczas realizacji poniżej opisanych etapów procesu.

Terminologia

Bardzo trudno jest podać jasną definicję wody uzdatnionej. Standardowy termin „woda destylowana” odnosi się do wcześniej powszechnie wykorzystywanej metody jej wytwarzania poprzez destylację. W przypadku tej metody woda nieuzdatniona jest odparowywana w aparacie destylacyjnym i skraplana ponownie do postaci płynnej w kondensatorze. Rozpuszczone w niej składniki, jak np. sole, pozostają w kotle parowym, z którego odparowana woda ulatnia się. Nie można przy tym całkowicie uniknąć przejścia substancji lotnych i niewielkich ilości składników nielotnych do pary wodnej.

Dzisiaj terminy takie jak aqua dest, aqua bidest itd. odnoszą się często nie do procesu produkcji, lecz oznaczają jedynie właściwości typowe dla jedno- lub kilkustopniowej destylacji, ponieważ woda oczyszczona jest dziś produkowana najczęściej z zastosowaniem nowoczesnych technik uzdatniania, a nie klasycznej destylacji. Ponadto w dzisiejszym języku pojawiają się raczej terminy takie jak woda demineralizowana lub odsolona. Istnieją w tym zakresie uregulowania ustawowe, jak np. norma DIN ISO 3696 (woda do celów analitycznych) czy też wytyczne VDI 2083 (wytwarzanie półprzewodników i elektrotechnika). Branża farmaceutyczna definiuje pojęcia aqua purificata oraz aqua injectibilia, podając stosowne wytyczne GMP.

Ważną właściwością wody demineralizowanej jest jej przewodnictwo wzg. jej specyficzny opór. Do oznaczenia jakości wody o najwyższym stopniu czystości stosuje się ponadto takie inne parametry, jak składniki nieorganiczne i organiczne, zawartość cząstek oraz liczba obecnych w niej mikroorganizmów.

W zależności od przeznaczenia wody istnieje wiele definicji i stopni czystości wody uzdatnionej. Zakres stopni czystości od wody laboratoryjnej po wodę ultraczystą, o najwyższym stopniu czystości wydaje się przy tym wystarczający. Z perspektywy różnych przeznaczeń pomocny może okazać się ogólny podział na wodę laboratoryjną (1-20 µS/cm), wodę czystą (1,0-0,1 µS/cm) oraz wodę o najwyższym stopniu czystości (0,1-0,0555 µS/cm), nawet jeżeli niekoniecznie pokrywa się on z innymi podziałami. Woda destylowana wykazuje przewodnictwo mniej więcej na poziomie od 0,5 do 5 µS/cm. Wartość przewodnictwa analitycznie czystej wody zgodnie z DIN ISO 3696 nie może przekraczać w przypadku wody o najniższej jakości 0,5 µS/cm.

Wysoce skuteczne odsalanie

Częstsze zastosowanie wody demineralizowanej i wysoki stopień czystości zawdzięczamy również szerokiej ofercie bardzo wydajnych instalacji do uzdatniania wody. Pracujące bez przerwy urządzenia wykorzystują zazwyczaj w fazie pierwszej osmozę odwróconą. Na syntetycznej membranie wytwarzane jest przy tym ciśnienie wyższe niż ciśnienie osmotyczne roztworu wodnego. Po drugiej stronie membrany znajduje się wolna od soli, wodna faza druga, pozbawiona w dużym stopniu minerałów i praktycznie całkowicie wolna od obciążeń organicznych. Dużą zaletę tej metody stanowi fakt, że membrany zatrzymują nie tylko sole, ale również wiele innych zanieczyszczeń (mikroorganizmy, cząstki organiczne itd.). Pozostałość soli na poziomie od dwóch do pięciu procent sprawia, że konieczne są kolejne etapy uzdatniania. Odgazowanie membranowe pozwala pozbyć się m.in. kwasu węglowego. Przewodnictwo szczątkowe można zredukować za pomocą wymieniacza jonowego z mieszanym złożem. W praktyce coraz częściej stosuje się elektrodejonizację jako drugi etap uzdatniania, łączącą w sobie dwie sprawdzone techniki oczyszczania wody: elektrodializę oraz odsalanie (dejonizację) poprzez wymianę jonów. Cel tej techniki to usunięcie rozpuszczonych w wodzie składników możliwe w całości w procesie ciągłym przy niewielkim nakładzie kosztów. Maksymalna czystość wody, jaką można osiągnąć w takim procesie odpowiada przewodnictwu elektrolitycznemu na poziomie poniżej 0,06 µS/cm. Regularna eksploatacja takiej instalacji z jedynie krótkotrwałymi przestojami pozwala również na zahamowanie wzrostu bakterii, glonów i grzybów.

Materiały dostosowane do danego medium

Wraz ze wzrostem czystości zwiększa się agresywność wody, ponieważ próbuje ona pobrać do roztworu brakujące jony metali.

Im mniej czyste są zastosowane metale, tym intensywniej są one atakowane przez wodę, w związku z czym przewody rurowe i standardowa armatura wodna z mosiądzu nie nadają się do zastosowania z wodą demineralizowaną. Materiały, których woda demineralizowana nie atakuje, to różne tworzywa sztuczne i stal szlachetna. Do kontaktu z wodą demineralizowaną nadają się głównie takie tworzywa jak PP, PVC i PVDF. Stal szlachetna, np. w gatunku 1.4571 wzgl. AISI 316 jest również doskonała do zastosowania w tym celu.

Aby sprostać szczególnym wyzwaniom, jakie stawia kontakt z wodą demineralizowaną, do odcięcia i dozowania wody demineralizowanej stosuje się armaturę z bardzo różnych materiałów i ich kombinacji. Stosowane są przy tym m.in.:

• Armatury niklowane chemicznie wewnątrz

Podczas niklowania chemicznego konwencjonalna armatura mosiężna jest zanurzana w wodnym roztworze roboczym o określonej zawartości jonów niklu. Reakcja jest inicjowana i sterowana przez katalizatory. W jej wyniku na powierzchni wewnętrznej armatury tworzy się cienka warstwa stopu niklu i fosforu, która sprawia, że element staje się odporniejszy na zużycie i korozję. W technice tej wszystkie obszary elementu pokrywa warstwa o takiej samej grubości i nie dochodzi do nadmiernego osadzenia się na krawędziach.

Ponieważ nikiel należy jedynie do metali półszlachetnych, woda o najwyższym stopniu czystości zniszczy w końcu powierzchnie niklowe, doprowadzając do ich korozji. Powierzchnia taka ulega rozkładowi. Nie można dokładnie określić, jak długo wytrzyma armatura niklowana. Jej żywotność będzie najprawdopodobniej tym krótsza, im czystsza jest płynąca przez nią uzdatniona woda. Z praktyki laboratoryjnej znane są przypadki, kiedy dochodziło do awarii armatury już po kilku miesiącach. Niszczenie materiału przez korozję prowadzi przy tym do zanieczyszczenia wody wypłukanymi jonami metali. Idzie to w parze ze wzrostem przewodnictwa medium i obciążeniem ścieków cząsteczkami niklu. W standardowych armaturach wodnych stosuje się ponadto głowice z komorą smarną, które zanieczyszczają medium dodatkowo zawartymi w smarze węglowodorami, w związku z czym jakość płynącej przez niej wody nie odpowiada jej jakości wyjściowej.

• Armatury mosiężne z wbudowaną rurą z tworzywa sztucznego

Bardziej wymagającą konstrukcję stanowią armatury mosiężne z wbudowaną rurą z PP lub PVDF, która sprawia, że woda demineralizowana nie ma kontaktu z metalem. Jeżeli armatury takie są wyposażone również w głowicę z tworzywa, gwarantują optymalną odporność i nadają się doskonale do zastosowania z wodą demineralizowaną. Do kontaktu z wodą o najwyższym stopniu czystości oferowane są wersje ze stałą cyrkulacją.

• Armatury z tworzyw sztucznych

W sprzedaży można znaleźć również armatury do wody uzdatnionej, które są w całości wykonane z PVC. Ze względu na podatność tego materiału na wzrost łamliwości armatury takie nie gwarantują bezawaryjności w perspektywie długoterminowej. Jeżeli są one dodatkowo wyposażone w zawór kulowy, wykazują podczas dozowania wadliwość wynikającą z konstrukcji.

Lepiej w praktyce sprawdzają się i są odpowiedniejsze dla tego typu medium specjalne armatury z PP. Grubości ścian i gwinty dostosowano w taki sposób, aby konstrukcja wykazywała odpowiednią trwałość również podczas ciągłej eksploatacji w laboratorium. Wymagane zgodnie z normą DIN EN 2918 część 1 obciążenie wynoszące 120 newtonów jest zachowane we wszystkich obszarach armatury. Wyposażenie w głowicę membranową pozwala osiągnąć wysoką dokładność dozowania. Odpowiednie dla medium połączenie materiałów pozwala wykluczyć wynikające z korozji ścieranie materiału. Taka konstrukcja pozwala również na rezygnację ze stosowania smarów, które mogłyby zanieczyścić medium. Armatury takie wytrzymują ciśnienie do 10 barów. Górna granica temperatury medium wynosi około 60^oC. W takiej temperaturze górna granica ciśnienia spada do 8 barów. W praktyce laboratoryjnej armatury takie są stosowane bezproblemowo i bezawaryjnie od lat. Z ekonomicznego punktu widzenia są one bardzo opłacalne i nawet przy minimum działań konserwacyjnych nie są znane ograniczenia ich żywotności.

• Armatury ze stali szlachetnej

W przypadku stali nierdzewnej chodzi o tak szlachetny materiał, że nawet najwyższej jakości woda o najwyższym stopniu czystości nie jest w stanie wypłukać z niego jonów metali w istotnej ilości. W praktyce laboratoryjnej sprawdza się w szczególności armatura ze stali nierdzewnej w gatunki 1.4571 wzgl. AISI 316. Ze względu na wyższe koszty materiału i produkcji zastosowanie armatury ze stali nierdzewnej zaczyna się tam, gdzie leżą granice wykorzystania innych armatur. Stal szlachetna wytrzymuje bardzo wysokie temperatury pary o najwyższym stopniu czystości i nadaje się tym samym w szczególności do stosowania w przypadku temperatury medium przekraczającej 60^oC. Może to mieć miejsce przykładowo w przypadku gorącej wody roboczej lub pary. Stal nierdzewna sprawdza się doskonale w przypadku armatur mieszanych. Inne obszary zastosowania stali to oczyszczanie przewodów z zastosowaniem sterylizacji termicznej lub w przypadku wody wzbogaconej w ozon. Nawet w wysokich temperaturach i w kontakcie z parą armatury ze stali szlachetnej wytrzymują ciśnienie do 10 barów.

Podsumowanie

W wyniku pojawienia się nowych zadań wzrosły wymagania w zakresie jakości stosowanej w laboratoriach wody demineralizowanej. W związku z tym istnieje konieczność takiego doboru armatury laboratoryjnej, która będzie w stanie sprostać wyższym wymaganiom i przyszłym zadaniom. Nie można dopuścić do tego, aby wynikające z korozji zużycie materiału powodowało obniżenie trwałości armatury i jakości medium. Należy przy tym stosować wyłącznie takie głowice, które wykluczają zanieczyszczenie medium smarami. Armatury wodne z niklowaniem chemicznym mogą bardzo szybko ulec awarii w wyniku korozji i w wielu punktach nie są zgodne z najnowszym stanem techniki. Zasadniczo nie nadają się one do stosowania z wodą demineralizowaną.

Do zastosowań standardowych w zakresie temperaturowym do 60^oC (medium) sprawdziły się w praktyce laboratoryjnej odpowiednio przygotowane armatury z PP z głowicami membranowymi - jako niedrogie i ekonomiczne rozwiązanie. Wyższe nakłady na produkcję armatur pokrytych wewnątrz specjalną warstwą tworzywa sztucznego są zasadne głównie ze względu na trudne warunki ramowe oraz wyjątkowo wysokie wymagania w zakresie czystości wody.

Armatury najwyższej klasy to armatury ze stali nierdzewnej. Pozwalają one na pracę z wyższymi temperaturami medium oraz z parą. Stanowią instalacje pierwszego wyboru w przypadku wody mieszanej oraz tam, gdzie stosuje się sterylizację termiczną. Wzbogacenie wody ozonem nie ma na nie żadnego wpływu.

ARTYKUŁ DO POBRANIA